Тонкости доводки атмосферного мотора.

Ранее в своих постах, я уже рассказывал о понятии “Правильный атмо мотор”. Сегодня предлагаю на реальном примере рассмотреть модификации, которые необходимо произвести для достижения поставленных целей.
Все мероприятия по доводке были произведены на нашем стареньком Форде Фокусе 2 с 2-х литровым мотором дуратек.

Многие знают, что необходимо сделать для повышения мощности атмо двигателя. Но, часто происходит обратный процесс “анти тюнинг”, когда используют тюнинговые впускной и выпускной коллектора от ведущих производителей.

Давайте сравним stage-2 (система холодного впуска, система выпуска с настроенным выпускным коллектором), который хорошо себя зарекомендовал (ранее о нем уже писал)

с более продвинутым вариантом, в котором использовался выпускной коллектор фирмы Miltek и впускной ресивер от ведущего производителя Cosworth.

Конечно, пиковое значение максимальной мощности выше в варианте с использованием "брендовых" коллекторов, но все же stage 2 имеет на порядок лучше кривую момента.

Теперь предлагаю построить хороший атмо мотор 200+ л.с и с возможностью дальнейшего увеличения мощности. На данном этапе у нас есть один серьезный ограничитель – максимальные обороты двигателя 7200 об/мин. После замены болтов шатунов на усиленные, мы сможем сдвинуть ограничитель до 7800 об/мин. Но пока сделаем без вскрытия двигателя, т.е. будем планировать максимальную мощность на 7100 об/мин.
Задача не простая, построить мотор с хорошим моментом на низких оборотах, как минимум не хуже чем в стоке и максимальной широкой полкой. Так как степень сжатия у двигателя осталась без изменения 10.8:1 и максимальную мощность мы не планируем выше 7100 об/мин то оптимальным будет установить впускной распределенный вал с полной фазой 212 @0.05” (измеренная при подъема клапана 0.05 дюймов)

Еще раз хочу напомнить, что использование значений полной фазы распределительных валов с использованием advertised duration (рекламной) не дает четкой картины – это просто хорошо для рекламы

Использование распределительных валов с не широкими фазами, а это означает, что впускной и выпускной клапана будут, закрывается достаточно рано. Что в свою очередь поможет нам уменьшить проблему с обратным выбросом, как на впуске, так и на выпуске на не высоких оборотах.

Увеличенное перекрытие клапанов (overlap) и с использованием настроенных длин труб впускного коллектора позволит нам значительно увеличить наполняемость цилиндров на высоких оборотах за счет улучшения продувки камеры сгорания

Поршень разогнал выпускные газы, они набрали энергию и поэтому даже когда поршень начинает свое движение вниз, в выпускном коллекторе давление меньше чем в цилиндре и поэтому продолжается процесс высасывания, очищение камеры сгорания, цилиндров. Также это низкое давление помогает всасывать свежий заряд через открывающейся впускной клапан. Часть этого свежего заряда остается в цилиндре, а часть выходит с отработанными газами (очищение, ну и правда немного повышенный расход вам будет обеспечен)

Так как мы используем очень эффективный выпускной коллектор, то для уменьшения “перепродувки”, что бы за счет разницы давления на впуске и выпуске не выходило слишком много свежего заряда в направлении выпуска, используем для этого выпускной распределительный вал с меньшей полной фазой и меньшим подъемом, чем на впуске. Или другими словами закроем раньше выпускной и клапан. Для этого мы использовали распределительный вал на выпуске с фазой 206 @0.05”.

Для уменьшения обратного выброса отработанных газов на малых оборотах мы использовали новый рассчитанный выпускной коллектор у которого диаметр больше выходного отверстия в головке блока цилиндров и при этом оставили образовавшуюся ступеньку, которая сильно помогает в решении данной проблемы и естественно значительно добавила момента.

Правильно подобранный или изготовленный (как в нашем случае) впускной ресивер, а также правильно организованное закрытие впускного клапана, что в свою очередь является самым важным моментом при постройке любого двигателя.

Поступающий свежий заряд разгоняется в впускном канале, соответственно имеет инерцию, он не может сразу остановится, за волной разряжения обязательно последует волна давления. Чем быстрее мы организуем скорость потока в канале и направляющих, тем больше воздуха поступит в цилиндр т.к. будет выше давление. Воздух будет поступать в цилиндр до тех пор, пока давление в канале будет выше, чем в цилиндре и вот тут главное вовремя закрыть впускной клапан, чтобы поршень, идущий вверх (при этом повышающий давление в цилиндре) не начал выталкивать воздух обратно в систему впуска.

На скорость потока заряда влияет скорость поршня (обороты двигателя), проходное сечение впускного тракта (канал и ранер) и тормозящие процессы вызванные сопротивлением.

