Уменьшение и увеличение степени сжатия
У каждого автолюбителя свои задачи. Кто-то хочет больше мощности от двигателя и тогда задумывается над увеличением степени сжатия. Другие, желают дефорсировать мотор и уменьшить степень сжатия, чтобы заправлять дешевый низкооктановый бензин.
В данной статье поговорим про уменьшение и увеличение степени сжатия, зачем это делают и какой результат.
Увеличение степени сжатия двигателя
Увеличение степени сжатия является одной из основных методик поднятия мощности двигателя. Тем самым можно получить больше отдачи с того же объема двигателя. Одним словом мощность повысится, а расход останется на прежнем уровне.
Возникает вопрос, а почему с завода не поднимают степень сжатия до максимально возможного уровня?
Дело в характеристиках бензина не позволяющим поднимать степень сжатия больше определенного уровня, без образования детонации. Если мы значительно повысим степень сжатия, то мощность повысится, но придется заправляться более высокооктановым топливом. С другой стороны, двигатель теперь работает более эффективно и на той мощности на которой вы ездили раньше, он будет потреблять меньше топлива и разность в цене будет несущественна.
Как увеличить степень сжатия? Два лучших способа:
1. Установка более тонкой прокладки двигателя. При таком варианте, клапана могут столкнуться с поршнями и нужно все тщательно рассчитывать. Как вариант, это установка новых поршней двигателя с более глубокими выемки под клапана. Также изменятся фазы газораспределения двигателя и нужно будет их заново настраивать.
2. Растачивание цилиндров двигатель. Такая процедура требует замены поршней, но этот метод увеличивает рабочий объем двигателя и одновременно повышает степень сжатия, так как камера сгорания остается прежней но объем цилиндра увеличивается. Отношение объема возросшего цилиндра к прежнему объему камеры сгорания покажет большую величину степени сжатия.
Прибавка мощности за счет степени сжатия тем выше, чем под более низкую степень сжатия изначально настроен двигатель. Простыми словами, повышение мощности более эффективно при поднятии степени сжатия с 8 до 9, чем с 13 до 14.
Уменьшение степени сжатия двигателя
Для чего производиться уменьшение степени сжатия двигателя? Если при увеличении — мы добивались повышения мощности двигателя, то тут ситуация противоположная — уменьшение степени сжатия производиться с целью перевести автомобиль на более дешевый бензин.
Так, в старые времена поступали владельцы «Жигулей» и «Москвичей», когда переводили свои машины с дорогого 92-ого бензина на более дешевый и доступный 76-ой. Для этих целей используется аналогичный способ, только придется увеличить высоту прокладки под головку двигателя. Берем две обычные прокладки и между ними вставляем алюминиевую нужной толщины. Прокладки, если нужно, вырезались самостоятельно в гараже с помощью подручных средств.
После вышеописанной процедуры уменьшиться степень сжатия за счет увеличения камеры сгорания двигателя и можно заливать дешевый бензин. Не рекомендуем делать эту операцию на современном авто, оборудованным большим количеством электроники, во избежании неприятностей.
Увеличение степени сжатия
Объем камеры сгорания влияет на конечную степень сжатия двигателя.
Камера сгорания, это объем образуемый головкой блока и поршнем в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке. Степень сжатия, это отношение объемов цилиндров от максимального до минимального. Максимальный объем камеры сгорания получается, когда поршень находится в нижней мертвой точке. Минимальный при нахождении поршня в верхней мертвой точке цилиндра.
Объем цилиндра без учета камеры сгорания можно узнать, поделив паспортный рабочий объем двигателя на количество цилиндров.
Объем камеры сгорания состоит из суммы 3 объемов:
1 Объем камеры сгорания на головке блока
2 Объем, образуемый толщиной прокладки головки блока
3 Объем вогнутого пространства в днище поршня.
Справедливости ради стоит сказать, что существует масса вариантов когда поршни выпуклые и при вычислениях они не добавляют, а наоборот уменьшают пространство камеры сгорания. И это нужно учитывать при расчетах.
Степень сжатия и компрессия, это не одно и тоже и различается тем, что степень сжатия это геометрическая величина, а компрессия динамическая. Так как двигатель при вращении обладает некоторыми насосными свойствами, плюс воздух при сжатии нагревается, то величина компрессии будет отличаться от степени сжатия в большую сторону. Компрессия обычно больше в 1.4 раза чем степень сжатия.
