Перекрытие клапанов. ГРМ.

Статья, которая рассеивает любые сомнения о необходимости вмешательства в систему газораспределения. Приведу самый простой пример, когда у владельцев классики возникает вопрос целесообразности замены стандартного распредвала на р-л "от Нивы" 21213 — "что даёт, есть ли смысл, какие нюансы?"
Неважно, какой автомобиль, важно то, что принцип работы лежит в основе работы двигателей внутреннего сгорания.
Когда я работал на СТО, из любопытства задавал слесарям вопрос "как выставить ГРМ, если нет меток?" — ответ приблизительно один — "а никак!"
Ответ на подобные вопросы как понимание работы газораспредлительного механизма лежит в статье, на которую я наткнулся в ходе поиска конкретной информации на эту тему. Без воды, без отсебятины. Вникаем, критикуем, делимся…

Все знают, что распредвалы это очень важный элемент тюнинга и тем более спортивного мотора. Многие часто слышали о фазах, времени открытия клапанов и т.д. Очень часто, многие могли слушать разговоры типа: а какой мне лучше поставить распредвал 264 или 272, а может 290. На самом деле, это разговор ни о чем.

Распредвалы бывают разные — сток, тюнинг, тюнинг-спорт, полный спорт (кольцо, драг), турбо… У них разные задачи и цели. У всех у них разный диапазон работы. Грубо, возьмём DOHC мотор. Тюнинговый вал с фазами 25-65/70-20 (duration 270) улучшит характеристики мотора с небольшой потерей на низких оборотах, диапазон работы 2500-7200 оборотов. Более широкий вал, который возможно использовать на машине, не предназначенной только для гонок будет 40-70/75-35 (duration 290) — 4000-8200 оборотов. Если возьмём мотор SOCH, то 280 duration (тюнинг вал) не плохо работает в режиме 2500-6600 оборотов, а 310 duration — 4000-7800 это, наверное, уже оптимальный максимум для полного спорта.

Те, кто действительно желает в этом вопросе разобраться, предлагаю забыть то что я выше написал.

Что бы лучше все это понять давайте виртуально увеличим мощность, к примеру, стандартного 2.0 литра Дуратек мотор Форд фокус, который в стоке имеет мощность 145 лошадиных сил.

Представьте, мотор — это черный ящик, к которому подведены две трубы, в одну подается топливо, а в другую воздух. В черном ящике топливо смешивается с воздухом, сжимается, поджигается, короче происходит реакция, в следствии чего выделяется энергия и на выходе эта проделанная работа (момент)передается на коленвал.

Количество энергии зависит от массы сгоревшего топлива и его калорийности. Но для повышения мощности мы не можем просто увеличить подачу топлива т.к. для полного сгорания его, необходимо 14.6 частей массы воздуха (на 1 единицу массы топлива 14.6 единиц массы воздуха). У нас нет проблем с увеличением топлива, но вот с подачей воздуха, если мы не собираемся подключить к черному ящику компрессор, есть определенные трудности.

1 ватт определяется как мощность, при которой за 1 секунду времени совершается работа в 1 джоуль. или это равняется 1 Дж = 1 кг•м²/с² = 1 Н•м. С учетом того что в нашем черном ящике при сгорании топлива выделятся энергия и конечно производится работа — коленвал передает момент, для того, чтобы это перевести в момент (усилие передается через плечо) то мы можем просто работу *на 2Пи (2*3.14159), потом разделим на количество оборотов в секунду и получим момент.

ИЛИ МОЩНОСТЬ (кВт) = МОМЕНТ (N-M) * N (обороты двигателя в секунду) /159.2

ИЛИ

МОЩНОСТЬ = МОМЕНТ * 2Пи * N

не пугайтесь этого уравнения, сегодня мы из него рассмотрим только 2 значения (этого будет достаточно для понимания сути), остальное пусть будет неизменным

Для чего я все это написал. Главное, чтобы Вы поняли от чего зависит момент и мощность:

Момент зависит от количества выделенной энергии при сгорании топлива (конечно пока опустим всевозможные потери, эффективность, калорийность, КПД — не в этом суть). А количество топлива напрямую зависит от поступившего воздуха.
Мощность зависит от момента и оборотов двигателя. Если момент останется неизменным, но мы повысим обороты то мощность возрастет.

