Текст книги "Тюнинг автомобиля своими руками"

Литые поршни

Для большинства применений в форсированных двигателях обычной практикой является выбор кованых поршней и игнорирование литых конструкций. Однако в двигателях, сконструированных для средней или умеренно-высокой мощности, литые поршни будут часто выдавать большую мощность, чем кованые поршни. Почему? Имеется несколько причин. Прежде всего, литые поршни обычно имеют меньший износ канавок для поршневых колец и очень малую теплопроводность, удерживая больше тепла в камерах сгорания. Во-вторых, они сконструированы для работы с минимальным зазором в отверстии цилиндра, обеспечивая более стабильную платформу для поршневых колец. В-третьих, они часто легче, чем кованые. Наиболее важным является то, что они зачастую намного дешевле кованых поршней.

В течение нескольких последних лет были заново разработаны литые поршни, подходящие для использования в форсированных двигателях. Первое преимущество – это существенно уменьшенный шум от поршня. Если такого ощущения нет, то вы могли не слышать гоночного двигателя, шум которого заглушен до приемлемого уровня. Стук поршня, вызванный колебаниями поршня в цилиндре, производит неправдоподобный шум, как при потряхивании ведра, наполовину заполненного гвоздями. Уменьшенные зазоры существенно сокращают колебания поршня и шум от них.

Если вы планируете создать атмосферный двигатель (т. е. без наддува), предназначенный для выдачи максимальной мощности в диапазоне оборотов от 4500 до 5000 об/мин, то обычные литые поршни будут работать достаточно хорошо. Однако нагрузки и температуры, создаваемые при высоких уровнях мощности и оборотах, требуют использования кованых поршней.

Если уровень мощности и другие особенности конструкции двигателя (подобные уникальному размеру отверстия цилиндра или специальному положению поршневого кольца) подтверждают необходимость кованого поршня, то очень важно реализовать то, чтобы требуемый рабочий зазор изменялся определенным образом от одного производителя поршней к другому. Следует помнить, что возможность создания малого зазора между поршнем и стенкой цилиндра без заеданий и чрезмерного «прихватывания» является «активом» с точки зрения уплотнения поршневых колец и низкого шума. Однако многие из специальных кованых поршней изготовлены из сплавов с высоким коэффициентом термического расширения. Они могут быть довольно стабильными при высоких температурах и больших оборотах, но не подходят для использования в обычном режиме двигателя. Поршни, которые слабо сидят в цилиндрах, когда двигатель холодный, влияют на топливную эффективность и увеличивают расход масла, токсичность выхлопных газов и т. д. Следовательно, очень важно при выборе поршня определить тот, который позволяет достичь как можно меньшего зазора у «юбки» при любых, а не только «щадящих» условиях работы.

Как правило, лучший поршень можно найти, анализируя данные фирм-производителей по зазору поршней. Другими словами, чем больше термическая стабильность сплава, тем меньше поршень будет расширяться при нагревании и тем меньше минимальный зазор, который может гарантировать фирма-производитель.

Конвертирование двигателей для работы на газе

Многие водители переходят на газовое топливо. При переводе на газ автомобиль может быть оборудован установкой или для сжатого, или для сжиженного газа. Установки для сжатого газа, ввиду их громоздкости, применяются лишь на грузовых автомобилях и автобусах.

В своем пособии В.Н. Степанов указывает, что на состоявшейся в 1999 г. в Санкт-Петербурге VII Международной выставке «Авто-Сервис Шоу-99» венгерское АО RABA представило новое семейство рядных 6-цилиндровых двигателей G 10 с горизонтальным расположением блока цилиндров, работающих на сжатом природном газе и предназначенных для установки на автобусы и грузовые автомобили. При переводе на газ базовых дизельных двигателей семейства G 10 с рабочим объемом 10,35 л их степень сжатия была уменьшена с 15,2 до 11,0-12,7 в зависимости от модели. Двигатели оборудованы турбокомпрессором с клапаном перепуска отработавших газов и холодильником наддувочного воздуха, расположенными перед газовоздушным смесителем. Смеситель разработан голландской фирмой Deltec Fuel System на основе трубки Вентури с подводом газа в диффузор через систему радиальных отверстий. Коэффициент избытка воздуха в зависимости от режима работы двигателя изменяется в диапазоне а = 0,97-1,5. Расположенная за смесителем дроссельная заслонка позволяет регулировать количество газовоздушной смеси, обеспечивая устойчивую работу двигателя и на частичных нагрузках. Например, двигатель RABA G 10 DE-190 имеет номинальную мощность 190 кВт при 2100 1/мин и максимальный крутящий момент 1130 Нм при 1300 1/мин. При этом коэффициент приспособляемости k = 1,27 и скоростной коэффициент kc = 0,619, что указывает на некоторое улучшение динамических качеств газового двигателя по сравнению с базовым дизельным вариантом. Дизельный двигатель такой же мощности имеет соответственно k = 1,183 и kc = 0,632.