Увеличение степени сжатия является одной из основных методик поднятия мощности двигателя, так как чем больше сжать топливовоздушную смесь, тем больше она сможет расшириться относительно сжатого объема при сгорании. Тем самым можно получить больше мощности с того же объема сгоревшего топлива. Одним словом мощность повысится, а расход останется на прежнем уровне. Возникает вопрос, а почему с завода не поднимают степень сжатия до максимально возможного уровня? Дело все в характеристиках бензина не позволяющим поднимать степень сжатия больше определенного уровня, без образования аномальных, нежелательных процессов горения (детонация и др). Октановое число как раз и является основным показателем величины детонационной стойкости топлива и чем это число выше, тем большую степень сжатия можно использовать в двигателе, без образования детонации.
То есть проще говоря, если мы значительно повысим степень сжатия то мощность у нас повысится, но придется заправляться более высокооктановым топливом, а оно стоит дороже. Но с другой стороны, двигатель теперь работает более эффективно и на той мощности на которой вы ездили раньше, он будет потреблять меньше топлива и разность в цене как бы нивелируется! Но правда все же такова, что вы не будете ездить на малой мощности. Иначе зачем нужно было все это затевать?
Степень сжатия можно повысить двумя самыми эффективными способами:
1 установка более тонкой прокладки головки блока, либо спиливание нижней части головки блока. При таком варианте, клапана приближаются к поршню и необходимо делать или увеличивать выборки под них. Изменяются фазы работы ГРМ так как высота цепи или ремня, ответственная за синхронизацию распредвала изменяется на величину, уменьшения высоты позиционирования головки блока. При верхневальном двигателе (распределительный вал находится в головке блока). Настроить работу распределительного вала можно с помощью резрезной шестерни, либо шестерни с несколькими позициями под шпонку. При нижневальном, когда распредвал стоит внизу (в блоке цилиндров) и связь с клапанами происходит посредством толкателей также изменяется кинематика клапанного механизма без гидроусилителей, а с гидроусилителями может не хватить их хода и придется ставить меньшие по длине толкатели. При использовании метода на V образном двигателе при спиливании головок изменится расстояние между посадочными отверстиями впускного коллектора, что потребует его подгонки.
2 Растачивание цилиндров под больший по диаметру поршень. Такая процедура требует замены поршней, но этот метод увеличивает рабочий объем двигателя и одновременно повышает степень сжатия, так как камера сгорания остается прежней но объем цилиндра увеличивается. Отношение возросшего цилиндра к прежней камере сгорания покажет большую величину степени сжатия. Метод кроме замены поршней и расточки цилиндра не требует больше каких либо переделок и более предпочтителен для увеличения степени сжатия.
Прибавка мощности за счет степени сжатия тем выше, чем под более низкую степень сжатия изначально настроен двигатель. Простыми словами, повышение мощности более эффективно при поднятии степени сжатия с 8 до 9 чем с 13 до 14.
Примеры прибавок в процентах:
с 8 до 9 = 2.0 % прибавка мощности
с 9 до 10 = 1.7 % прибавка мощности
с 10 до 11 = 1.5 % прибавка мощности
с 11 до 12 = 1.3 % прибавка мощности
с 12 до 13 = 1.2 % прибавка мощности
с 13 до 14 = 1.1 % прибавка мощности
с 14 до 15 = 1.0 % прибавка мощности
с 15 до 16 = 0.9 % прибавка мощности
с 16 до 17 = 0.8 % прибавка мощности
Промежуточные результаты суммируются, например поднятие степени сжатия с 8 до 14 даст прибавку 8.7 %
Примеры перехода на более высокооктановое топливо при повышении (СС)
Советы по Тюнингу.
1 Увеличение рабочего объема.
Увеличение рабочего объема двигателя, – наиболее понятный всем способ увеличения крутящего момента и мощности двигателя. Дополнительный объем может быть достигнут либо увеличением хода поршня (т.е. заменой коленвала), либо увеличением диаметра поршня, либо в комплексе. Установка коленвала с большим ходом влечет за собой либо использование доработанных поршней, либо более высокого блока, либо укороченных шатунов. Наиболее оптимальным вариантом с точки зрения снижения боковых нагрузок со стенок цилиндра будет использование высокого блока и по возможности более длинного шатуна. Но другие варианты тоже имеют право на существование ввиду невысоких расходов.
