Для уменьшения трения в шейках колен.вала, необходимо хонингованием увеличить на 0.02мм.(от номинального вазовского размера) внутренний диаметр нижней головки шатуна и постелей колен.вала. Падение давления масла при этом не происходит. Также необходимо проконтролировать легкость вращения распред.вала.
При наполнение цилиндров воздухом возникает перепад давлений между цилиндрами двигателя и атмосферой. Двигатель в этой части цикла работает как насос и на его привод расходуется часть мощности. Чем меньше аэродинамическое сопротивление впускной системы, тем меньше потери энергии. Следовательно уменьшение сопротивления в головке приводит не только к увеличению наполнения, но и к уменьшению насосных потерь. Таким же образом благотворно сказывается установка распред.валов с более широкими фазами.
Уровень масла в поддоне серийного двигателе находится в непосредственной близости от вращающегося колен.вала. При боковых и линейных ускорениях автомобиля масло попадает на противовесы и шейки колен.вала и тормозит его вращение. Применение системы "сухой картер", когда масло откачивается из поддона в отдельную емкость, позволяет увеличить мощность двигателя, особенно при высоких оборотах.
Часть энергии двигателя используется на привод вспомогательного оборудования, такого как: привод механизма ГРМ, водяной насос, генератор и т.д. Для форсированных двигателей, используемых на высоких оборотах, целесообразно увеличить передаточное отношение привода водяного насоса и генератора. При установке кондиционера и гидроусилителя руля эффективная мощность двигателя снижается.

Оптимизация процессов горения смеси.

Характеристики ДВС в конечном счете зависят от процессов происходящих в камере сгорания, где происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Перемешивание свежего заряда с остаточными газами, воспламенение смеси, протекание горения и потери теплоты зависят от конструкции камеры сгорания.

Конструкция камеры сгорания должна обеспечить перемешивание свежего заряда - для улучшения процессов сгорания, быть компактной - для уменьшения тепловых потерь и уменьшения вероятности возникновения детонации. Чем больше площадь поверхности камеры сгорания, тем больше тепла отводиться наружу и теряется, следовательно уменьшаться мощность. Чем на большее расстояние перемещается фронт пламени, тем больше вероятностью возникновения детонации потому, что увеличивается время контакта еще не воспламенившейся смеси с горящим зарядом.
Большая часть объема в камере сгорания должна быть сконцентрирована около свечи. Во время движения поршня к ВМТ смесь выдавливается из зазора между головкой поршня и плоскостью головки в сторону свечи зажигания, при этом происходит интенсивное движение (турбулизация) заряда, что способствует лучшему сгоранию. Чем меньше зазор, тем меньше вероятность возникновения детонации, так как уменьшается общее количество смеси отдаленной от свечи зажигания. Правда при этом работа двигателя становится жестче, из-за более высокой скорости нарастания давления.

Не следует распиливать камеру сгорания со стороны свечи до размеров цилиндра, хотя при этом и происходит большая концентрация смеси в оптимальной зоне. Необходимо создать небольшую зону противодавления, препятствующую забрызгиванию свечи зажигания.

Полирование поверхности камеры сгорания и днища поршня, способствует некоторому уменьшению тепловых потерь (повышению относительного КПД), хотя в процессе длительной работы двигателя они покрываются нагаром.

Увеличение наполнения цилиндров.

Увеличение коэффициента наполнения цилиндров (объемного КПД) является самым эффективным способом повышения мощности двигателя. Все остальные мероприятия, весьма трудоемкие и дорогостоящие приводят к не очень высоким результатам.
Максимальный коэффициент наполнения серийного двигателя ВАЗ 21083 примерно равен 75%. То есть в двигатель попадает количество воздуха равное 75% от общего объема цилиндров. На лучших гоночных атмосферных двигателях (двигатели без наддува) коэффициент наполнения достигает 115-125%. При правильной настройке двигателя с низким сопротивлением впускной системы, можно добиться показателей коэффициента наполнения выше 100%.
Коэффициент наполнения меняется при разных режимах работы двигателя и достигает своего максимального значения при благоприятном перепаде давлений в цилиндре, впускной и выпускной системах в узком диапазоне оборотов, близком к оборотам максимального крутящего момента.
При работе двигателя во впускной и выпускной системах происходят волновые процессы, их свойства зависят от многих причин: геометрических размеров и аэродинамического сопротивления впускной и выпускной систем, фаз газораспределения, оборотов двигателя и других факторов. С изменением режимов работы двигателя форма, частота и амплитуда волн меняются.