При конвертировании на газовое топливо уровни токсичности ОГ и шумности двигателей G 10 по сравнению с дизельными двигателями значительно уменьшились. При этом моторесурс газовых двигателей вырос на 30 %.

Так решается обозначенная выше проблема, когда за дело берется солидная фирма. А как обстоят дела в частном секторе? Стремясь уменьшить эксплуатационные расходы на топливо, некоторые автолюбители заменяют уплотнительную прокладку между головкой и блоком цилиндров на более толстую и уменьшают тем самым степень сжатия двигателя. Такой «тюнинг» позволяет заправлять автомобиль более дешевым низкооктановым бензином, однако это сопровождается увеличением расхода топлива, некоторой потерей мощности двигателя, ухудшением его динамических качеств и, как правило, увеличением токсичности отработавших газов. Обусловлено это, во-первых, тем, что с уменьшением степени сжатия при неизменных прочих конструктивных параметрах двигателя неизбежно увеличивается коэффициент остаточных газов yr, что вызывает уменьшение коэффициента наполнения n_v, уменьшение скорости сгорания топливовоздушной смеси и увеличение неполноты ее сгорания. Во-вторых, уменьшение степени сжатия сопровождается увеличением площади поверхности камеры сгорания и возрастанием по этой причине непроизводительных потерь выделившейся в процессе сгорания теплоты в стенки.

Другой, более эффективный путь решения этой проблемы – конвертирование двигателя для работы на газе при сохранении возможности работы его на бензине. В этом случае работа на бензине позволяет сохранить практически неизменными прежние динамические качества автомобиля, что немаловажно, например, в условиях езды по городу (быстрое трогание с места и быстрый разгон). Работа на газе более предпочтительна на загородных трассах, где по условиям дорожного движения (ограничение скорости, плохая дорога) полная мощность от двигателя практически не требуется.

Легковые автомобили оборудуются исключительно установками для сжиженного газа. Рассмотрим наиболее важные характеристики таких автомобилей, а также некоторые особенности устройства системы питания и ее работы. Помимо уменьшения расходов на топливо работа двигателя на газе обеспечивает и ряд других важных преимуществ. Это, к примеру, увеличение ресурса двигателя, обусловленное отсутствием конденсации топлива и смывания пленки масла со стенок цилиндров. Это увеличение срока службы свечей зажигания вследствие уменьшения нагарообразования на поверхностях камеры сгорания, в том числе на изоляторах и электродах свечей. Далее – увеличение времени сохранения эксплуатационных качеств масла по причине уменьшения его загрязнения продуктами сгорания и отсутствия разжижения топливом. И, наконец, уменьшение токсичности отработавших газов по причине более полного сгорания газовоздушных смесей и пониженной температуры сгорания.

Однако при переводе двигателя на газ специалисты отмечают и определенные недостатки. Происходит некоторое уменьшение мощности двигателя, обусловленное более низкой теплотворной способностью газовоздушных смесей по сравнению с бензовоздушными. При одинаковой емкости газового баллона и бензобака уменьшается запас хода автомобиля. Газовый баллон занимает часть полезного объема багажного отсека автомобиля (наличие в багажном отсеке полностью заправленного газового баллона емкостью 50 л равносильно размещению здесь багажа массой примерно 50 кг). Последний недостаток весьма существенный, так как посадка в автомобиль, кроме водителя, четырех пассажиров может означать превышение полезной массы автомобиля.

Чтобы принять решение о возможности или невозможности установки на автомобиль газобаллонного оборудования, помимо названных преимуществ и недостатков, необходимо предварительно познакомиться с наиболее важными характеристиками автомобиля, оснащенного этим оборудованием.

