Правильная доработка ГБЦ

Одним из действенных способов поднятия мощности поршневого мотора является доработка головки блока цилиндров. Так что же скрывается за этим понятием — доработкой ГБЦ?
Для начала выясним, каким образом манипуляции с ГБЦ могут повлиять на мощностные характеристики двигателя. Как известно, крутящий момент, а значит и мощность, развиваемые двигателем при определённых оборотах, напрямую зависят от коэффициента наполнения цилиндров рабочей смесью. Увеличивая наполнение, улучшаем мощностные показатели двигателя. Более того, смещая максимальное значение крутящего момента в более высокие обороты, получаем пропорциональное росту оборотов увеличение мощности. А максимальный крутящий момент значительно зависит от величины коэффициента наполнения цилиндров. Для этих целей и используются распредвалы с увеличенными подъёмами клапанов и расширенными фазами впуска/выпуска. Однако этого недостаточно. Головка блока цилиндров стандартного двигателя далека от идеала в силу технологических и экономических причин при их массовом производстве, поэтому требует доработки для более полной реализации потенциала мотора. Так куда же "пропадает" мощность двигателя и что необходимо исправить, дабы высвободить её.

1. Первое, что бросается в глаза — это неточная стыковка отверстий каналов коллекторов и ГБЦ. Любые "ступеньки" в канале рождают паразитные завихрения, заметно тормозящие поток, поэтому от них необходимо избавиться. Убираем нестыковки, одновременно доработав прокладки под коллектора (дабы пресловутых ступенек не создавали и они). Настоятельно рекомендую перед удалением нестыковок каналов сделать следущее — посадить коллектора на штифты. Причиной тому служит крепёж коллекторов на отечественных автомобилях, допускающий некоторое смещение плоскостей коллекторов и ГБЦ друг относительно друга. Чем это грозит, предельно ясно — немного сместив коллектора при крепеже после удаления нестыковок, мы самостоятельно убиваем плоды своей же работы. Штифтов достаточно по два на коллектор — по краям. Ищем место на ГБЦ и коллекторе, где можно безопасно всверлиться. В ГБЦ прочно сажаем металлический штифт, на который легко, но без особых люфтов должен надеваться коллектор — вуаля, точное позиционирование коллекторов относительно ГБЦ нам гарантировано. Не забудьте только сделать несколько дополнительных отверстий в прокладке. Отмечу так же, что если диаметр канала впускного коллектора меньше диаметра канала ГБЦ на 1-1,5 мм при нормальной соосности каналов, то это не создаст измеримого сопротивления прохождению потока, поэтому филигранной подводкой диаметров каналов в этом случае можно принебречь. На выпуске аналогично, только наоборот — выпускной канал в ГБЦ может быть несколько меньше канала в выпускном коллекторе. Более того, т.к. называемые "обратные ступеньки" на выпуске используют для борьбы с некоторыми негативными явлениями настроенной выпускной системы, но сейчас разговор не об этом.

2. Заглянув во впускные/выпускные каналы ГБЦ, понимаем, что и там всё совсем плохо: ломаная местами форма узких каналов, приливы литья под направляющие втулки клапанов, сами втулки, выступающие в канал.
При помощи шаровых фрез различных размеров и форм производится обратобка каналов — увеличение проходного сечения, удаление неровностей и выступающих частей, изменение формы канала. Изгиб канала должен быть как можно более плавным с соблюдением определённых радиусов кривизны. Поверхность впускных каналов должна быть немного шероховатой, что положительно влияет на испаряемость бензина со стенок канала. Выпускной же канал можно полировать до зеркала, хотя разница в работе двигателя вряд ли будет заметна, в отличии от затраченных усилий. Сечение канала в идеале непостоянно и не является правильным кругом. Так, "правильный" впускной канал должен быть немного эллипсным в сечении и незначительно расширяться перед седлом клапана в виде "бочки", тогда как остальная часть канала, в том числе и во впускном коллекторе, должна плавно сужаться по направлению потока. Однако большинство этих ньюансов не попадает в стоимость работ в тюнинг-ателье, т.к. значительно увеличивают стоимость доработок.
