Тюнинг двигателя

[Kuzka]

Очевидно, что производители автомобилей строят "правильные" серийные моторы. Тогда откуда берется некий резерв, позволяющий настроить мотор, снять с него "лишние", точнее, дополнительные лошадиные силы? Прежде всего, причина в конвейерном производстве, что по определению означает массовый продукт на выходе, т.е. автомобиль утилитарный, вне зависимости от имиджа или социальной принадлежности. В мотор закладывается серьезный запас прочности, моментная характеристика оптимально "прописана" на низких оборотах, программа управления двигателя бережет экологию и экономику, т.е. следит за "правильным" расходом топлива.

Все это делает серийный автомобиль практичным и удобным в эксплуатации для среднестатистического автолюбителя. Все это и есть скрытые резервы, основательно проработав которые можно сделать автомобиль более динамичным и скоростным. Тем более что не только желание стремительного разгона движет автолюбителем. В глобальном аспекте есть позитивные тенденции, благоприятствующие тюнингу. Прежде всего это тема главенства личности над массой, поэтому тюнинг шагает по миру просто семимильными шагами. Каждый автомобилист сегодня считает нормой выделить свой автомобиль из стандартизированной массы. И делает это всеми возможными путями - тюнингом экстерьера, интерьера и, конечно, настройкой двигателя. Зачем делается тюнинг двигателя? Прежде всего потому, что мы хотим иметь более динамичный автомобиль. И поэтому нам хотелось бы получить существенную прибавку в "лице" лошадиных сил... Это наиболее распространенный ответ. Автолюбитель хочет иметь динамичный автомобиль и автоматически переносит это понятие на мощность двигателя. Что в общем правильно, но не совсем. Ведь интенсивный разгон можно получить, лишь увеличив вращающий момент на колесе. Сделать это можно двумя способами: в первую очередь, увеличив крутящий момент на коленчатом вале. Или изменить передаточные числа в трансмиссии. Правда, если делать по уму, то надо делать и то и другое. Но тема статьи - тюнинг двигателя, и на ней остановимся.

Глобально весь тюнинг двигателя можно разделить на два основополагающих способа. Первый способ - увеличение крутящего момента на коленчатом вале. Второй - не трогая величину крутящего момента, переместить его в зону высоких оборотов. Прежде чем рассматривать нюансы настройки мотора, хотелось бы отметить, что работа с мотором наиболее ответственная в тюнинге автомобиля. Настройка мотора неизбежно повлечет за собой целый ряд мероприятий, таких, как работа с трансмиссией, с подвеской, с тормозами. Теоретически, да и практически, мощность двигателя можно увеличить весьма существенно, но вопрос в разумности этого мероприятия, т.к. рано или поздно сам автомобиль конструктивно перестанет соответствовать своему силовому агрегату. Есть некий предел, который ограничивает развесовка автомобиля, коэффициент сцепления его шин с дорогой. Смысла "накрутить" двигатель и в результате попросту палить сцепление, жечь резину и крошить ШРУСы - просто нет.

Способ 1. Увеличение вращающего момента, три варианта.

Совершенно точно известно, что вращающий момент на коленчатом вале - это в чистом виде объем двигателя при прочих равных условиях. Из простых рассуждений понятно, что чем больше за один рабочий ход мы получим заряд топливо-воздушной смеси в цилиндре и сожжем ее, тем больше получим энергии, которая затем превратится в движение механических частей. Это справедливо для атмосферных моторов.

Второй вариант применим к семейству наддувных двигателей. Изменив характеристику блока управления, можно несколько увеличить величину наддува, благодаря чему удастся снять больший момент с коленчатого вала. И третий вариант - добиться лучшего наполнения цилиндров, улучшив газодинамику, - самый распространенный и самый... негарантированный. Идея в том, что нужно сделать нечто с каналами и камерой сгорания... Но все по порядку.

Рабочий объем

Один из основных вариантов - увеличение рабочего объема цилиндров настолько, на сколько это возможно. В разумных пределах, конечно. Для дорожного автомобиля этот подход наиболее правильный, потому что, увеличив объем, при этом не изменяя распредвал, т.е. оставив моментную кривую в том же диапазоне оборотов, в котором она и была, мы не заставим водителя переучиваться манере вождения. А на выходе получим искомое - более динамичный автомобиль.