При увеличении диаметра цилиндра больше чем на 1 мм желательно использовать толстостенный блок, так как при расточке стандартного блока стенки цилиндра становятся настолько тонкими, что это может привести к их «раздуванию» в процессе работы, что в свою очередь приводит к повышенному расходу масла, снижению компрессии и, как следствие – потери мощности. Кроме того, на тонких стенках цилиндра возможно появление трещин.
Если речь идет о форсировании двигателя используемого для повседневной езды, то применение кованых поршней влечет за собой ряд вопросов. Во-первых, материал, используемый при их изготовлении, обладает более высоким коэффициентом расширения, поэтому требуется увеличенный монтажный зазор между поршнем и цилиндром. Это ведет к повышенному расходу масла как при прогреве так и в рабочих режимах. Во-вторых, этот материал более плотный, что в совокупности с неидеальной геометрией поршней представленных на российском рынке приводит к повышенному износу цилиндра. Поэтому, при доработке двигателей, предназначенных не для спортивной езды, мы стараемся дорабатывать стандартные поршни, либо подбирать импортные аналоги под конкретную геометрию двигателя.
В спортивных двигателях, где все компоненты испытывают максимальные нагрузки, применение кованых высокопрочных поршней – крайняя необходимость. Также как и использование стального коленчатого вала, облегченных шатунов и т.д. По желанию клиента мы можем собрать мотор любой геометрии, в рамках того, что можно использовать в стандартном или высоком блоке. Мы поможем вам выбрать вариант двигателя, учитывая предполагаемую область применения, стиль езды и желаемый результат по мощности и крутящему моменту.
ДОПОЛНЕНИЕ:
При выборе конфигрурации двигателя в процессе увеличения его рабочего объема выбирают между «длинноходным» и «короткоходным» вариантами, определяющими, какой из параметров — ход поршня («длинноходный» вариант) или диаметр цилиндра («короткоходный» вариант) преимущественно будет увеличиваться. При этом не следует забывать, что рабочий объем двигателя влияет не только на величину максимальной мощности, но и на то, при каких оборотах будут получены максимальные значения мощности и крутящего момента. В общем случае, при увеличении хода поршня максимальные значения мощности и крутящего момента достигаются при меньших значениях оборотов двигателя. К тому же, более «длинноходный» двигатель обеспечивает меньшее значение максимальной мощности, но большее значение крутящего момента по сравнению с «короткоходным». «Короткоходные» двигатели при этом достигают максимальной мощности при более высоких оборотах и при том же рабочем объеме развивают большую мощность, но почти всегда это сопровождается меньшими значениями крутящего момента на низких оборотах.
2 Есть ли необходимость полировки впускного коллектора?
НЕТ! Практикой доказано, что на эти операции уходит очень много времени, однако для тюнинга двигателя результат «никакой», т.е. на педали не чувствуется.
Причина столь неутешительного результата кроется в процессах, происходящих внутри впускного тракта. При движении в каналах часть топлива оседает на их стенках виде тонкой пленки и, если шероховатость очень низкая (полировка), то топливо продолжает двигаться дальше в цилиндр. При этом оно окажется уже излишним, нарушив оптимальное соотношение «бензин-воздух» в заряде смеси, направляющимся в камеру сгорания. Соответственно вырастет расход топлива и ухудшится токсичность выхлопа.
В результате получается, что масса сил потрачена зря, и все разговоры о том, что «заполируй коллектор — получишь результат» приводят к результату прямо противоположному. То есть вы не только не получаете прибавки в мощности, но и ухудшаете работу двигателя за счет пере обогащения смеси. То не большое снижение аэродинамических потерь, кот. получается при полировке, в реальных условиях почувствовать не возможно.
