Magnum 318 – повышаем экономичность.

Предлагаю вам, ни много ни мало, поучаствовать в разработке концепции повышения экономичности двигателя Magnum 318, а заодно узнать, почему современные двигатели такие экономичные, даже при отсутствии наддува и изменяемых фаз газораспределения? Для начала, освежим в памяти основную причину высокого расхода топлива двигателем Magnum 318: «Неэффективное сгорание топлива, вследствие малой удельной нагрузки на двигатель». Это основная причина, но на неё накладывается ещё одна – малые средние эксплуатационные обороты коленвала. Т.е. при повседневной эксплуатации автомобиля 80-90% времени, обороты коленвала находятся в диапазоне от 1000 до 2000 об./мин. В чём тут, собственно, проблема? Посмотрим на график внешних скоростных характеристик двигателя Magnum 318.

Что такое среднее эффективное давление, вы уже знаете из предыдущей записи. Так же вам уже известно, что кривая крутящего момента зависит именно от значения среднего эффективного давления (Ре). Проведём на графике красную линию, ниже которой значение Ре не обеспечивает достаточной эффективности сгорания, в плане топливной экономичности. А зелёным, выделим диапазон средних эксплуатационных оборотов.

Наглядно видно, что даже при полностью открытом дросселе, вся зона средних эксплуатационных оборотов лежит ниже красной линии. Что уж там говорить о режимах частичной нагрузки (не полностью открытый дроссель), когда значение Ре становится ещё меньше. Вот это и будем исправлять. Для начала, пробежимся по цепочке обстоятельств, которые привели к малому Ре на низких оборотах коленвала:
1. Впускной клапан закрывается на 61° поворота коленвала после НМТ, что уменьшает фактический рабочий объём цилиндров на низких оборотах коленвала;
2. Вследствие п.1, на низких оборотах коленвала, смесь сжимается не в 9,1 раза (значение степени сжатия Magnum 318 – 9,1/1), а только порядка 7,4 раза;
3. Вследствие п.1 и п.2, среднее эффективное давление в цилиндре на низких оборотах коленвала, на много ниже тех значений, которые могут быть достигнуты в данной модели двигателя, при использовании бензина АИ-92.
Проанализируем, что мы имеем. С п.1 ни чего сделать нельзя, т.к. Magnum 318 не имеет системы изменения фаз газораспределения. Остаются п.2 и п.3., но при этом п.3, это следствие п.2. Таким образом, что-то изменить можно только в п.2, а именно: увеличить степень сжатия смеси. Хорошо. До каких значений? Давайте смотреть. Первым ограничением на пути увеличения степени сжатия встаёт детонация рабочей смеси во время её сгорания. Определяющим фактором при этом является максимальное давление в камере сгорания. Вот от него и будем отталкиваться в наших расчётах. Какое максимальное давление может выдержать двигатель Magnum 318 без возникновения детонации? Точный ответ могут дать только испытания реального двигателя. Мы же будем, используем тепловой расчёт двигателя Magnum 318, который у меня имеется. Посмотрим на индикаторную диаграмму, которая вам знакома по предыдущей записи.

Наглядно видно, что давление в 6 МПа двигатель Magnum 318 выдерживает без каких-либо отрицательных последствий, в том числе и детонации. Вообще-то, он выдерживает и больше, т.к. данная диаграмма, как вы тоже уже знаете, построена для оборотов максимальной мощности…

… а не максимального крутящего момента, на которых, как среднее эффективное, так и максимальное давление выше. Вот индикаторная диаграмма при максимальном крутящем моменте.

Как видим, на оборотах максимального крутящего момента Ре составляет 0,98 МПа, а максимальное давление 6,7 МПа. На графике внешних скоростных характеристик это будет выглядеть так.

Запчасти на фото: PS220

Кроме того, в этом деле есть ещё одна тонкость, на которой мы сейчас останавливаться не будем (чтоб не отвлекаться от темы), а для дальнейших расчётов примем, что максимальное допустимое давление для двигателя Magnum 318, составляет 7 МПа. Если увеличить степень сжатия до значения 11/1, то даже при закрытии впускного клапана на 61° поворота коленвала после НМТ (минус 20% рабочего объёма), смесь будет сжиматься до таких значений, которые обеспечат максимальное давление порядка 6,2 МПа.

При этом значение Ре составит 0,73 МПа. Много это или мало? Конечно, до 0,86 МПа далеко, но с другой стороны, до изменения степени сжатия Ре на этих оборотах составляло 0,62 МПа.