Рабочий объем можно увеличить двумя способами - заменив стандартный коленвал на коленвал с большим эксцентриситетом или расточив цилиндры под поршни большего диаметра. Возможен и рабочего объема. Логично поинтересоваться - что более эффективно и что менее затратно. Нужно, конечно, расточить цилиндры. Ведь что такое объем двигателя: это есть произведение площади поршня на его ход. Увеличив, условно говоря, в два раза диаметр, мы в четыре раза увеличиваем площадь. Потому что в квадрате. А увеличив в два раза ход, мы лишь в два раза увеличиваем объем. Вот такая математика. Теперь об экономике вопроса. На первый взгляд кажется, что замена кривошипного механизма менее затратна, нежели расточка блока в больший размер. Нюанс в том, что коленвал с большим эксцентриситетом еще найти надо. Делают их на заказ редкие фирмы, производство дорогостоящее и сложное. Разумно в этом случае уповать на стандартизацию производителя. Например: Volkswagen делает семейство моторов в равноразмерных блоках. Объемом 1,6; 1,8; 1,9 и 2,0 литра. С ходом 77,4мм; 80мм; 86,4мм; 92,8мм и 95,5мм. Вы можете подобрать в свой блок подходящий коленвал с большим, чем был, эксцентриситетом. Потому логично купить серийное изделие, в нашем случае коленвал, и уже под него подбирать поршневую группу. Конечно, понадобятся другие поршни и шатуны. Это сложно, но подобрать можно. Вопрос в другом. Конструктивно такой ход закладывает некие дополнительные механические потери в работе двигателя, виновниками которых станут более короткие шатуны. Это аксиома - поставив коленвал с большим эксцентриситетом, придется поставить более короткие шатуны, ведь нарастить блок мы не сможем. В чем их минус и почему? Чем короче шатун, тем с большим углом он "переламывается", тем с большим усилием он прижимает поршень к стенке цилиндра. А чем больше усилие прижима, при том же коэффициенте трения, тем больше величина сопротивления движения. И этот фактор следует рассматривать не только с точки зрения механических потерь, но и с точки зрения надежности, т.к. короткие шатуны подвергаются большим нагрузкам. В тюнинге, как правило, такими "мелочами" пренебрегают. Когда нельзя, но очень хочется, то можно. Очевидный выигрыш в плане минимизации затрат - увеличение рабочего объема за счет увеличения диаметра цилиндра. Как правило, все двигатели имеют достаточно толстую стенку цилиндра, запас по прочности. Если, скажем, на два миллиметра увеличить диаметр, то можно получить дополнительный объем. При толщине стенки 7-8 мм одним миллиметром можно пожертвовать. И достаточно часто можно обойтись серийными поршнями. Ведь все поршни круглые. И механика всех двигателей диктует примерно одни и те же пропорции. Например в гамме Volkswagen нет поршня с диаметром 84мм, есть только 81,5 , а у BMW есть.

Посмотрим, чем же они отличаются. Так, отверстие под палец у поршня BMW меньше на 2 мм, в этом случае можно под баварский поршень в отверстие в "родном" шатуне вставить втулку с более толстой стенкой и расточить ее под палец диаметром 20 мм. Или обработать отверстия в поршне под "родной" фольксвагеновский палец. Эти операции требуют точных станочных работ, но... Надеть поршень на шатун мы уже сможем. Теперь измерим расстояние от оси пальца до днища поршня. У поршня BMW на 0,25 мм больше. Аккуратненько возьмем его в оправу и на токарном станке срежем днище. Или на один мм короче - не проблема! Берем блок цилиндров, ставим на фрезерный станок и с верхней плиты снимаем "лишний" миллиметр. Правда, однозначно заявлять, что увеличение диаметра цилиндров дешевле, нежели замена коленчатого вала, нельзя. Каждый из этих двух способов разумно рассматривать в ракурсе специфики отдельно взятого двигателя.

Наддувные технологии

Семейство турбированных двигателей интересно для тюнинга своими конструктивными особенностями, серьезно упрощающими настройку мотора. В нашем случае можно получить больший момент, опять-таки не трогая ни моментную кривую, ни объем и даже не разбирая двигатель, лишь незначительно изменив величину наддува. В чем особенность конструкции наддувных двигателей? Прежде всего в особенностях управления компрессором, будь то турбина или механический компрессор. Привод и первого, и второго зависит от количества оборотов двигателя. Чем больше оборотов, тем выше давление. Но увеличивать его можно только до определенной величины. За этим следит некий блок управления, стравливая лишнее давление. Изменив характеристику, т.е. слегка подняв планку этого самого стравливания, мы увеличим давление, с которым топливо-воздушная смесь "забивается" в объем цилиндра. И забивает реально больший объем, нежели в случае "щадящих" параметров у серийного двигателя. Работы по увеличению давления не безболезненны - у серийных двигателей есть некий запас по механическим и тепловым нагрузкам, по детонационной стойкости. В разумных пределах увеличить наддув возможно. Но если перешагнуть, то мы или сломаем двигатель, или придется выполнить дополнительные меры - увеличение объема камеры сгорания, другая система охлаждения, дополнительный радиатор, дополнительные дыры, воздухозаборники, промежуточный охладитель воздуха. Наверное придется чугунный коленчатый вал заменить на стальной, подобрать более прочные поршни и обеспечить им охлаждение.

