1 (2015-11-09 08:12:05 отредактировано Aleksandr.21124)

Тема: Головка блока цилиндров, выбор распредвала. Фазы, подъём.

Головка блока цилиндров, выбор распредвала. Фазы, подъём.
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 полку крутящего момента в более высокие обороты, получаем пропорциональное росту оборотов увеличение мощности. А крутящий момент, как известно, зависит от двух основных факторов — рабочего объёма и коэффициента наполнения цилиндров. И если рабочий объём у нас уже увеличен до определённого предела, то остаётся работать именно с наполнением. 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.
Удачным средством поднятия мощности на высоких оборотах является доработка головки, которую несет блок цилиндров. Прежде всего требуется доработка впускных и выпускных каналов ГБЦ. Это необходимо для улучшения наполнения цилиндров за счет снижения потерь в каналах ГБЦ. При этом необходимо учесть, что смесь газов в каналах движется со звуковыми скоростями (отсюда шум впуска и выпуска). Любые местные нестыковки и шероховатости ведут к торможению потока, собственно к ухудшению наполнения и потере мощности.
Исходя из всего сказанного, вытекает следующий объем работ:
необходимость доработки каналов: увеличение их диаметра, изменение геометрии и выведение необходимых радиусов закруглений.
доработка седла клапана: убирание острых кромок седла (при начале открытия клапана острые кромки создают сильное сопротивление).
совмещение впускного коллектора с каналами в головке блока: любые местные нестыковки сильно тормозят скорость потока.
шлифовка каналов до частоты 4..5 класса (почти зеркальная поверхность)
Работа эта тонкая и кропотливая. В результате всех этих действий возможно увеличение мощности на 15%. Заканчивает объем работ по голове установка р/вала с изменеными фазами и разрезной шестерни для более точного выставления фаз.


Жёсткость штатных пружин рассчитывается под нормальные условия работы конкретного двигателя, т.е. на работу с серийным распредвалом при относительно невысоких оборотах, 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 нарушить 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 клапанных п;
— 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 большой 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 следующие схемы:
— замена внутренней пружины на усиленную (Schrick, иномарки)
— 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 свойственен обычно 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, т.е. в 2,5 раза) 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 тарелок одинаковая масса), к тому же стоят дороже.