Для желающих получить ощутимый результат своими силами можно посоветовать произвести легкую доработку. Прежде всего совместить каналы коллекторов и головки блока ( это серьезно улучшит движение смеси и даст прирост мощности около 5 л.с.). После этого в каналах требуются снять крупные неровности и обработать их шкуркой зернистостью 120-180. Наличие небольших микро неровностей на поверхности каналов будет способствовать турболизации смеси в при стеночном слое и срыву топливной пленки, при этом не создавая помех для движения заряда смеси, т.е. небольшая шероховатость оказывается необходима.
Более сложную доработку можно произвести только в специализир. мастерских с использованием соответствующего оборудования. О необходимости полировки стоит говорить только применительно к спортивным моторам, когда обороты двигателя превышают 10.000. Тогда полировка приобретает актуальность и становится просто необходимой т.к. изменение аэродинамических потерь от числа оборотов происходит по квадратичной зависимости.
3 Компрессия и степень сжатия. Что это такое?
4 Необходимо ли применять свечи с измененным калильным числом при форсировании мотора?
На практике, в частности при наших предложениях, такой необходимости нет. Увеличение степени сжатия находится в пределах допуска по калильному числу свечи.
Другое дело, что необходимо использовать только качественные и строго следить за интервалом замены — от вроде бы копеечной детали зависит слишком многое.
Исключением из сказанного являются моторы, при подготовке которых была сильно повышена степень сжатия. В этом случае, при частом использовании режимов максимальной мощности резко растет температура в камере сгорания. Юбка свечи перестает справляться с отводом тепла, керамическая вставка, удерживающая центр. электрод, раскаляется. Возникает калильное зажигание. При этом происходит интенсивный износ деталей двигателя ( смесь поджигается в непредсказуемый момент, при этом на поршни воздействуют колоссальные ударные нагрузки, передаваемые дальше — на палец, колен. вал ). Как следствие — падение мощности, резкое снижение ресурса, увеличенный расход топлива.
В этом случае необходимо применять более «холодные» свечи и использовать только качественный высокооктановый бензин.
5 «Кованные» поршни. Что это такое?
В наших предложениях кованные поршни встречаются постоянно. Все дело в том, что на форсированных моторах их детали испытывают большие механические и температурные нагрузки (температура на днище поршня, например, достигает 300…350 гр.С ). Поэтому, для производства поршней с повышенными механическими характеристиками применяют высококремнистые (содержание Si > 12%) сплавы алюминия, обладающие более высокой жаропрочностью, меньшим коэф. расширения, лучшими прочностными характеристиками по сравнению с обычными ( Si 
6 Есть ли необходимость облегчения маховика, срезания противовесов колен. вала?
С целью улучшения разгонных характеристик двигателя необходимо уменьшать движущиеся массы. С этой точки зрения и облегчение маховика, и срезание противовесов колен. вала выглядит оправданным. Но не все так просто. Двигатель представляет из себя сложный организм, «живущий» по законам механики. Поэтому любая серьезная доработка повлечет изменение расклада сил, действующих на двигатель. Следовательно, срезать противовесы к.вала без предварительного расчета не рекомендуется, т.к. они рассчитаны таким образом, что бы центр тяжести приведенной системы масс находился на оси вращения к.вала (противовесы уравновешивают силу Fr — силу инерции вращательно-движущихся масс). Облегчение маховика в этом отношении проще, но и здесь есть свои «минусы»: ухудшается неравномерность крутящего момента в зоне низких частот вращения к.вала (увеличивается вибрация двигателя), соответственно, затруднено троганье на невысоких оборотах за счет снижение инерции маховика, возможность разрушения маховика из-за вскрытия внутр. дефектов структуры (все маховики проходят обязательную дефектоскопию).
Из всего сказанного видно, что основные проблемы возникают в зоне невысоких оборотов, но ведь цель этой доработки как раз активная динамичная езда, с быстрой раскруткой мотора до максимальных оборотов. Учитывая такую постановку задачи, вышеперечисленными минусами можно пренебречь, точнее с ними нужно смириться. При этом с доработанными деталями поведение двигателя становится намного интересней. Существенно улучшается динамика раскрутки, мотор быстрее реагирует как на подачу, так и на сброс газа. Это позволяет намного точнее регулировать тягу на ведущих колесах, что при активной, фактически на пределе, езде становится жизненно важным. Особенно это касается переднего привода. При динамичной городской езде почувствовать результат можно при резких стартах, разгонах, когда разница в наборе оборотов станет ощутимой.