Изменение в газодинамике.

Суть понятна - для того чтобы получить больший момент, надо увеличить заряд топливо-воздушной смеси. Что можно сделать? Можно взять инструмент и убрать некие дефекты серийной сборки - сделать впускные и выпускные каналы более гладкими и ровными, убрать в камере сгорания непродуваемые зоны, модифицировать сами клапана... Работы много, но гарантии нет. Почему? Аэродинамика - вещь непростая. Математически описать процессы, проистекающие в двигателе, сложно. Взять ручку, бумагу и сделать вычисления и исходя из результатов что-то подрезать, отрезать, загнуть - сложно... Или "кинуть глазом" и сказать, где тут лишнее... Порой результат прямо противоположный ожидаемому или никакой. Ради справедливости надо сказать, что в аэродинамике есть резервы. Но извлечь их гарантированно можно, только выполнив ряд экспериментов, продувая пластилиновые макеты каналов на специальной установке, подбирая форму в соответствии с требованиями новых условий работы двигателя. Маловероятно, что это можно сделать "на коленке". Если в первом случае можно говорить о том, что увеличили на 30% объем - получили момент больше на 30%. Во втором - увеличили давление нагнетания на 10% - получили момент больше на 10%. А вот в случае модификации газодинамики сказать с уверенностью, что момент увеличится на 10-15% или увеличится вообще... Сложно.

Способ 2. Переносим момент в зону высоких оборотов

Что такое мощность? Это произведение крутящего момента на скорость вращения двигателя. Таким образом, сместив стандартную характеристику момента в зону высоких оборотов, мы получим искомую прибавку мощности. Минусы прежде всего те, о которых мы говорили выше - на низах мотор плохо "едет". Любой газораспределительный механизм (без механизма изменяемых фаз) позволяет хорошо наполнять цилиндры только в своем диапазоне оборотов. И как только мы перемещаем вращающий момент в область более высоких оборотов, мы тут же потеряем его внизу. На низких он будет плохо продуваться, а для обычного дорожного автомобиля это плохо - давим на газ, а он не едет. Водитель должен держать стрелку в зоне высоких оборотов. Трогаться с места - сцепление жечь. Поэтому все серийные двигатели имеют максимальный момент где-то в области разумных 2-3 тысяч, чтобы внизу ничего не провалилось.

Конечно, современные двигатели с изменяемыми фазами газораспределения такими провалами не страдают. На низких оборотах с помощью некоего механизма (в рамках этого материала не суть важно(VANOS)) фазы становятся узкими, перекрытие маленьким, и на низких оборотах происходит хорошее наполнение цилиндров. Как только этот двигатель забирается в зону высоких оборотов, что-то делается с механизмом газораспределения, фазы расширяются, появляется большая фаза перекрытия, цилиндры начинают хорошо продуваться на высоких оборотах, и мы имеем хороший вращающий момент.

Итак, если у нас традиционный мотор (без изменяемых фаз), мы можем сказать себе: плевать нам на низкие обороты, ставим широкофазный распредвал в двигатель, тем самым позволяем иметь хорошее наполнение в зоне высоких оборотов. Правда, маловероятно, что мы получим большой вращающий момент, скорее всего, мы его по абсолютной величине получим такой же, как у серийного, только в зоне высоких оборотов. Но произведение его на обороты, на которых он достигается, будет существенно больше, чем у серийного мотора, следовательно, и мощность выше. Двигатель будет иметь ярко выраженный спортивный характер. Использовать таким образом полученную мощность можно, только подогнав передаточные числа в трансмиссии. Это тот путь, который, несомненно, применяется в спорте ввиду ограничений, диктуемых техтребованиями.

Чип-тюнинг

Когда мы говорим "чип-тюнинг", совершенно понятно, что мы имеем в виду внесение некоторых изменений в программу управления двигателем. Рассмотрим на трех примерах, которые привели выше, когда чип-тюнинг требуется, а когда нет.