При увеличении диаметра каналов нужно знать меру, т.к. можно ненароком впильться в канал рубашки охлаждения или маслоканал. ГБЦ классических моторов позволяет значительно и относительно безопасно увеличивать диаметр каналов, тогда как при увеличении каналов ГБЦ восьмиклапанных двигателей переднеприводных ВАЗов неизбежны проблемы. В частности при расточке одного из впускных каналов практически неизбежно вкрытие маслоканала (если он не вскрыт при расточке, значит канал расточен совсем незначительно или маслоканал прикрыт лишь тоненьким слоем алюминия и может быть прорван давлением масла на работающем двигателе. Это не является "косяком" доработщика канала, т.к. это конструктивная особенность ГБЦ. Маслоканал предварительно втулится стальной втулкой (не самый удобный вариант), либо втулится стальной или алюминиевой втулкой после вскрытия и/или заваривается под аргоном. Вобщем соблюдайте правило "не зная броду — не лезь в воду" и лучше доверяйте подобные операции более опытным и профессиональным людям, либо предварительно потренируйтесь на "убитых" ГБЦ.
Прежде чем приступать к расточке каналов, определите с чего начать — ГБЦ или коллектора. Если планируется значительное увеличение диаметра каналов, то начинать лучше там, где их стенки тоньше и уже по форме и положению этих каналов растачивать аналогичные в детали с более толстыми стенками. Это делается для того, чтобы снизить риск вскрытия канала при последующем совмещении ГБЦ и коллектора. На "классике", где каналы ГБЦ обладают достаточным запасом толщины, имеет смысл начинать расточку с коллектора.
Выступающие в каналы части направляющих втулок клапанов также подвергаются доработке для уменьшения создаваемых ими помех. Зачастую их укорачивают и/или заостряют — это ресурсный и вполне эффективный способ. В некоторых случаях втулки стачивают заподлицо со стенкой канала, как бы "под корень". Это наиболее выгодный с точки зрения пропускной способности канала способ, но он снижает ресурс направляющих, и без того не очень высокий на форсированных моторах.

3. Клапаны. Как и всё остальное, их заводское воплощение зачастую не выдерживает никакой критики. Направлений доработок два: уменьшение веса и увеличение пропускной способности.
Для облегчения клапан перетачивается. Лишний металл снимается с обоих сторон тарелки клапана — с лицевой стороны за счёт небольшой выемки в тарелке, а с тыльной стороны за счёт уменьшения радиуса перехода стержня клапана в тарелку, а также утоньшения самой тарелки. Сам стержень клапана тоже утоньшается. Вариант без замены втулок — утоньшение ножки клапана на участке от тарелки до направляющей втулки. Большего облегчения можно добиться при уменьшении диаметра всей ножки, однако это потребует замены направляющих втулок на нестандартные с меньшим диаметром отверстия под клапан. Так, например, уменьшение диаметра ножки клапана с 8 мм (восьмиклапанные моторы ВАЗ) до 7 мм снижает массу самого стержня (только стержня) на 23,5%. Клапаны 16-ти клапанных моторов ВАЗ изначально имеют диаметр стержня 7мм. Для сравнения приведу пример: специальные клапаны Schrick для подготовленного кольцевого мотора Honda B18 (1.8 литра) имеют диаметр 5.5 мм с локальным утоньшением до 4.5 мм, однако эти клапаны с трудом выдерживают даже незначительные боковые нагрузки.
В деле облегчения особняком находятся клапаны из титано-алюминиевого сплава. Поразительная лёгкость (на 40% легче аналогичных стальных, т.е. почти в два раза) сочетается с некоторыми неприятными особенностями. Первая из них — очень высокая стоимость клапанов, значительно превосходящая стоимость обыкновенных стальных клапанов известных производителей. Вторая — хрупкость титана, которая ставит определённые требования к жесткости клапанных пружин и материалу сёдел клапанов. Пружины зачастую остаются штатными, либо дополнительно прослабляются, благо что лёгкость клапана позволяет компенсировать недостаток усилия пружины. Сёдла настоятельно рекомендуется заменять на бронзовые, из специальной жаропрочной бронзы — более мягкая в сравнении с чугуном бронза уменьшает "отскок" клапана при закрытии и гасит ударные нагрузки. Третья — титан ни с одним из конструкционных материалов не составляет требуемой пары трения, что приводит к необходимости применеия специальных покрытий клапана на основе керамики, например карбида титана. Это тоже вносит свою лепту в стоимость клапана.