В любом случае, эта доработка рассчитана на продвинутых любителей, которые в состоянии почувствовать нюансы поведения двигателя и умеющих этим воспользоваться.
Провести такого рода операции без соответствующих расчетов не целесообразно, а то и просто опасно, т.к. возможно снижение запаса прочности деталей по наиболее нагруженным зонам. Эта работа не для гаража. Для получения надежных результатов по уравновешиванию двигателя следует тщательно провести развесовку деталей КШМ и динамич. балансировку к.вала в сборе с маховиком и корзиной сцепления.
7 Можно ли поставить наддув на стандартный двигатель?
Вопрос не совсем конкретный, так как существуют три вида наддува бензиновых двигателей:
• резонансный
• с помощью объемного нагнетателя
• газотурбинный
Для понимания разницы между этими методами придется вкратце пояснить различие в принципах работы между ними, хотя не смотря на конструкцию конечная цель у наддува одна — повысить крутящий момент и, соответственно, мощность. Резонансный наддув в большинстве случаев реализовывается на двигателях с распределенным впрыском топлива, у которых длинна каналов впускного коллектора практически одинакова для каждого цилиндра. Задача резонансного наддува при частоте 3.000-3.500 об\мин обеспечить повышенное давление смеси перед впускным клапаном в момент его открытия за счет использования частоты колебаний смеси о впускном коллекторе. Как правило, объем ресивера и определяет достаточно узкий диапазон работы такого наддува. В принципе существуют многокамерные ресиверы, но это отдельная тема.
Объемный нагнетатель наиболее согласован по своим расходным характеристикам с работой двигателя. Фактически это механический компрессор (различной, при необходимости, производительности), жестко закрепленный на блоке цилиндров и приводимый в движение от колен.вала через шкив ременной передачей.
Однако их применение сдерживается необходимостью монтажа их привода, смазки, громозкостью и повышенной шумностью работы. Основное применение — большие автомобили, т.к. требуется много места для организации работы. Очень популярны в Америке. Где с успехом устанавливаются распространенных там аппаратах с огромными моторами и массой места под капотом, у Chevrolet Tahoe, например.
Совсем другое дело газотурбинный наддув, нашедший широкое применение на легковых автомобилях. Простота конструкции (технологическая сложность здесь не учитывается) и прекрасная отдача позволили этому методу прочно закрепиться на рынке. Принцип достаточно прост. Отработавшие газы на выходе из двигателя вращают турбину, кот. нагнетает воздух во впускной коллектор. Первоначально существовавшие проблемы типа «турбо ямы», перегрева, еа многих современных компрессорах решены. Появившиеся корректоры по наддуву, которыми в обязательном порядке комплектуются системы, позволяют существенно улучшить мощностные и экономич. Показатели двигателя, и, кроме того, сформировать нужную характеристику работы двигателя. Применение малоразмерных компрессоров (с малым моментом инерции) позволило практически устранить запаздывание срабатывания наддува при работе двигателя в разнопеременных нагрузках.
В зависимости от степени наддува мощность можно увеличить до 40%. Это результат для серийных моторов. Для экстремальных целей возможности наддува ограничены надежностью мотора.
Подводя итог, на поставленный вопрос можно ответить так: если у вас карбюраторный мотор, то решение только в газотурбинном наддуве, если инжекторный, то возможно применение и резонансного метода.
В любом случае будет прекрасная отдача, хотя удовольствие не дешевое. Турбонаддув удел дорогих, технически совершенных моделей.
8 Распред. валы с измененными фазами. Для чего используются — для поднятия момента или максимальной мощности?