Так как октановое число пропан-бутановой смеси более 100 единиц, то для достижения высоких показателей мощности и экономичности двигатель должен иметь степень сжатия не менее е = 8,2 (сравните со значением е для газовых двигателей G 10 фирмы RABA) и работать на бензине АИ-92. При этом чем больше степень сжатия (например, е = 9,9 у моделей ВАЗ-2108 – 2109), тем выше экономичность и мощность двигателя. При полезном объеме газового баллона 42 л (часть объема баллона, заполненная сжиженным газом) и среднем расходе газа для названных моделей примерно 10 л на 100 км запас хода автомобиля на газе составляет около 420 км.

Чтобы оценить срок окупаемости затрат при переводе автомобиля на газовое топливо, нужно сначала определить затраты на газовое топливо (бензин) при пробеге автомобиля 1000 км. Для этого можно воспользоваться формулой Зг(б) = = 10-Р-Ц, где Зг(б) – затраты на газовое топливо (бензин); Р – расход газа (бензина) на 100 км пройденного пути; Ц – цена одного литра газового топлива (бензина). Разность Зб-Зг показывает материальный выигрыш в рублях при пробеге 1000 км. Умножая эту разность на годовой пробег своего автомобиля, выраженный в тысячах километров, получаем материальный выигрыш за один год эксплуатации автомобиля. Далее остается поделить стоимость установки газового оборудования на годовой материальный выигрыш, и вы получите период времени (в годах), по истечении которого затраты окупятся.

Изложенный ниже материал дает общее представление о устройстве системы питания двигателя, позволяющей работать ему как на газовом топливе, так и на бензине.

Для сохранения неизменной конструкции головки цилиндров при переводе двигателя на газ используется внешнее смесеобразование с помощью смесителей с пересекающимися или параллельными потоками воздуха и газа. Наиболее распространенные схемы смесителей показаны на рисунке 26.

Рис. 26. Схемы газовоздушных смесителей: а – с пересекающимися потоками газа и воздуха; б – с параллельными потоками газа и воздуха

Обычно такие схемы смесеобразования используют, когда бензиновый двигатель конвертируется для работы только на газе. В этом случае газовоздушный смеситель устанавливается на место карбюратора. Если установить такой смеситель над карбюратором и сохранить тем самым возможность работы двигателя на бензине, то увеличившееся сопротивление впускного тракта приведет при работе на бензине к значительному возрастанию расхода топлива.

При желании сохранить возможность работы двигателя на бензине с приемлемым расходом топлива можно воспользоваться одним из следующих путей, рекомендуемых инженерами-специалистами: доработать двухкамерный карбюратор, превратив его в карбюратор-смеситель; впаять в переходную коробку воздушного фильтра в зоне над карбюратором две газоподводящие трубки (для двигателей с воздушным фильтром – не над карбюратором).

Если нет желания изменять конструкцию дорогостоящего карбюратора, то остается второй путь. При этом в автомобилях, где воздушный фильтр расположен непосредственно над карбюратором, впайку газоподводящих трубок можно произвести в специально изготовленный переходный фланец, который устанавливается затем между воздушным фильтром и карбюратором.

Достаточно хорошо отработана конструкция двухкамерного газового смесителя для автомобилей ВАЗ. Этот смеситель представляет собой переходный фланец, устанавливаемый вместо теплоизолирующей прокладки между корпусом дроссельных заслонок и корпусом поплавковой камеры карбюратора. Такая конструкция обеспечивает минимальный расход газа при работе на холостом ходу, ровную работу двигателя при изменении режима работы, достаточно хорошие мощностные и экономические характеристики и низкий уровень токсичности ОГ.

Во избежание выхода двигателя из строя и с целью обеспечения пожарной безопасности одновременная работа двигателя на газовом топливе и бензине не допускается.

Система питания (рис. 27) выполнена из расчета, что газовое топливо является основным, а бензин – резервным. Для этого в бензопровод между топливным насосом 7 и карбюратором 8 установлен электромагнитный клапан 24. При работе двигателя на газе клапан перекрывает подачу бензина в поплавковую камеру карбюратора. Управление работой клапана осуществляется водителем с помощью переключателя вида топлива, подключаемого через замок зажигания к электрической цепи катушки зажигания и устанавливаемого обычно под щитком приборов.