В случае семейства моторов с нагнетателем понятно, что чип-тюнинг - это основная идея, т.к. необходимо подкорректировать программу управления механизма. Отслеживающего величину наддува. Все остальные изменения в двигателе скорее всего будут следствием изменения программы. Когда мы увеличиваем только объем - наиболее вероятно, что чип-тюнинг не требуется, по двум причинам. Если мы не трогали фазы и оставили моментную кривую без изменения, только ее подняли вверх, то тогда смещать зажигания нам не придется. Вносить изменения в систему управления топливом тоже - если у двигателя есть расходометр воздуха, он измерит его и отдозирует расход топлива. Если мы сильно увеличили объем двигателя, тогда может попросту топлива не хватить. Так как производительность серийной форсунки ограничено, форсункам просто не хватит времени, чтобы "плюнуть" нужное количество топлива. В таком случае нужно ставить другие форсунки, с большей производительностью, что в некоторых случаях потребует изменения в программе управления. К работам с газодинамикой можно в полной мере отнести все выше сказанное.

Чип-тюнинг без вариантов

Во втором способе, когда мы получаем мощность за счет смещения момента в область более высоких оборотов, - просто без вариантов. Чип-тюнинг без вопросов. Ведь в этом случае программа управления двигателем становится абсолютно непригодной в том виде, в котором она использовалась для серийного мотора.

Дело в том, что характеристика управления зажиганием двигателя неразрывно связано с коэффициентом наполнения. А вращающий момент - отражения коэффициента наполнения. Для широкофазных двигателей все настройки становятся более критичными. Изменение состава смеси может значительно повлиять на стабильность работы. Корректировки в программе просто необходимы. Правда, если мы изменили фазы газораспределения, то изменения программы управления называть чип-тюнингом даже не хочется. Правильно говорить, что мы программу управления двигателем привели в соответствие с новыми требованиями измененного двигателя.

Чип-тюнинг в чистом виде

В среде любителей тюнинга чип-тюнинг является неким божеством, благодаря которому без каких-либо конструктивных изменений двигатель получает весомую прибавку в мощности. Даже маститым настройщикам, строящим спортивные моторы, иногда сложно понять, как с двух литрового мотора, изменив только программу управления, можно снять дополнительные 20 л.с. Есть некие моменты, в рамках которых можно маневрировать с помощью чип-тюнинга. Так, с целью иметь адаптацию двигателя к различным видам топлива, к колебанию октанового числа бензина производитель некоторым образом занижает угол опережения зажигания. Но это не факт, потому что современные двигатели имеют датчики детонации, которые слышат детонацию и отстраивают угол опережения. Поэтому теоретически, изменяя программу управления, можно подобраться ближе к порогу детонации.

Можно говорить и о том, что мы получим дополнительную мощность, если сделаем не экономичную, а мощностную смесь. Так, современный серийный двигатель с целью минимизаций экологии имеет коэффициент избытка воздуха, равный единице или даже 1.2. Это так называемые бедные или сверхбедные смеси. Мы, конечно, можем наплевать на экологию, экономику и сделаем коэффициент альфа (лямбда) в районе 0,85 - будем больше лить топлива и получим бол Однако в режимах, близких к максимальным, стандартная программа, скорее всего, настроена на мощностную смесь. У всех программ управления современными двигателями, как правило, есть две зоны управления - экономичный режим и мощностной режим. Разные производитель разбивают их по-разному. Например, если угол открытия дроссельной заслонки до 60%, а обороты до 4000, то это режим экономичный. И серийная программа управляет так, что альфа в районе 1 и угол опережения соответствующий. Мы экономим топливо и не загрязняем окружающую среду. А когда программа понимает, что мы начинаем "мести" , т.е. заслонка открывается больше чем на 60% и обороты двигателя выше 4000, она устанавливает нам максимальные режимы. В смысле чип-тюнинга можно поиграть границами - не 60%, а 30%. Это даст изменение характера двигателя, что-то в разгоне вы, наверное, положительное почувствуете. Но на максимальную мощность и максимальный вращающий момент вы вряд ли повлияете. В этом режиме все уже отстроено наверняка по максимуму.

Рассмотренные в этой статье варианты, конечно же, неким образом идеализированы. Рассматривались методы тюнинга. Понятно, что количественными мерами мы не оперировали, некоторые конкретные примеры и численные значения даны с целью иллюстрации методов. Вопрос "на сколько?" остался за рамками статьи и должен решаться в каждом конкретном случае специалистом, выполняющим работы исходя из его знаний и опыта. В реальной жизни работы по доводке двигателя включают в себя, как правило, комбинацию приведенных способов. И вовсе не потому, что "чем больше, тем лучше". Просто потому, что двигатель автомобиля - сложный организм с множеством взаимосвязанных параметров, которые необходимо учитывать, если получение результата есть цель работы, а не удовольствие от процесса.

 

ТЮНИНГ"(№3(3)2001)