Настройка системы впуска

Первая часть эффективной настройки впускного ресивера начинается с хорошо отстроенного выпускного коллектора. Как уже выше отмечалось, когда выпускной клапан открывается, это генерирует мощную положительную волну давления. Эта волна движется к окончанию труб (ранеров) выпускного коллектора и возвращается в цилиндры, как мощная волна (импульс) с пониженным давлением (разрежением). Если все настроено правильно, этот интервал волны с разрежением придется на момент перекрытия клапанов (overlap) улучшит очищение цилиндров от отработанных газов и поможет наполнению свежим зарядом. Этот эффект продувки (scavenging effect) понизит давление в цилиндрах до момента закрытия выпускного клапана.

После закрытия выпускного клапана поршень начинает быстро двигаться вниз и когда достигает своей максимальной скорости, между 70-80 градусами ATDC (после верхней мертвой точки) зависит от отношения длины шатуна к рабочему ходу, резкое увеличение объема цилиндра “рывком” понизит и так уже низкое давление в цилиндре. Это резкое понижение давление генерирует мощную волну, которая движется в направлении резкого окончания впускного ранера, где она отражается, как положительная волна сжатия (давления). В зависимости от длины ранера и оборотов коленчатого вала эта волна давления вернется в цилиндр перед закрытием впускного клапана.

Эта волна сжатия на впуске оказывает два положительных эффекта:

1. Когда волна движется по впускным каналам и направляющим, она подталкивает частицы свежего заряда в том же направлении и тем самым помогает наполняемости цилиндров,

2. Положительно давление около впускного клапана преодолевает создающееся давление в цилиндре из-за его движения вверх на ранней стадии такта сжатия. Данный эффект нагнетает дополнительный свежий заряд и откладывает момент начала обратного выброса до момента, когда впускной клапан полностью закроется. Этот процесс называется – дозарядка. (Intake Ramping), а сама настойка впуска называется – инерционная настройка.

Как мы это делаем – подбором длины и диаметра направляющих. Меняя эти размеры, мы тем самым меняем скорость потока воздуха, амплитуду и ширину импульса и момент когда этот импульс должен произойти. К сожалению, мы можем оптимально настроить только на определенных оборотах, а именно на тех которые нам больше всего нужны, но не везде:

— Увеличивая длину и/ или уменьшая диаметр направляющих мы увеличиваем скорость потока, его амплитуду и тем самым передвигаем пик максимальной мощности на более низкие обороты и наоборот, короче направляющие и/или больше диаметр идем наверх.

Инерционная настройка ответственна за увеличение наполняемости цилиндров и момента в широком диапазоне оборотов двигателя. Инерционный тюнинг является оптимальным, когда повышение давление в направляющих впуска является высоким в широком диапазоне периода открытия клапана и особенно вблизи закрытия впускного клапана.

Чем длиннее направляющие, тем глубже и дольше период пульса с низким давлением после того, как поршень начинает свое движение вниз (после верхней мертвой точки). И даже если пиковое значение высокого давления вблизи момента закрытия впускного клапана выше, этот глубокий отрицательный экстрим может ухудшить наполняемость цилиндров. Что в этом случае и произошло.

Весь комплекс выше описанных событий добавляет значительное преимущество двигателю, но выпускной коллектор, дизайн впускного ресивера и все моменты открытия и закрытия клапанов должны быть обязательно синхронизированы для получения этого эффекта.

Когда эта синхронизация теряется, свежий заряд будет обратно выбрасываться в впускной канал до момента закрытия впускного клапана. Обратный выброс – это убийца мощности

После того, как впускной клапан закрылся, мощная волна разряжения (expansion) созданная ныне завершившимся тактом впуска колеблется между резким окончанием труб направляющих впуска и закрытым клапаном до момента пока впускной клапан не откроется и тем самым начнется новый процесс. Эта волна меняет свой знак с разряжения на сжатие каждый раз, когда встречается с открытым окончанием направляющих впуска.

Если пик высокого давления отраженной волны у впускного клапана придется в момент перекрытия клапанов (overlap), что в свою очередь поможет очищению камеры сгорания от отработанных газов. Это приведет к дополнительному улучшению наполняемости цилиндров свежим зарядом.

Однако, если пик разряжения вернется к впускному клапану в момент перекрытия клапанов, то дополнительно отработанные газы будут выброшены в впускные направляющие. Это в свою очередь навредит наполняемости цилиндров т.к. цилиндр будет сначала всосать эти самые отработанные газы из направляющих и каналов и только потом начнет поступать свежий заряд.

Данный вид настройки системы впуска называется — резонансная настройка (resonance tuning)

Типичная длина направляющих 5- 20 дюймов при 3000-10000 об/мин. Волна резонансного давления отражается несколько раз между тактами впуска. Таким образом, на некоторых оборотах двигателя происходит положительный тюнинг, а на других отрицательный. Резонансный тюнинг отвечает за “раскачку” видимую на кривой момента у двигателей с широкой фазой перекрытия клапанов. На двигателях с небольшим перекрытием, резонансный тюнинг оказывает намного меньше эффект.