Перепады давлений в серийном двигателе ВАЗ 21212 при работе с полностью открытой дроссельной заслонкой, на 3000 об/мин. и 6000 об/мин.

Для повышения максимальной мощности необходимо создать условия, при которых наибольший коэффициент наполнения сдвинется на более высокие обороты. Например, если на двигателе ВАЗ 21083 мы повышаем коэффициент наполнения до 100% на 3000 об./мин., то мощность возрастает с 48 до 62 - на 14 л.с., а если на 6000 об./мин. до тех же 100%, то мощность возрастает с 67 до 133 - на 66 л.с.

Увеличение оборотов максимальной мощности для повышения КПД атмосферного двигателя является неизбежным, так как коэффициент наполнения невозможно увеличить выше определенного числа, но можно поднять обороты при которых достигается его максимальное значение. При этом происходит увеличение отдачи энергии за единицу времени. Именно этим объясняются высокие обороты двигателей формулы 1 (17000-18000 об.мин).

Для увеличения коэффициента наполнения также необходимо снизить аэродинамическое сопротивление во впускной и выпускной системах и каналах головки двигателя. Самое высокое сопротивление возникает в районе клапанной щели. Модификации именно этой части газовых каналов нужно уделять особое внимание. Скорость воздуха во впускной системе не должна превышать 50-70 м/с. Для увеличения оборотов двигателя необходимо увеличить проходные сечения газовых каналов и в первую очередь диаметры тарелок клапанов. Это позволит увеличить обороты максимальной мощности и сделать перегиб кривой более плавным. Но при этом может наблюдаться некоторое падение мощности на малых и средних оборотах. Это объясняется тем, что при этих режимах скорость воздуха недостаточно высока.

Изменение внешней скоростной характеристики спортивного двигателя ВАЗ 21083 1.6 группа А, SOLEX 24x26, при замене клапанов с диаметров тарелок 31.5 и 37 на диаметры 34 и 39

Установка на двигатель многодроссельной системы с индивидуальной впускной трубой на каждый цилиндр позволяет значительно повысить мощность, но только в том случае если перекрытие клапанов достигает существенной величины. (перекрытие - это одинаковая высота открытия впускного и выпускного клапана в ВМТ- на серийных распред.валах 0.2 - 0.8 мм, на спортивных 3 - 5 мм.)

Изменение внешней скоростной характеристики серийного двигателя ВАЗ 21083 1.5 , при установке карбюраторов WEBER 40 DCOE. Прибавка мощности 8 л.с.

Изменение внешней скоростной характеристики спортивного двигателя ВАЗ 21083 1.6 группа А , при установке карбюраторов WEBER 45 DCOE. Прибавка мощности 33 л.с.

Установка спортивной выпускной системы также дает эффект только при высоком перекрытии клапанов. Так, установка "паука" на серийный двигатель может повысить мощность максимум на 2-3 л.с. Это обусловлено принципом работы настроенной выпускной системы. В первый момент после открытия выпускного клапана, отработавшие газы устремляются в выпускную трубу со скоростью превышающею скорость звука. Быстрое удаление первой части отработавших газов создает в выпускной трубе низкое давление. При достижении звуковой волной первого резкого увеличения диаметра выпускной системы (как правила резонатора) давление в системе повышается. Это создает первую волну, после чего колебательный процесс продолжается с уменьшающейся амплитудой.
Если впускной клапан открывается в тот момент, когда в выпуске давление ниже чем во впускном канале, то дополнительное разрежение способствует увеличению наполнения. При этом часть свежей смеси высасывается в выпускной канал. При благоприятных условиях эта часть заряда выталкивается обратно в цилиндр зоной повышенного давления перед самым закрытием выпускного клапана. Чем выше высота перекрытия клапанов, тем более ярко выражен этот процесс.

К сожалению это происходит в узком диапазоне оборотов зависящем от геометрии впускной, выпускной систем и фаз газораспределения.

В остальных режимах работы двигателя может происходит обратный процесс, когда зона повышенного давления в выпуске в момент перекрытия мешает поступлению свежего заряда.
Именно поэтому такие выпускные системы называются настроенными. (Настроенными на узкий диапазон оборотов)




Изменение размеров выпускной системы, а также конструкции и месторасположения резонатора, оказывает огромное значение на характеристику форсированного двигателя.