Есть такое понятие объёмная эффективность VE (Volumetric efficiency), это значение равняется массе воздуха, поступающего в двигатель по отношению к его рабочему объёму. Мотор дюратек, это современный с хорошей ГБЦ (головкой блока цилиндров) DOCH. В стоке, его максимальное VE равняется 95% в точке максимального момента. Это значит, что максимум в двигатель попадает только 95% от объёма 2 литра. Вообще VE оно не постоянно для двигателя, на моторе Дюратек на 2000 оборотах оно равняется 84% потом растёт до своего максимума 95% и начинает опять понижаться, на 6500 уже 88%, а на 7500 всего 75%.

Так как же нам повысить мощность на этом моторе? Если вы просто будете крутить ваш мотор, то мощность от этого только уменьшится т.к. VE (Volumetric efficiency) уменьшатся и после 6000 оборотов падение коэффициента наполнения составляет ниже 88% — это как объём Вашего мотора с повышением оборотов уменьшится.

Да конечно можно установить нагнетатель воздуха, можно физически увеличить размер мотора (рабочий объём), но сегодня будем делать по-другому. Давайте для начала просто передвинем VE (Volumetric efficiency) с точки максимального момента, скажем на 6500 оборотов. Раньше у нас там было значение 88%, следовательно, оно станет 95%. В результате мы без проблем получим 170 сил на 6500 оборотах (не плохо).

Вообще какие бывают максимальные значения объёмной эффективности у атмосферных моторов? Современные 4 клапана на цилиндр моторы: 92-95%. Тюнинг легкий до 105%. NASCAR — 110%. Моторы со свободным впуском (Weber карбюраторы, заслонка на каждый цилиндр) отличный выпускной коллектор -110-115%. Гоночный мотор — 120-125%.

Что влияет на VE (Volumetric efficiency)? почему она на сток машинах такая не большая (2 клапана на цилиндр максимум 80-85%) на сток моторах:

— Потери в системе впуска, чем больше всевозможных препятствий, изгибов тем больше потери. На турбо моторах (из-за интеркулера, пайпинга) нормальное явление потери в пределах 0.2 бара, если сравнить эффективность турбо мотора 4 клапана на цилиндр, без учета избыточного давления, то оно составим не более чем на моторе с 2 клапанами на цилиндр.

— Повышение температуры поступающего воздуха и как следствие уменьшение плотности воздуха и конечно его массы.

— цилиндры не полностью очищаются от отработанных газов, их объём может составлять более 5%. Соответственно уменьшатся в таком же количестве и поступление свежего воздуха.

— Обратное давление в системе впуска

Если сложить все эти потери, то они составят намного больше чем 5%, которых нам не достает до 100% на моторе форд фокус. А вот за это и отвечает настройка системы впуска/ выпуска и распредвал. На сток моторах она настроена на режим круиз и максимального момента. Поэтому именно там обычно и есть максимальные значения VE (Volumetric efficiency).

Ну вот, теперь поговорим о распредвалах. Что и зачем вообще распредвал в моторе делает? делает он простую и не сложную работу — открывает и закрывает в нужный момент клапана. Чтобы лучше понять его работу давайте вспомним что значит 4 тканый мотор.

Все очень просто: 1 такт — впускной, 2 такт — сжатие, 3 такт — рабочий ход и 4 такт — выпуск.

Теперь добавим к этим 4 тактам еще 4 очень важных процесса:

Впускной клапан открыт — ВКО
Выпускной клапан открыт — ВыКО
Впускной клапан закрыт — ВКЗ
Выпускной клапан закрыт — ВыКЗ

Но чтобы понять, как добиться 125% VE (Volumetric efficiency) на атмосферном моторе этого нам мало. Поэтому рассмотрим 7 тактов (событий) которые связаны между собой, которые отвечают за наполняемость цилиндров, за все процессы, связанные с воздухом и газами.