Для увеличения пропускной способности клапана изменяется профиль тарелки, рабочих и дополнительных фасок клапана. Рабочие фаски делают уже, угол впускных меняют на 30 градусов, а выпускных на 45 градусов (в большинстве случаев фаски везде 45 град.), нарезают дополнительные фаски в местах перехода рабочей фаски в тарелку клапана. Подобные доработки на стандартных восьмиклапанных двигателях ВАЗ дают прирост порядка 5-6%.
Дальнейшим этапом на пути увеличения пропускной способности клапанов является их замена на увеличенные. При этом можно пойти двумя путями:
1) установка увеличенных клапанов без замены сёдел. Размеры штатных сёдел позволяют некоторое увеличение своего внутреннего диаметра и диаметра рабочей фаски, что увеличивает его пропускную способность. На некоторых ГБЦ в большей, на некоторых — в меньшей степени. Разумеется, что это требует также увеличенных в диаметре клапанов. Из отечественных двигателей относительно широко практикуется на 16-клапанноых ГБЦ 2112;
2) установка увеличенных клапанов с заменой сёдел. Родные сёдла вырезаются, изготавливаются новые, увеличенного размера. Нарезаются все необходимые фаски и ставятся клапаны, ещё большего, чем в первом способе, размера. Сёдла изготавливаются из жаропрочного чугуна, хотя в некоторых случаях и из специальной бронзы. Следует помнить, что запресовка сёдел, это очень ответственная работа, так как не редки случаи "выпадания" во время работы двигателя сёдел, запресованных без соблюдения всех необходимых технологий. Этот способ наиболее распространён, хотя и дороже первого, т.к. более эффективен в плане полученного результата и фактически безальтернативен для 8-клапанных ГБЦ двигателей ВАЗ.
Клапаны обычно подбираются от иностранных двигателей, хотя в спорте могут изготавливаться и с нуля. Прибавка мощности для восьмиклапанных двигателей ВАЗ при этом может составлять 8-10% в зависимости от степени подготовки ГБЦ.
Для сравнения приведу некоторые данные по устанавливаемым клапанам на двигатели ВАЗ:
— ВАЗ 2101-2107, 21213 — клапаны от 39*34 до 42*35. Используются клапаны от 2-х литровых 8-клапанных двигателей Ford Sierra (а так же от старых моделей двигателй Mercedes и некоторых других);
— ВАЗ 2108-11 — клапаны от 39*34 до 40*34. В основном используются клапаны от моторов BMW и другие.
— ВАЗ 2112 — клапаны от 31*27 до 33*29. Применяются клапаны от 16-клапанных моторов VW, Audi, Opel (последние с 6мм ножкой, что требует замены направляющих клапанов на другие).
Приведёные примеры размерности клапанов являются наиболее распространёнными для отечественных двигателей, но не единственно возможными. Поэтому Вы можете столкнуться с задачей подбора или определения неоходимых размеров тарелок клапанов. Наиболее оптимальным для атмосферных двигателей является соотношение пропускной способности каналов в районе седел, напрямую связанной с площадью тарелок, примерно как 4/3, т.е. площадь выпускного клапана должна составлять примерно 75% от площади впускного.
Можно сравнить этот показатель у наиболее распространённых вариантов:
39*34 — 76%
40*34 — 72.3%
41*35 — 72.9%
31*27 — 75.9%
33*29 — 77.2%
Как я уже говорил, это характерно для атмосферных двигателей. Двигатели с наддувом или впрыском закиси азота нуждаются в увеличении выпускных клапанов, т.к. производят очень много отработавших газов в сравнениее с объёмом поступившей смеси. Клапаны специально под такие моторы могут соотноситься как 90% и даже более.

4. Форма камеры сгорания. Направления работ три:
1) снижение риска возникновения детонации (обычно при одновременном повышении СЖ);
2) улучшение наполнения цилиндра;
3) создания условий для более благоприятного распределения смеси по камере сгорания, её лучшему перемешиванию и возгоранию.