Двигатель чувствует изменения длины любой части "паука" на 20 мм. и диаметра на 1мм.

Изменение внешней скоростной характеристики при использовании различных конфигураций выпускной системы. Двигатель ВАЗ 2112 1500 головка серийная, низ серийный, модифицированные распред. валы (перекрытие 2.8 мм.) четырех дроссельный впуск SVR.

Рабочая температура спортивного двигателя не должна превышать 75-80 градусов. При такой температуре достигается максимальное наполнение и уменьшается вероятность детонации. На стендовых испытаниях при увеличении температуры охлаждающей жидкости с 70 до 95 градусов наблюдается падение максимальной мощности на 4-6%. Для поддержания низкой температуры двигателя на спортивные автомобили необходимо устанавливать масляные радиаторы, а также водяные радиаторы с повышенной площадью.

При значительном увеличение оборотов и мощности двигателя существенно возрастают нагрузки на его детали. В первую очередь это относится к клапанам, колен.валу, поршням, шатунам и шатунным болтам. Также увеличение давления в цилиндрах двигателя повышает требования к уплотнению разъема между блоком и головкой. Поэтому в высокофорсированных спортивных двигателях необходимо использовать специально изготовленные высококачественные комплектующие.
Для уплотнения разъема головки и блока рекомендуется использовать так называемую безпрокладочную конструкцию. В блоке фрезеруются канавки, в которые вставляются пассики из специальной термостойкой резины. Головка притягивается с моментом 6 кгм. Такая конструкция намного жестче чем с серийной прокладкой и имеет более высокую теплоотдачу, устойчивость к разрушению от детонации и перегрева двигателя.

МОДИФИКАЦИЯ ГАЗОВЫХ КАНАЛОВ

При модификации газовых каналов в головке двигателя необходимо соблюдать определенные пропорции. Отправной точкой для выбора размеров различных частей канала следует считать диаметр тарелки клапана. Исходя из этого размера выбираются диаметр канала, внутренний диаметр седла и горловины клапана (диаметр канала перед седлом клапана в районе клапанной втулки). Несоблюдение необходимых пропорций приводит к отрицательным результатам. Так, при слишком большом диаметре впускного канала общий расход воздуха уменьшается.

ВПУСКНОЙ КАНАЛ

Канал должен быть тщательно спрофилирован с соблюдением необходимых пропорций, иметь плавные переходы с одного диаметра на другой. Рассмотрим конструкцию впускного канала двигателя ВАЗ 21083.

1 цилиндрическая часть
2 выступающая часть клапанной втулки
3 внешний радиус поворота
4 внутренний радиус поворота
5 горловина клапана
6 внутренний диаметр седла
7 профиль седла
8 выход из канала

1. Диаметр цилиндрической части канала зависит от производительности клапанной щели и подбирается опытным путем в последнею очередь, после того как спрофилированы все остальные части.
2. Выступающая часть направляющей втулки клапанов оказывает незначительное сопротивление потоку воздуха и не следует ее срезать целиком, так как это нарушит нормальную работу клапана и увеличит его теплонапряжение. Можно несколько проточить выступающую часть на конус.
3. Внешний радиус поворота канала дорабатывается так, чтобы создать максимально плавный переход от цилиндрической части канала к горловине клапана.
4. Очень важное значение имеет профиль внутреннего радиуса поворота канала. Так как основная масса воздуха прижимается центробежной силой к внешнему радиусу канала, то необходимо увеличить ту часть воздуха, которая проходит по внутреннему радиусу, для увеличения общего КПД канала. Внутренняя стенка должна иметь определенный радиус, центр которого не совпадает с центром внешнего радиуса.



При неправильном профилировании этой части канала при определенном подъеме клапана может происходить срыв потока с внутренней стенки, нарушающий нормальную работу всего канала.



5. Что касается горловины клапана, то необходимо несколько увеличить диаметр канала в этом месте с плавным переходом к минимальному диаметру седла. При этом получается своеобразный диффузор. Это незначительно увеличит общий расход воздуха, но при некоторых режимах работы двигателя большая масса воздуха, находящаяся непосредственно у клапана, позволит увеличить коэффициент наполнения.