ПРОЦЕСС 1 — ВПУСК (ВСАСЫВАНИЕ) (INTAKE PUMPING)

Начинается сразу после того как выпускной клапан закрывается (ВыКЗ) в момент перекрытия клапанов (overlap) несколько градусов после верхней мертвой точки ВМТ цилиндра. Впускной клапан (ВК) уже частично открыт и быстро двигающийся поршень вниз начинает всасывать топливо воздушную смесь через впускной канал. Поршень набирает скорость и где-то около 75* после ВМТ достигает своего максимума и поэтому в цилиндре создается низкое давление. ВК полностью открывается около 108* (градусов) после ВМТ. Процесс впуска (всасывания) заканчивается, когда поршень останавливается в своей нижней мертвой точке (НМТ). В это момент ВК все еще полностью открыт.

ПРОЦЕСС 2 — ВПУСК (УТРАМБОВКА) (INTAKE RAMMING)

Начинается в момент, когда поршень меняет свое направление, начинает двигаться вверх, но при этом ВК начинает закрываться. Топливно-воздушная смесь продолжает поступать в цилиндр (утрамбовываться). С движением поршня вверх, давление в цилиндре начинает возрастать, но смесь продолжает поступать. Около 60* после НМТ ВК закрывается и на этом этот процесс заканчивается. Это одно из важнейших событий благодаря которому удается увеличить VE (Volumetric efficiency) до 110% в современных гоночных моторах.

Необходимо этот процесс обсудить более подробно.

Здесь важны два момента: вовремя закрыть впускной клапан, пока возрастающее давление в цилиндре не начало превышать давление в впускном канале и как следствие выталкивать свеже поступившую топливовоздушную смесь обратно.
Организовать давление как можно больше и дольше во впускном тракте цилиндра.

Это называется инерционный тюнинг или organ pipe tuning, Принцип работы органа (музыкальный инструмент). Для доходчивости я воспользуюсь не совсем верным методом объяснения, но зато очень понятным. Надеюсь все помнят, что такое слинки, это такая игрушка

Вот примерно так ведут себя и газы, жидкости в трубах, это как бы пневмапружина. Воздух, газ или топливовоздушная смесь имеет массу, а значит и кинетическую энергию. Если мы потянем за один край этой игрушки, то со временем этот пульс дойдет и до другого края. Так и воздух, он 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, тем больше воздуха поступит в цилиндр т.к. будет больше давление. Воздух будет поступать в цилиндр до тех пор, пока давление в канале будет выше чем в цилиндре и вот тут главное вовремя закрыть канал, чтобы поршень, идущий вверх (при этом повышающий давление в цилиндре) не начал выталкивать воздух.

На скорость потока заряда влияет скорость поршня (обороты двигателя), проходное сечение впускного тракта (канал и ранер) и тормозящие процессы, вызванные сопротивлением. Теперь становится понятно, что если мы увеличим канал, установим большего размера клапан то скорость потока уменьшится, кинетической энергии будет меньше — меньше давление, меньше поступит воздуха — меньше мощность. Но если мы увеличим скорость поршня за счет увеличения оборотов двигателя, то тем самым добьемся компромисса. Закон простой — уменьшаем диаметр или увеличиваем обороты двигателя — повышаем скорость потока (воздушного заряда) НО ПРИ ЭТОМ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ СОПРОТИВЛЕНИЕ и на оборот.
Длина определят момент, когда процесс должен произойти. Длиннее ранер с каналом — дольше время необходимо для волны — меньше обороты двигателя и наоборот.

ПРОЦЕСС 3 — СЖАТИЕ

Здесь все просто. Начинается после закрытия ВК в то время пока поршень продолжает двигаться вверх сжимая при этом топливовоздушную смесь в цилиндре. Заканчивается в момент, когда свеча зажигает смесь — где-то 30 градусов перед ВМТ. Для постройки гоночного мотора — Ваша задача добиться наименьшего оптимального угла опережения зажигания. Много есть способов (в другой раз)

ПРОЦЕСС 4 — ЗАЖИГАНИЕ И РАСШИРЕНИЕ

маленькое отступление. Кто не знает, я много лет не живу в России и технический русский язык плохо знаю, поэтому много использую английские выражения. Просьба — если что не так, то поправьте.