Начнём с первого. Очагами детонации обычно являются наиболее удалённые от свечи зажигания участки камеры сгорания, особенно участки с локальным перегревом. Объяснение этому довольно просто — при возгорании смеси от свечи зажигания давление в камере сгорания резко нарастает, что приводит к сильной компрессии ещё невоспламенившейся смеси. Т.к. скорость распространения фронта горения относительно невысока (до 80 м/с), излишне удалённая от свечи часть топливо-воздушной смеси может самовоспламениться от компрессии прежде, чем фронт горения дойдёт до этого участка. А если участок камеры сгорания перегрет, то это ещё больше способствует компрессионному самовоспламенению. Это воспламенеие носит взрывной характер (скорость распространения пламени от 800 до 2400 м/с), поэтому давление и температура в цилиндре и вырастают слишком быстро. Это является сильной нагрузкой на поршни и поршневые кольца, камеры сгорания, детали КШМ. Детонация определяется по характерным металлическим звукам, являющимся распространяющимися по двигателю ударными волнами детонационных взрывов. Последствия её постоянного проявления весьма печальны — прогоревшие поршни, поломаные перегородки между кольцами и сами кольца, повреждённые стенки КС, изношенные вкладыши и микротрещины шатунов. Тем более, что это плата за снижение развиваемой мощности.
Отсюда понятны и пути решения проблемы. Во-первых, необходимо исключить или свести до минимума работы с КС, увеличивающие радиус распространения фронта горения. Во-вторых, нужно минимизировать колличество потенциальных участков КС с локальным перегревом. Поскльку такими участками являются острые кромки и углы камер сгорания, необходимо максимально сгладить их поверхность, удалить погрешности литья, отшлифовать и отполировать поверхность камер (тем более, что полировка до зеркального блеска стенок КС и донышка поршня даёт до 5% дополнительной мощности практически из воздуха, всего лишь за счёт снижения тепловых потерь).
Второе и третье направления работ — куда как загадочней и туманней, т.к. они подчиняются законам газодинамики, более сложным, нежели мы можем наблюдать при движении газовой смеси в канале ГБЦ. Какие-либо общие рекомендации здесь дать очень непросто, т.к. каждый тип камеры сгорания уникален в смысле механизма этих процессов, а значит и применяемые решения могут различаться координально. Касательно наполнения цилиндра, можно дать некоторые общепринятые решения, которые в принципе применимы везде. Во-первых обратите внимание на форму камеры сгорания вокруг клапанов, особенно впускных. На ГБЦ ВАЗовских двигателей с клиновидной формой камер сгорания (8-клапанные моторы всех модификаций) отчётливо видно, что большой сегмент клапанной щели "экранирован" отвесными стенками камеры сгорания, т.е. значительная часть потока рабочей смеси при попадании в КС вынуждена преодолевать не только узкую клапанную щель, но и щель, образуемую кромкой тарелки клапаны с окружающими его стенками камеры. Это отнюдь не прибавляет мощности двигателю. Особенно хорошо это заметно при уснановке увеличенных клапанов. Для борьбы с этим объём камеры сгорания расширяется вокруг клапана. При проведение этой операции нелишним будет определение критических направления потока. Так, в упомянутых выше ВАЗовских восьмиклапанниках значительная масса поступающей смеси проходит через сегмент клапанной щели в районе свечи зажигания, поэтому данному участку необходимо уделять более пристальное внимание. Сопряжение вертикальных стенок КС с её дном вокруг клапана нужно делать радиусным, как можно более плавным, чтобы минимизировать паразитные завихрения. Всевозможных колодцев и ступенек вокруг сёдел клапанов не должно быть. Седло клапана может находиться в некотором коническом углублении. Угол конусности этой воронки влияет на пропускную способность клапанной щели при определённых значениях подъёма клапана. Разумеется, относительно плоскости дна КС угол наклона стенки воронки должен быть очень острым, не более 30 градусов. Ещё лучше, если стенка этой воронки будет радиусной выпуклой. Аналогично можно обработать и сами сёдла — вместо трёх плоских делается одна радиусная фаска. Однако требования к соблюдениям зазоров клапанов при этом становятся куда жёстче.ГБЦ 2112, как и большиство ГБЦ с 4-мя клапанами на цилиндр, изначально имеет более развитую форму камеры сгорания — полусферическую — это практически отменяет возможность какой-либо её доработки. В этом случае убираются только огрехи серийного производства.