Распредвал впускает рабочую смесь в двигатель и выпускает отработавшие газы. Распредвалы отличаются высотой кулачка, его профилем (он может быть острым, круглым или "квадратным"), и фазой открытия клапана.
В стандартном моторе ВАЗ с 16 клапанами распредвал открывает клапаны на 7.6 мм на впуске, и столько же на выпуске. Фаза открытия клапанов 256 градусов. Такие распредвалы дают на моторе объёмом 1.5 литра мощность в 91 лошадиную силу.
Фаза открытия достаточно большая, но подъём рассчитан на тягу с низких оборотов. На заводе уделили больше внимания городской езде, и максимальная мощность и скорость стандартного автомобиля искусственно ограничена в угоду неспешной езде и стоянию в пробках. 16 клапанный мотор имеет огромный скрытый потенциал для увеличения мощности, высота подъёма клапана может доходить до 14 мм, почти в 2 раза больше, чем на стандартном. Увеличение кулачков распредвала не только увеличивает мощность, но и максимальную скорость.
"Так что же сделать, что бы увеличить мощность мотора до 100, 150 л/с?"- спросит нетерпеливый автотюнер. Ну для начала нужно увеличивать подъём и фазы на распределительном валу. Широкими фазами увлекаться не стоит, чем шире фазы на распредвалу, тем хуже тяга на низких оборотах. А вот подъём клапана, размер клапана, и форма кулачка распредвала дают существенную прибавку мощности и максимальных оборотов двигателя.
Доработка серийной головки блока до спортивного уровня заключается в расширении каналов впуска и выпуска с помощью бормашинки, а так же установка увеличенных клапанов с более тонкой ножкой (стандартные клапана 29/26 мм впуск - выпуск, тюнинг - 32/29), увеличение седла клапана, замена направляющих втулок. И естественно установка распредвала с увеличенным подъёмом и фазой. Как правило под большой распредвал требуется проточка, той же бормашиной, посадочного места распредвала в районе вращения кулачков, так как увеличенные кулачки будут упираться в корпус ГБЦ.
Из подводных камней установки распредвала к примеру на мотор ВАЗ 2112, или ему аналогичных двигателей с 4 клапанами на цилиндр и гидрокомпенсаторами, хочется отметить следующее:
После 8000 об/мин стандартные пружины, применяемые для закрытия клапана не успевают его закрывать, поэтому на высокооборотистых моторах применяют специальные спортивные, более жёсткие. Для ВАЗа обычно используют пружины фирмы SCHRICK или от двигателя OPEL c20xe. Такие пружины позволяют раскручивать мотор до 9-10т.об/мин. без зависания клапанов.
На мотоциклах дополнительно применяется специальный кулачёк, который не только открывает клапан, но и закрывает, что исключает "разрыв кинематики". На болидах Ф1 клапана закрываются сжатым воздухом большого давления.
То же самое можно сказать о гидрокомпенсаторах. После 8000 об/мин масло не успевает попасть в гидрокомпенсатор, и раздвинуть его, тем самым смягчая тепловой зазор. Поэтому на спортивных моторах применяются цельные, жесткие толкатели, тепловой зазор на которых регулируется по старинке, с помощью щупа. Под толкатель подкладываются "подпятники" разных размеров, тем самым регулируя оптимальный тепловой зазор между кулачком распредвала и толкателем клапана.
Для моторов, у которых максимальные обороты 8000-8200, что вполне хватит для резвого гражданского мотора, эти примочки не нужны. Они применяются только в спорте.
Интересную систему применили японцы компании Honda на моторах VTEC. На маленьких оборотах клапан открывает маленький кулачок распредвала, а на больших очень большой. Таким образом на малых оборотах у вас мотор тяговитый, как у трактора, а на больших оборотах как ракета. Такая схема газораспределения является идельной.
Обратите внимание: маленький кулачок имеет круглую форму, большой - "квадратную", для наибольшего впуска.


Немного об устройстве моторов Формулы 1:
Чем же этот мотор отличается от обычного, который ставят в городской автомобиль?
Ну прочность и лёгкость материалов обсуждать не будем, это очевидно. Рассмотрим основные конструктивные отличия.
Пик мощности приходится примерно на 18000 оборотов в минуту, тогда как обычный мотор достигает своего предела примерно на 5500. Соответственно и мощность мотора формулы примерно в 3,5 раза больше, аналогичного по объёму стандартного.
Если представить что 1.5 литровый ВАЗ имеет свой пик мощности на 18000 об/мин, то его мощность равнялась бы 350 л/с.Но к сожалению у стандартных блоков немного другая конфигурация, отличающаяся от блока цилиндров формулы 1. Чем достигаются такие большие обороты? Размерами клапанов, их подъёмом и фазой открытия. То есть чем больше эти параметры, тем в более высокую зону оборотов уходит максимальная мощность. Нужно ли говорить, что для городской езды такие автомобили не применимы. Холостые обороты у такого мотора около 6000 об/мин.


Почему же у стандартного мотора максимальные обороты 5500? Мощность двигателя увеличивается с увеличением оборотов, потому что за один оборот мотор "съедает" фиксированное количество рабочей смеси ( воздух с топливом). Таким образом если на 3000 оборотах мотор выдаёт 45 лошадиных сил, то на 5500-6000 оборотах он выдаёт 90л/с. Дальнейшей прибавки мощности не происходит.
Почему? Дело в том, что воздух не успевает проходить через клапаны на такой скорости, и дальнейшее увеличение оборотов приводит к падению мощности двигателя. Это называется коэффициент наполнения цилиндров, когда двигатель имеет объём 1,5 литра, а за полный цикл способен "всосать" 1,125 л воздуха. Коэффициент наполнения в таком случае 75%, как у стандартного мотора. С ростом оборотов эти значения ещё больше уменьшается, и двигатель теряет мощность.
На спортивных же моторах коэффициент достигает 100%, или даже 120% за счёт динамического наддува (встречный поток воздуха) и продувки цилиндров за счёт инерции уходящих выхлопных газов.
Если ваш автомобиль не служит для перевозки картошки с дачи, и вы хотите оживить его характер, или даже поучавствовать в гонках типа дрэг-рейсинг, вам нужно расширять дыхательную систему вашего мотора.