Рис. 27. Схема системы питания двигателя для работы на газовом топливе и бензине: 1 – цилиндр двигателя; 2 – бензобак; 3 – заливная горловина; 4 – сепаратор паров бензина; 5 – двухходовой обратный клапан; 6 – фильтр тонкой очистки; 7 – топливный насос; 8 – карбюратор; 9 – обратный клапан; 10 – воздушный фильтр; 11 – воздухозаборник; 12 – глушитель; 13 – подогреватель впускного тракта; 14 – баллон для сжиженного газа; 15 – наполнительный вентиль; 16 – расходный магистральный вентиль; 17 – газовый электромагнитный клапан с фильтром; 18 – испаритель редуктора; 19 – регулятор первой ступени редуктора; 20 – регулятор второй ступени редуктора; 21 – дозатор газа через первый патрубок; 22 – тройник; 23 – дозатор газа через второй патрубок; 24 – бензиновый электромагнитный клапан; 25 – двухступенчатый редуктор-испаритель низкого давления

Сжиженный газ находится под давлением 1,6 МПа (16 кгс/см²) в баллоне 14. Заправка баллона производится на автомобильной газонаполнительной станции через штуцер с резиновой конусной муфтой и наполнительный вентиль 15. При работе двигателя газ из баллона по гибкому газопроводу высокого давления поступает через расположенные в одном корпусе 17 электромагнитный клапан и фильтр в двухступенчатый редуктор-испаритель низкого давления 25. Газовый электромагнитный клапан открывается водителем при включенном зажигании с помощью переключателя вида топлива. В случае аварийной ситуации клапан герметично перекрывает газовую магистраль. В фильтре газ очищается от содержащихся в нем механических примесей и смолистых соединений.

Редуктор-испаритель низкого давления 25 состоит из испарителя 18 и регуляторов первой 19 и второй 20 ступеней. Теплота для испарения газа подводится к испарителю от системы охлаждения двигателя. Регулятор первой ступени редуктора понижает давление газа до 0,2 МПа, а после второй ступени давление газа становится близким атмосферному. Под действием разрежения, создаваемого во впускном трубопроводе при работе двигателя, газ через тройник 22 и дозаторы 21 и 23 поступает во впускной трубопровод перед воздушной заслонкой карбюратора. Здесь происходит его смешение с поступающим в двигатель воздухом, в результате чего образуется однородная горючая смесь. При увеличении нагрузки двигателя (открытии дроссельной заслонки) поступление газа автоматически возрастает. От карбюратора газовоздушная смесь следует в цилиндры двигателя по тому же тракту, что и бензовоздушная смесь при работе двигателя на бензине.

Блок цилиндров форсированного двигателя

Наиболее важным аспектом подготовки блока цилиндров является качество и структура отверстий цилиндров. Каждое отверстие цилиндра должно обеспечивать поверхность для смазки поршней и поршневых колец при них, а также оставаться идеально круглым при воздействии нагрузки в сотни и тысячи килограммов и температуре поверхности несколько сотен градусов. Технологии изготовления отверстий цилиндров с помощью прецизионного оборудования и, даже в большей степени, выбор самого блока являются критически важными операциями при получении оптимальной мощности и надежности работы двигателя.

Чтобы добиться почти идеального уплотнения поршневых колец и стенок цилиндра, что требуется для получения лучших характеристик, стенки должны быть достаточно жесткими, чтобы противостоять нагрузкам от поршней, давлению при сгорании и напряжениям внутри самого блока, т. к. отверстия цилиндров являются составной частью всего блока цилиндров. Жесткость отверстий цилиндров исходит от одного главного фактора: толщины стенок. Очень много было написано об использовании блоков цилиндров от ранних спортивных автомобилей, т. к. в то время их изготовители меньше заботились об общем весе автомобиля и использовали больше металла при изготовлении (литье) блоков. В некоторых случаях толщина стенок отверстий в два раза больше, чем в современных «тонкостенных» отливках.

Определение «качественного» блока не сводится к простой поездке на ближайшую автосвалку или склад подержанных запасных частей. Там имеется достаточно пользующихся спросом деталей разных лет выпуска, но многие из современных энтузиастов-конструкторов обращаются к новым заготовкам, отлитым на заводах. Новые блоки не подвергались частым перегреву-охлаждению, как на подержанном двигателе. Это означает, что хотя новый блок и может иметь идеально круглые отверстия при сборке двигателя в первый раз, но после работы блок и стенки цилиндров может «повести» и круглая форма отверстий будет нарушена.