С наполнением в общих чертах разобрались, осталось понять что и как влияет на процесс гомогенизации смеси и условия её возгорания. Пожалуй, это самое сложное в доработке ГБЦ. Дело в том, что эффективность всех остальных доработок довольно просто проверить на специальных продувочных стендах. Любые изменения формы и размеров каналов, клапанов и камер сгорания непременно отразятся на пропускной способности системы "канал-клапан-камера сгорания" и будут зафиксированы прибором. Однако то, о чём идёт речь, таким образом измерить невозможно. Об эффективности подобных доработок можно судить по снятой ВСХ двигателя, но это крайне неудобно и неточно (доработал — собрал двигатель — настроил — замерил — разобрал — переделал — собрал — настроил — замерил — получил другой результат, который на самом деле может быть следствием немного отличной сборки и/или настройки). Об этом можно судить косвенно, например, на впускных клапанах некоторых ГБЦ (речь не об отечественных двигателях) отчётливо видны следы завихрения впускного потока, отмеченные характерной спиралью. Такое завихрение обеспечивает хорошее перемешивание смеси, а значит и её более эффективное сгорание. В рамках этой статьи я не буду говорить о конкретных решениях по нескольким причинам:
— на эту тему до сих пор пишутся диссертации и защищаются докторские, а мое образование не позволяет рассуждать об этом достаточно компетентно;
— подобные решения являются достижениями и опытом некоторых спортивных команд, тюнинг-ателье и отдельных мотористов, которыми они дорожат и не стремятся распространять как и любой обладатель ценной интеллектуальной собственности.

5. Пружины клапанов. Жёсткость щтатных пружин рассчитывается под нормальные условия работы конкретного двигателя, т.е. на работу с серийным распредвалом при относительно невысоких оборотоах, хотя и делаются с достаточным запасом прочности. Так, клапаны классических моторов начинают зависать на оборотах более 7000, двигателей семейства 21083 — несколько позже, двигатели 2112 — вообще больше страдают не от недостаточной жёсткости пружин, а от неспособности гидрокомпенсаторов адекватно работать свыше 7500-8000 об/мин. С одной стороны обороты достаточно высокие, но ведь это только для штатных распредвалов. Чем выше подъём клапана, тем большую работу должна проделать пружина при его закрытии. Это снижает порог зависания клапанов и при определённых условиях может нарушть работу ГРМ как раз на тех оборотах, куда смещается точка максимальной мощности двигателя при замене распредвала на более верховой. Способов борьбы с зависанием клапанов несколько:
— облегчение самих клапанов, о чём писалось выше;
— облегчение или замена на более лёгкие рокеров/толкателей клапанов;
— облегчение или замена на более лёгкие верхних тарелок клапанов;
— увеличение жёсткости пружин
Сейчас обсудим именно последние два пункта. Самый примитивный способ, подходящий в некоторых случаях — увеличение преднатяга штатной пружины. Достигается путём подкладывания шайб под пружину. Увеличивается усилие на пружине, но уменьшается свободный ход. Для распредвалов с большим подъёмом и более жёсткими требованиями к усилиям на пружинах такой способ уже не пригоден. Как правило с этим сталкиваются при установке спортивных распредвалов. Очень бльшой подъём кулачка требует соответствующего хода пружины, а обороты, на которых двигатель с подобным распредвалом должен развивать максимальную мощность, значительно превышают порог зависания клапанов на штатных пружинах. В этом случае пружины меняют на более жёсткие и с большим ходом сжатия. Вариантов очень много, ставятся и отечественные пружины производства Ижмаш, и гораздо более дорогие Schrick, и штатные клапанные пружины с иностранных двигателей.
Для ГБЦ двигателей 2108 широко используются следущие схемы:
— замена внутренней пружины на усиленную (Ижмаш, Opel и т.д.)
— замена обеих пружин на усиленные (Schrick в основном)
— замена обеих пружин одной усиленной (Schrick, BMW)
Для некоторых пружин требуется изготовление новых тарелок клапанных пружин.