И для того и для другого. Просто это разные задачи и инструменты их достижения (в данном случае р.валы) то же различны. В принципе, появление этих валов обязано спросу, кототрый возник на волне повального увлечения активной ездой у наиболее продвинутой части автообщественности. Желание улучшить динамику и максимальную скорость было у многих, и самым простым способом небольшой прибавки стола замена стандартного р.вала на р.вал с измененными фазами газораспределения. Но дело в том, что на моторах путем замены р.вала невозможно добиться одинакого хорошего подъема как момента, так и макс. мощности. На продвинутых моторах иностранных фирм существуют системы изменения фаз газораспределения в зависимости от оборотов двигателя, которые позволяют поддерживать макс. значение крутящего момента в широком диапазоне оборотов. На отечественных моторах это не возможно, поэтому приходиться применять р.валы с измененными, но все-таки фиксированными параметрами кулачка (угол запаздывания закрытия впускн. клапана и угол перекрытия клапанов). На деле, чаще всего требуется увеличить динамику автомобиля. Для этого необходимо поднять значение крутящего момента Мкр в зоне низких частот вращения — 2.000-3.000 об\мин., при том что на большинстве стандартных моторов Мкр находится в пределах 3.500-4.000 об\мин. В принципе, для лучшего понимания, как можно улучшить динамику, стоит на секунду отвлечься на теорию. В механике для оценки динамики введен коэффициент динамичности Кд:
В большинстве случаев реально поднять Мкр и опустить его макс. значение в зону низких оборотов получается путем уменьшения угла запаздывания закрытия впускного клапана. При этом «обратный выброс» смеси при подъеме поршня от н.м.т. к в.м.т. практически отсутствует и наполнение цилиндра свежей бензо-воздушной смесью оптимально. На практике, за счет корректировки угла закрытия впускн. клапана достигается повышение Мкр при 2.000- 3.000 об\мин на 25-30 %. В качестве недостатка стоит отметить, что в зоне высоких скоростных режимов такие р.валы ограничивают наполнение цилиндров свежей смесью за счет недоиспользования инерции заряда во впускном тракте. Что, естественно, ограничивает макс. мощность двигателя. Для увеличения мощности применяются другие р.валы, что обусловлено необходимостью увеличить обороты колен.вала. В бензиновом двигателе главным ограничителем оборотов является ограниченность наполнения цилиндров свежей бензо-воздушной смесью из-за роста газодинамических потерь во впускном тракте. Для достижения макс. оборотов на практике, в основном в спорте, идут на серьезное увеличение угла запаздывания впускного клапана, что бы максимально использовать «дозарядку» цилиндра за счет инерции потока смеси во впускном тракте. Кроме того, увеличивают угол перекрытия клапанов для улучшения продувки (освобождения от отработавших газов) камеры сгорания. Такие мероприятия позволяют улучшить nmax с 5.500 — 6.000 об\мин до 10.000 — 12.000 об\мин. При этом требуются соответствующие доработки и других систем автомобиля. При работе двигателя в этих режимах возникает много других нюансов. «Обратная тяга» (т.е. поршень идет вверх к в.м.т. и выталкивает в выпускной коллектор часть смеси, уже попавшей в цилиндр через открывающийся впускн. клапан) очень сильна, что приводит к огромному расходу топлива и высокой токсичности. Кроме того, эти моторы просто не могут работать на режиме холостого хода в нормальном понимании этого слова (около 800 об\мин). Так что необходимость применения р.валов, пришедших из спорта в повседневной жизни очень сомнительна. Тем не менее, и в варианте с поднятием момента и с поднятием мощности много нюансов, к которым мы еще не раз вернемся.
9 Разрезная шестерня привода р/вала. Есть ли в ней необходимость?
В наших текстах по предложениям о доработках моторов шестерня упоминается достаточно часто. Связано это с тем, что для получения оптимальных результатов того или иного комплекта доводки необходимо применение р.валов с измененными фазами газораспределения. При этом нарушается положение р.вала относительно в.м.т. по колен.валу. Если для моторов предыдущего поколения ( ВАЗ-классика, УЗАМ) ошибка в установке р.вала 3-4 градуса относительно колен.вала не приведет к заметным нарушениям в работе двигателя, то для более современных моторов семейства 2108 погрешность установки фаз газораспределения имеет куда более существенное значение. Те же самые 3-4 градуса ошибки приведут к резкой потере мощности, ухудшению экономичности и токсичности. Именно поэтому, для реализации наилучших характеристик двигателя при установке различных (по конструкции кулачков) р.валов, применение универсальной «разрезной» шестерни привода р.вала становится однозначно необходимым. На практике, наилучший результат достигается при установке р.вала, например, когда поршень 1-го цилиндра находится в.м.т., а в 4-ом подъем впускного и опускание выпускного клапанов составляют одинаковую величину (фаза перекрытия).