Новый блок не может стать стабильной платформой для форсированного двигателя до тех пор, пока он не отработает на автомобиле несколько тысяч километров. Имеются фирмы, которые «убирают напряжения» с новых блоков, нагревая их почти докрасна, а затем охлаждая с определенной скоростью. После этой процедуры все поверхности блока обычно требуют доработки, включая отверстия цилиндров и сопрягаемые плоскости, отверстия для распределительного и коленчатого валов, а иногда и отверстия для толкателей. Это дорогостоящая процедура. Но даже это может не иметь успеха, если стенки цилиндров будут слишком тонкими, чтобы обеспечить жесткость поверхности, уплотняемой поршневыми кольцами при нагрузках.

После выбора блока следующим важным шагом является подготовка отверстий цилиндров. Характеристики двигателя и его надежность зависят от размера отверстия, от зазора поршень-стенка цилиндра и качества обработки стенки цилиндра. Вообще, малые зазоры поршень-цилиндр являются лучшими, поскольку они достаточны, чтобы избежать избыточного трения. Меньшие зазоры уменьшают колебания поршня в отверстии, что улучшает уплотнение поршневых колец. Однако оптимальный зазор поршня будет изменяться в зависимости от типа используемых поршней. К примеру, литые поршни с ограничителями расширения могут работать с более узкими зазорами, чем кованые поршни. Подбор зазора поршень-цилиндр для различных поршней будет детально рассмотрен ниже.

Обработка отверстий цилиндров также является важной частью подготовки отверстий. Она стала обычным делом для очень кропотливой «отделки» поверхности отверстий цилиндров форсированных и гоночных двигателей. Оптимальная обработка отверстий определяется типом использованных поршневых колец, т. е. хромированные кольца требуют более грубой обработки, чем мягкие кольца с молибденом.

Обработка (хонингование) стенок цилиндров, однако, является лишь половиной дела. Отверстия цилиндров также должны быть абсолютно круглыми, чтобы обеспечить максимальное уплотнение колец. Это требование к высокой точности может быть удовлетворено лишь с помощью автоматического хонинговального устройства. Более того, блок должен быть с пластинами для прокладок, чтобы имитировать напряжения, возникающие при установке головки блока цилиндров, и воспроизводить условия своей будущей работы как можно точнее.

Если подготовка блока производится на лучшем оборудовании и с большой осторожностью, то можно использовать относительно тонкую обработку. Однако, блоки форсированных двигателей должны по-прежнему иметь более грубую обработку, чем блоки, используемые на большинстве гоночных двигателей. Хон с брусками зернистостью 400 обычно рекомендуется для хонингования поверхностей стенок цилиндров на форсированном двигателе. При использовании молибденовых колец лучше применить меньшее давление хона и обеспечить более тонкую обработку. Кольца из ковкого чугуна могут прирабатываться слишком долго, если используется слишком тонкая обработка.

Если хонинговальная машина не может находиться точно в центре отверстия (т. е. хонингование на предыдущем изношенном отверстии, а не растачивание цилиндра), то нужно использовать более грубую обработку, чтобы помочь изначальному уплотнению колец. Хромированные кольца требуют даже еще более грубой обработки. Оптимальная обработка для хрома может варьироваться в широких пределах, в зависимости от того, имеют ли кольца поверхностную обработку, которая способствует приработке. Вы должны следовать рекомендациям производителя колец и обращаться в надежную мастерскую, чтобы быть уверенным в том, что хонингование обеспечит качественное уплотнение колец и их быструю приработку. Слишком «мягкое» отверстие никогда не позволит хромовым кольцам уплотниться. Фактически, случаи отсутствия уплотнения хромовыми кольцами в неправильно обработанных отверстиях невозможно установить даже после пробега 16000 км.

Другим типом колец, которые требуют прецизионной подготовки стенок цилиндров двигателя, являются керамические кольца. Эти кольца состоят из твердого материала, который почти не подвержен износу. Изначально использование TRW предполагает специальную процедуру обработки отверстий цилиндров. Многие, если не большинство мастерских, считают эту процедуру в чем-то неудобной и слишком дорогостоящей для своих клиентов. Для преодоления этой ситуации фирма TRW изменила керамический материал, и слегка «размягченная» поверхность кольца теперь требует относительно простого процесса обработки отверстий цилиндров, подобного тому, который используется для стандартных молибденовых колец. Концепция керамики является хорошей, но сделать ее безотказной – это вообще другая задача. Рекомендуем внимательно следить за развитием керамики. Когда эти кольца станут практичными и будут использоваться так же широко, как и другие кольца, вы сможете уверенно использовать преимущества их износостойкости и потенциал для долгой работы.