Для ГБЦ 2112 свойственнен только один способ:
— замена штатной пружины (на 2112 она одна на клапан) на усиленную (Schrick, отлично подходят штатные пружины с мотора Opel C20XE с оригинальными тарелками)
Для ГБЦ двигателей классического семейства характерны решения, применяемые для ГБЦ 2108. При этом нередко использование тех же самых пружин и тарелок, что и на ГБЦ 2108.
Замена пружин порой необходима для увеличения максимально допустимого подъёма клапана, т.е. используются пружины с увеличенным ходом.
Следует также учитывать, что увеличение жёсткости пружин должно быть последним из средств повышения порога зависания клапанов, т.к. более жёсткие пружины увеличивают нагрузки на клапаны, тарелки, распредвал.
Говоря об облегчении тарелок клапанных пружин, мы можем делать такие же выводы, как и при облегчении клапанов, т.к. в работе они составляют вместе одну инерционную массу. Чем меньше эта масса, тем меньшее усилие клапанной пружины требуется для нормальной работы деталей ГРМ на повышенных оборотах, а во всех остальных режимах пропорционально снижаются нагрузки на распредвал и другие детали. Самый простой вариант облегчения — переточка штатных тарелок — недорогой, но не особо эффективный способ. Другой вариант, изготовление новых легкосплавных тарелок, гораздо более продуктивен. Они могут быть изготовлены из дюрали (сплав Д16Т) или титана. Алюминиевый сплав легче (дюралевая тарелка 2101 на 15 гр. легче штатной) и относительно недорог, но не стоит увлекаться с её облегчением — тонкая дюралевая тарелка может выйти недостаточно прочной и при высоких подъёмах клапана с большими усилиями на пружинах эти тарелки могут деформироваться. Однако при соблюдении чувства меры получаются очень прочные изделия (на испытаниях наша дюралевая тарелка разрушилась при нагрузке более 1500 кг, и при этом не выпустила клапана с сухариком, т.е. не стала бы на двигателе причиной его смерти, тогда как максимальное статическое усилие спортивной пружины Schrick составляет около 100 кг). Титановые тарелки немного легче, т.к. материал прочнее и позволяет сделать тарелку более тонкой, но при этом по прочности уже вряд ли превосходит дюралевую (кроме ситуации, когда у тарелов одинаковая масса), к тому же стоят дороже.

6. Толкатели клапанов. В ГБЦ двигателей семейств 2108 и 2112 кинетическая связь распредвалов с клапанами осуществляется посредством толкателей: механических с регулировочными шайбами на ГБЦ 2108 и гидрокомпенсаторов на ГБЦ 2112. К счастью, большинство тюнинговых распредвалов свободно работают со штатными толкателями. Однако это не значит, что они всеприменимы. Штатные толкатели обладают некоторыми ограничениями, что делает нежелательным или невозможным их применение при работе со спортивными и некоторыми околоспортивными распредвалами. Перечислю их:
— недостаточная площадь рабочей поверхности толкателя, что необходимо для распредвалов с большими подъёмами клапанов;
— эффект "выплёвывания" регулировочных шайб краем кулачка распредвала с большим подъёмом на двигателях семейства 2108 по причине опять же недостаточной величины рабочей поверхности толкателя и шайбы.
— относительно высокая масса, в основном из-за регулировочных шайб;
— потеря эффективности и неспособность работы на высоких оборотах (гидрокомпенсаторы).
Существует решение всех этих проблем — цельные механические толкатели. Их отличительные особенности — простая лёгкая конструкция без регулировочных шайб и увеличенный диаметр. Не трудно догадаться, что для их установки следует расточить колодцы серийных толкателей до необходимого размера (например до 32 мм для 2112). Регулировка клапанов осуществляется за счёт подбора на клапаны подпятников необходимого размера. Это делает процедуру регулировки клапанов трудоёмкой и дорогостоящей (порядка 3000 руб. за 8 клапанов). В этом их основной недостаток, что наряду с ценой ограничивает их повсеместное применение.
Кстати, с залипанием гидрокомпенсаторов на ГБЦ 2112 борятся ещё одним способом (кроме общепринятого понижения вязкости моторного масла) — гидрокомпенсаторы специально "убивают", переделывая их в простые механические толкатели. Регулировка зазоров также осуществляется подпятниками.