6. Внутренний диаметр седла клапана влияет на форму кривой расхода воздуха и размер выбирается в зависимости от необходимой характеристики.
7. Самая важная часть канала - клапанная щель. Это самое узкое место конструкции, усложненной постоянным изменением сечения при движении клапана. Правильное профилирование именно этой части канала - залог значительного увеличения расхода воздуха. Переход от минимального диаметра седла к фаске клапана складывается из двух радиусов, плавно переходящих в угол раскрытия диффузора. Причем даже самое незначительное на первый взгляд изменение размеров радиусов, существенно меняет производительность всего канала.


Для увеличения расхода воздуха во впускном канале следует отказаться от классической 45градусной фаски, а вместо нее использовать радиусную посадку клапана.Такая посадка на впускных клапанах вполне работоспособна. Только необходимо следить за зазорами клапанов. (При уменьшении зазоров клапана могут прогореть.) Достаточно проверять зазоры клапанов каждые 10 000 км.
8. Выход из канала. Клапан должен быть утоплен относительно плоскости камеры сгорания и находится в конусном углублении, что позволяет сделать выход воздуха в большой объем цилиндра из узкой клапанной щели более плавным. Причем для каждой величины подъема клапана существует свой идеальный угол раскрытия диффузора. Для увеличения расхода воздуха при высоких величинах подъема клапана необходим более острый угол, при малых подъемах более тупой. Оптимальный угол зависит от общей настройки двигателя (подбора фаз газараспределения и конфигурации впускной и выпускной систем). Глубина утопления клапана также влияет на характеристику расхода воздуха при различных подъемах клапана. При большей величине утопления клапана увеличивается расход воздуха при высоких подъемах клапана и уменьшается при малых. В каждом конкретном случае подбираются необходимые характеристики.


Для некоторого увеличения расхода воздуха при малых подъемах клапана (без ущерба для высоких подъемов) угол раскрытия диффузора профилируется с небольшим внутренним радиусом.



На восьмиклапанных двигателях клапан с одной стороны находится очень близко к стенке камеры сгорания, которая создает сопротивление при выходе воздуха. Необходимо с этой стороны выбрать металл в камере сгорания, сделать так называемое "ухо". Это позволит несколько увеличить расход воздуха при средних подъемах клапана.

Полирование впускного канала до зеркального блеска абсолютно не увеличивает расход воздуха и способствует срыву топливной пленки, образующейся на стенках канала, что приводит к нестабильной работе двигателя на переходных режимах. Оптимальная шероховатость стенок канала получается при использовании грубой наждачной бумаги.



При желании можно отполировать внутренний диаметр седла, что приведет к незначительному увеличению расхода воздуха при малых подъемах клапана.
Не следует ожидать повышения мощности двигателя при тщательном совмещение каналов в головке с отверстиями в коллекторе. При продувке головки на стенде, заметное падение расхода воздуха происходит при смещении коллектора более чем на 2мм. Достаточно того, чтобы диаметр впускного канала был на 1-2мм. больше чем диаметр впускной трубы.



Форма клапана имеет существенное влияние на расход воздуха через газовые каналы. Угол тарелки клапана и переходной радиус на стержень клапана зависят от угла поворота канала. Так, при испытании на продувочном стенде модели идеального прямого канала, наилучшие показатели расхода воздуха были получены при использовании тюльпанообразного клапана с большим переходным радиусом и острым углом тарелки. Это объясняется тем, что при прямом канале поток воздуха со всех сторон клапана одинаков и большой переходный радиус создает плавный угол открытия диффузора. При канале с поворотом, существующим в реальных двигателях, основная масса воздуха (около 80%) прижимается центробежной силой к внешнему радиусу канала и поступая в цилиндр встречает на своем пути преграду в виде галтели клапана. При продувке ВАЗовских головок на стенде, лучший результат был получен при использовании клапанов с настолько малым переходным радиусом, что их установка на двигатель была невозможна из-за невысокой механической прочности.
Замена впускных клапанов в серийном двигателе ВАЗ 21083 на модифицированные с таким же диаметром тарелки (при прочих неизменных параметрах) приводит к увеличению максимальной мощности на 3-4 л.с.

ВЫПУСКНОЙ КАНАЛ

Все выше сказанное в равной степени относится и к выпускному каналу, за исключением следующего:
Диаметр выпускного канала плавно увеличивается от переходного радиуса седла до совмещения с диаметром выпускной трубы. Угол увеличения диаметра (во избежании срыва потока) не должен превышать 3 градусов. Нежелательно использовать на выпускном седле радиусную фаску. Для лучшего теплообмена между седлом и клапаном необходима значительная площадь контакта. Фаска должна иметь угол 40-45 градусов и ширину не менее 1.5 мм. Радиус галтели выпускного клапана должен быть больше чем на впускном клапане, также как и угол тарелки.
Это общие методы доводки газовых каналов головок. Для каждой конкретной модификации двигателя существуют свои оптимальные варианты доработки головки.