Увеличение подъёма клапана и увеличение размера клапана дают почти одинаковый эффект, и позволяют увеличить наполнение цилиндров рабочей смесью. Увеличивается максимальная мощность и скорость автомобиля за счёт сдвигания пика работы мотора в зону высоких оборотов. Но, клапаны нельзя увеличить очень сильно на стандартном моторе, так как для них просто не хватит места. Да, места в нашей камере сгорания действительно маловато. На Формуле 1 применяются огромные клапаны, потому что диаметр цилиндра очень большой, а ход поршня маленький. Благодаря такой компоновке мотора (короткоходный) его удаётся раскрутить до 20000 об/мин. Соответственно подъём клапана и фаза его открытия тоже большие. Вот в принципе и весь секрет моторов Формулы 1.
Но с обычной компоновкой мотора обороты тоже можно значительно повысить, максимально до 9000-11000 об/мин, что обеспечивает неплохую мощность.  Увеличение фазы открытия клапана иногда значительно превышает 300 градусов, то есть клапан открыт и на соседних тактах работы мотора. Нужно ли говорить что такой мотор на малых оборотах не может работать и используется только на максимальных режимах. Так что к подбору фазы открытия клапана нужно подходить разумно, подбирая его для каждого вида спорта или любительской езды, отдельно.
Широкая фаза на распредвалу атмосферных двигателей нужна не только для того, что бы максимально наполнить цилиндры воздухом, и быстрее выпустить отработавшие газы. Когда фаза впуска и фаза выпуска достаточно большие, они накладываются друг на друга, это называется перекрытием клапанов. То есть фаза выпуска ещё не завершена, а уже открывается впускной клапан.
На стандартном распредвале перекрытия почти нет, это обеспечивает хорошую тягу на низких оборотах. На высокофорсированных моторах перекрытие достигает несколько десятков градусов. Это нужно для того, что бы использовать инерцию вылетающих отработавших газов для заполнения цилиндров свежей смесью. Дело в том, что в конце такта выпуска выхлопные газы со скоростью звука "комом" двигаются по выпускным трубам, создавая эффект поршня, и давление в выпускном коллекторе в определённый момент падает ниже атмосферного. Вот в этот момент и нужно открыть впускной клапан, что бы свежая рабочая смесь заполнила цилиндр. Этот эффект достигается только на высоких оборотах, а на низких оборотах перекрытие клапанов абсолютно бесполезно, даже снижает мощность двигателя.
  Распредвал для турбо моторов подбирается как и на атмосферный двигатель - для определённого диапазона оборотов. Чем больше фазы, тем больше пиковая мощность и обороты двигателя, и больше провал на низах.
Но на турбомоторах существует прямая взаимосвязь между размером турбины и распредвалом.
Маленький распредвал задушит двигатель раньше, чем начнётся спул большой турбины, соответственно давление во впуске не поднимется до приемлимых значений.
Соответственно маленькая компрессорная часть заткнёт двигатель с большими распредвалами, не позволяя ему раскрутиться до высоких оборотов и пиковой мощности.
Большое перекрытие фаз (overlap valve) влияет на более позднюю раскрутку турбинного вала (spool) и большой провал на низах, что кстати благоприятно сказывается на сроке службы транмиссии на очень мощных машинах.
Принцип подбора турбины и распредвала простой - комфортная езда по городу, с хорошим крутящим моментом требуют средних размеров турбокомпрессора и фаз впуска.
Автоспорт и большая мощность - это широкие фазы, поздний спул турбинной части нагнетателя и практическая неприменимость для размеренной езды в городских условиях.




P.S. - источник:https://www.drive2.ru/l/119663/
[видео]

«Amat victoria curam» - Нет победы без трудностей.
Спасибо сказали: Admin1

Поделиться