Fuel Burning and Expansion. Процесс начинается сразу после зажигания, поршень продолжает двигаться вверх. Температура и давление повышается. пик приходится на 12-15 градусов после ВМТ. Это большое давление давит на верх поршня и толкает его вниз, газы продолжают расширятся. Процесс заканчивается сразу после того как выпускной клапан начинает открываться (exhaust valve cracks open) где-то 120* после ВМТ.

ПРОЦЕСС 5 — EXHAUST BLOWDOWN (ПРОДУВКА)

Начинается сразу после того, как выпускной клапан начинает открываться (exhaust valve cracks open) как раз в этот момент и происходит этот звук (который мы потом заглушаем). температура и давление все еще в цилиндре высокое, часть смеси продолжает еще гореть. В данный момент, при таком высоком давлении система выпуска не настраивается (продувка все снесёт на своем пути). Процесс важный (поговорим позднее), раньше открыл меньше мощность (эффект как от настройки опережения зажигания) … Заканчивается в момент, когда поршень достигает НМТ.

ПРОЦЕСС 6 — EXHAUST PUMPING (ОТКАЧКА)

Откачка. очень похож на ПРОЦЕСС 1 -. Только в обратном направлении. Начинается в момент, когда поршень меняет свое направление и начинает двигаться вверх. Выпускной клапан продолжает открываться и достигает своего максимума где-то 70* после НМТ. Поршень набирает свою максимальную скорость около 105* после НМТ. Выпускные газы благодаря процессу продувки уже не имеют такого высокого давления. Поршень выталкивает через выпускной канал и при этом разгонят отработанные газы, они опять начинают набирать кинетическую энергию. Процесс заканчивается в момент, когда впускной клапан начинает открываться где-то около ВМТ.

ПРОЦЕСС 7 — перекрытие (OVERLAP)

Процесс начинается, когда ВК открывается, а выпускной еще не закрыт. Очень важный процесс (рассмотрим внимательнее позднее). Процесс заканчивается в момент, когда выпускной клапан полностью закрывается.

В это момент настраивается два процесса для очищения и наполнения цилиндра. Цель создать давление на впуске и разрежение на выпуске.

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 ВК. Часть этого заряда остается в цилиндре, а часть выходит с отработанными газами (очищение, ну и правда повышенный расход вам будет обеспечен)

Выпуск здесь необходимо настроить — организовать скорость потока в выпускных каналах, ранерах. Пик разрежения (и как следствие точка максимального момента или мощности) определяется длиной. С пиком здесь можно поиграть. Можем его сделать очень сильным или " размазать". За это отвечает коллектор, точнее его размер, длина, да или просто наличие. Скажем на дрегстерах часто можно встретить просто трубы от каждого цилиндра в воздух.

Но на этом настройка в 7 процессе не заканчивается. Здесь появляется еще один вид — резонансный тюнинг в момент открытия впускного клапана.

Как только выпускной клапан закрывается нам необходимо добиться чтобы в впускном канале образовалось давление. поймать, настроится на одну из волн, амплитуд с положительным экстримом. Это похоже на эхо, вот его нам и надо настроить.

Если все сделать правильно то можно добиться эффективной наполняемости до 130%.

К ПРИМЕРУ: если мы продолжим делать наш мотор форда дюратек. ГБЦ у него не плохая, впускной клапан 35 мм (это с потенциалом до 8200 оборотов двигателя) . Нет, не будем сильно модернизировать. Поршневая сток позволят крутить мотор до 7200 оборотов. Но для безопасности поменяем только шатунные болты на усиленные и тем самым сдвинем порог до 7700 оборотов. Теперь установим хорошие дросселя (свободный впуск) скажем проверенный и хорошо себя зарекомендовавший кит от Jenvey. Изготовим выпускной специально настроенный коллектор и конечно всю систему выпуска поменяем. Установим новые распредвалы. И без проблем мы получим 220 сил на 7200 оборотах, обыкновенном бензине, можно и больше, но это обороты повышать.

Распредвал — механический мозг