Также, каждый раз, когда волна отражается, она теряет немного своей силы. Следовательно, при работе двигателя на низких оборотах или при использовании коротких направляющих, резонансная настройка дает незначительный эффект.

Если инерционная настройка ответственна за увеличение наполняемости цилиндров и момента в широком диапазоне оборотов двигателя, то резонансный тюнинг настраивается на максимальные обороты двигателя. Для получения наибольшей пользы от отраженной волны в пике максимальных оборотов двигателя, часто лучшим выбором является использование для настройки системы впуска второго или третьего отраженного импульса. (1-й просто физически не представляется возможным использовать из-за очень большой длины).

Также, возможно увеличить или уменьшить количество отраженных импульсов за счет уменьшения или увеличения длины направляющих впуска.

Оптимальная длина направляющих на впуске для 2-го импульса в момент закрытия впускного клапана можно “грубо” вычислить, используя следующее уравнение:

длина (дюймы) для 2-го импульса = 108000/обороты двигателя
(длина включает в себя и длину впускного канала в головке блока цилиндров)

Это формула неплохо работает для двигателей, у которых максимальный крутящий момент на достаточно высоких оборотах. Тем самым использовать ее для обычных машин проблематично в реальности. Поэтому, более часто, используют третий, четвертый или даже пятый обратный импульс, которые требуют намного меньше длины впускных направляющих.

Для грубой оценки длины 3-го, 4-го и 5-го обратных импульсов:
длина (дюймы) для 3-го импульса = 97000/обороты двигателя
длина (дюймы) для 4-го импульса = 74000/обороты двигателя
длина (дюймы) для 5-го импульса = 54000/обороты двигателя

Сущность резонансной настройки состоит в том, что впуск находится в состоянии “тюнинг” или “анти-тюнинг”, по мере увеличения оборотов коленчатого вала. Многообразные переходы от пятого к четвертому, к третьему, даже возможно ко второму настроенному пульсу на максимальных оборотах двигателя. На низких оборотах, когда двигатель настроен на пятый или даже выше пульс, мало пользы происходит от отраженного импульса. Однако, в то время, как двигатель набирает достаточно высокие обороты, так что третий или второй импульс поступают перед моментом закрытия впускного клапана, значительный перепад давления помогает наполняемости цилиндров и предотвращает обратный выброс.

Поскольку второй импульс обеспечивает сильнейшую обратную волну, возникает вопрос: Почему не использовать второй импульс при дизайне всех впускных ресиверов и коллекторов? Ответ очевиден, не настроенный ( un-tuned) промежуток между вторым и третьим пульсом намного больше, чем между третьим и четвертым. Это означает, что двигатель с установленным впуском, который настроен на второй импульс, будет иметь узкий, пиковый диапазон мощности. В то же время, впуск использующий потенциал третьего или даже четвертого импульса, будет производить шире, но в тоже время потенциально ниже кривую мощности.

И так возвращаемся к нашему Форду. Так как это не последний этап повышения мощности в атмосферном варианте данного мотора, то было принято решение установить дроссельную заслонку большего диаметра (60 мм). Стандартная заслонка становится сильным ограничителем при достижении 200 л.с.

Воспользовавшись рекомендациями программы “калькулятор мощности”, которая рассчитала не только мощность и крутящий момент в соответствии с поставленной задачей, но выдала оптимальные длины, диаметры систем впуска и выпуска и естественно camshaft timing – оптимальные значения для установки используемых распределительных валов, под которые и были рассчитаны все параметры впуска и выпуска.
Все эти данные были внесены в программу симулятор, которая выдала следующий результат

Как мы видим, пока теоретически, с поставленной задачей справились, широкая полка момента, неплохие показатели на низких оборотах и максимальная мощность 205 л.с около 7100 об/мин. НАПОМНЮ – ОГРАНИЧЕНИЕ 7200 ОБ/МИН.

После изготовления, установки и настройки на стенде получили очень близкий результат

Весь теоретический материал использовался с разрешения моих коллег, а это две команды, одна в Америке другая в Чехии, которые работают над проектом “школа тюнинга” и “калькулятор мощности” (пока рабочее название). Данный теоретический материал входит в базовый курс школы.
Время выхода не могу сказать. Знаю только-то, что уже скоро, интернет школа будет открыта на английском языке. Со своей стороны удалось убедить коллег сделать также и на русском языке в дальнейшем. Надеюсь, многим эти элементарные основы помогут в постройке неплохих моторов.

Я понимаю, что этот пост не подходит по формату для Drive2, слишком много букв, но уверен, те кто внимательно читал ранее написанные мои посты не испытают затруднений с пониманием данного материала и следовательно этот пост и написан для постоянных читателей данного блога

С уважением
Barik

P.S. При замене болтов шатунов на усиленные даст возможность сдвинуть максимальные обороты до 7800 об/мин, использовать более “злые” распределительные валы и достичь максимальной мощности 217-220 л.с, но естественно с небольшим ухудшением характеристик на низких оборотах.