Ну, хорошо. А почему же всё-таки не 0,86 МПа, при такой-то степени сжатия? Давайте смотреть. Сжимали мы до этой степени сжатия только порядка 80% объёма цилиндра, а расширяться пришлось до полного его объёма. Если «размазать» это давление по всему рабочему ходу поршня, то тогда и выйдет «всего» 0,73 МПа. А вот так это отразится на кривой крутящего момента.

Запчасти на фото: 3206S

Как видно на графике, крутящий момент увеличился с 260 Н•м до 305 Н•м. И это при даже меньшем количестве рабочей смеси в цикле, т.к. был уменьшен объём камеры сгорания, а следовательно, уменьшился и полный объём цилиндра. Кроме этого, улучшился запуск холодного двигателя, он стал быстрее прогреваться до рабочей температуры, сократился расход топлива на оборотах холостого хода. Хорошо. А что же произойдёт на более высоких оборотах? Построим индикаторную диаграмму для 2000 об./мин.

Значение Ре увеличилось до 0,87 МПа. Очень неплохо! Правда, при этом максимальное давление вплотную приблизилось к критической для Magnum 318 отметке в 7 МПа, но мы вернёмся к этому позже. А пока, посмотрим на график.

Видно, что крутящий момент стал увеличиваться не так резко, как до 1500 об./мин. (о причинах этого, как-нибудь в другой раз, не будем отвлекаться), но тем не менее, имеем 365 Н•м, вместо 350 Н•м при степени сжатия 9,1/1. Учитывая, что это средние эксплуатационные обороты, можно предположить, что если в городском цикле расход топлива составлял 22-25 л/100км, то сейчас можно говорить о 18-21 л/100км. А что же с максимальной мощностью? Там тоже всё хорошо. Посмотрим на график.

На 4500 об./мин. мощность составит порядка 234 л.с., а на 5500 об./мин. – 238 л.с. Кроме этого, наглядно видно, что если раньше после 4400 об./мин. мощность снижалась, то сейчас до 5500 об./мин., если не повышается, то по крайней мере, не снижается. В общем, всё замечательно: по городу «не жрёт», за городом «прёт»! Осталась одна малость – соединить линии крутящего момента. Вот тут-то и проблема. Дело в том, что мы уменьшили камеру сгорания и на тех оборотах коленвала, на которых наполнение цилиндров было не полным, всё было замечательно. Но теперь мы дошли до такого диапазона оборотов, где наполнение цилиндров хорошее и если весь (или почти весь) объём цилиндра сжать до ɛ=11/1, то детонация обеспечена, т.к., судя по последней приведённой диаграмме, максимальное давление уже достигло критических 7 МПа. Что же делать? Так хорошо всё шло, а сейчас что, тупик? Не совсем. Решить эту проблему нам поможет… электронная дроссельная заслонка. С помощью неё мы принудительно уменьшим наполнение цилиндров на оборотах их наибольшего наполнения. А теперь сравним то, что было с тем, что стало.

А если посмотреть отдельно то, наверное, будет трудно поверить, что это внешние скоростные характеристики двигателя 60-х годов прошлого века, с одним распредвалом и без всякого наддува.

Именно таким способом на современных двигателях обеспечивается экономичность, а заодно получается т.н. полочка крутящего момента, которая так всем нравится. Кстати, полученные таким способом «полочки» можно легко отличить по форме кривой мощности. Посмотрим на график.

Если на кривой мощности есть характерные просадки, то «полочка» крутящего момента получена описанным выше способом. Эти просадки получаются в местах перехода от обычного наполнения цилиндров к принудительному ограничению их наполнения электронной дроссельной заслонкой. Заметьте, что всё написанное выше, относится к «атмосферному» двигателю с одним распредвалом. Да и вообще, если такое вполне возможно сделать с Magnum 318, то представьте, какие возможности открываются при проектировании нового двигателя с изменяемыми фазами газораспределения!
Но даже на Magnum 318 остался ещё один резерв повышения максимальной мощности. Дело в том, что «длинный» впускной коллектор уже не нужен, т.к. он предназначен для увеличения наполнения цилиндров на средних оборотах. А именно на средних оборотах мы принудительно снижаем наполнение. Таким образом, если поставить «короткий» впуск, то увеличится наполнение цилиндров на высоких оборотах и, соответственно, максимальная мощность.