Модификация головки блока с целью уменьшения аэродинамического сопротивления очень сложная и ответственная работа, требующая определенных знаний и опыта, а также соответствующих инструментов и приборов.

ТЕХНОЛОГИИ ФОРСИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ

Прежде чем создавать новую базовую версию спортивного или тюнингового мотора в металле, мы рассчитываем его параметры при помощи специальной программы моделирования двигателя. Эта программа создает математическую модель двигателя и рассчитывает его выходные параметры. Сначала в нее вводятся исходные данные, такие как: диаметр цилиндра, ход поршня, длина шатуна, геометрия впускной и выпускной систем, профиль кулачков распред.вала и т.п. Всего около 150 параметров. После обработки данных программа выдает результаты: мощность, крутящий момент, коэффициент наполнения, среднее эффективное давление, механические потери, вероятность детонации и т.п. около 100 параметров.

После этого мы можем виртуально что-то изменить, допустим профиль кулачка распред.вала или длину впускной трубы, либо что другое. Опять запускаем программу и затем сравниваем результаты. Итак до тех пор,пока не получим приемлемый вариант. Программа не дает стопроцентной точности, разработчики этого не скрывают, но точность вычислений довольно высока и составляет около 90% . Кроме того программа с абсолютной точностью оценивает работоспособность механизма газораспределения. Математический расчет модели двигателя позволяет найти правильные направления при дальнейшей настройке двигателя на стенде.

Следующий этап - проектирование необходимых нам оригинальных деталей и создание технической документации для их изготовления.
Для этого мы работаем в CAD системах (Solid Works, Auto CAD), где используя твердотельное моделирование, создаем необходимые нам детали и узлы, а затем рабочие чертежи. После чего размещаем заказы на изготовление необходимых деталей.

При форсировании двигателей приходится выполнять очень много трудоемкой ручной работы. В первую очередь это относится к модификации головки блока цилиндров. Большое количество экспериментов по продувке впускных и выпускных каналов головки блока с измерением расхода воздуха на специальном безмоторном стенде позволило нам найти оптимальную форму клапанов и каналов. Камеры сгорания также подвергаются тщательной доводке. В результате этих работ существенно снижается аэродинамическое сопротивление газовых каналов и как следствие повышается расход воздуха и мощность двигателя во всем диапазоне оборотов.
Для доводки головок мы используем специальный инструмент, изготовленный по нашим чертежам. Это ручные фрезы для профилирования седел клапанов, шаровые фрезы для увеличения диаметров каналов, специальные цангавые оправки и многое другое. Сейчас мы рассматриваем возможность обработки камер сгорания и каналов на станках с ЧПУ.

Самый важный этап при подготовке двигателя - его настройка. Подбор геометрии впускной и выпускной систем, а также фаз газораспределения позволяет в широком диапазоне изменять выходные характеристики двигателя. По законам газодинамики (при конструкции двигателя с неизменяемыми параметрами механизмов) невозможно обеспечить оптимальную работу двигателя при различных режимах. Улучшение показателей на одних режимах, как правило приводит к потерям на других. В зависимости от того, где будет использоваться данный двигатель для него подбираются наиболее пригодные характеристики. Так, при подготовке двигателей для кольцевых или трековых автогонок, мы настраиваем двигатель на оптимальную работу при высокой частоте оборотов колен. вала. Это позволяет получить максимальную отдачу энергии. Но при малых и средних оборотах такой двигатель не очень удобен в эксплуатации и этот недостаток приходится компенсировать установкой специально подобранной трансмиссии, позволяющей работать двигателю в узком диапазоне оборотов. Когда мы работаем с тюнинговыми двигателями которые будут эксплуатироваться в обычных дорожных условиях, то стараемся сделать их достаточно эластичными, нередко отказываясь от большой максимальной мощности в пользу высокого крутящего момента в широком диапазоне оборотов.

На двигатели мы устанавливаем распред.валы с увеличенными фазами и подъемами клапанов производства фирм МАСТЕР МОТОР и ДИНАМИКА, с которыми тесно сотрудничаем со дня их основания. Мы принимали участие в испытаниях многих эксперементальных образцов, после чего лучшие варианты шли в серийное производство.