BlackAsianJew

Доброго времени суток друзья, товарищи и мои любимые подписчики. В последнее время я обленился и не делал постов. Но могу вас заверить, серия о легендарных японских моторах будет в итоге закончена. 
А сегодня мы поговорим об устройстве двигателя и возможных путях его тюнинга. Так сказать - база. С чего начать, куда и что впихнуть, а главное - что из этого получится. Решился я на такой пост из-за того, что многие просто не понимают - как это оно там крутится, да еще и лошадиные силы выдает. Вышел очень длиннопост - предупреждаю сразу. Итак, приступим-с.

Немного теории.

Мотор - это сердце машины. Именно он заставляет через сложную систему других деталей (коробка передач, редуктор, кардан, дифференциал, шрусы) вращать колеса.
На данный момент самые популярные это дизельные двигатели и бензиновые. Разница в потребляемом топливе и тем, как поджигается топливная смесь. В дизельных она самовозгорается от давления, в бензиновых ее поджигает искра от свечи. (есть также и некоторые другие отличия). Но не будем углубляться и остановимся на бензиновых двигателях.

Основные конфигурации двигателей бывают следующими: 

Это не говоря уж о X-образных, звездообразных, роторно-поршневых...

Если рассматривать двигатель как сендвич, то он примерно выглядит вот так (снизу вверх):

1. Масляный поддон. Выглядит как небольшая ванночка. Основная функция - сбор масла, которое циркулирует в двигателе. Вторичная - сбор металлической стружки, образовавшейся от трения деталей в двигателе. Для этого там обычно есть (на самом дне) магнитики, куда она (стружка) собсно и прилипает. Отсюда масло захватывает маслозаборник и оно снова попадает в систему.

Существуют системы сухого картера  - это когда масло хранится не в поддоне, а в стороннем резервуаре. Эта штука дорогая и потяжелее обычного поддона. Но есть ряд преимуществ: отсутствие масляного голодания; уменьшение размеров и снижение центра тяжести двигателя ввиду меньших размеров картера; лучшее охлаждение масла; некоторое увеличение мощности двигателя за счет снижения сопротивления масла коленчатому валу.

Что такое картер:

2. Блок цилиндров. Бывает чугунным или алюминиевым, отливается целиком. Здесь у нас находится кривошипно-шатунный механизм. Звучит страшновато, но на самом деле это всего лишь коленчатый вал, поршни, шатуны, маховик и сопутствующие части. 

Вот вам картинка для наглядности. 

Блок цилиндров:

От возгорание топлива в камере сгорания, поршень приводит в движение коленвал через шатун. Коленвал вращает маховик - а оттуда дальше уже коробку передач, которая в свою очередь через кучу других нужных и важных деталей приводит в действие колеса. 

3. Головка блока цилиндров (их может быть несколько, в зависимости от конфигурации двигатели). В основном здесь у нас находятся клапана с причиндалами, свечи, распредвалы. 
С одной стороны коленвала - маховик, а с другой шкив коленвала, который вращаясь приводит в действие ремень ГРМ, который вращает распредвалы, заставляя последовательно открываться и закрываться клапана. Также на этот шкив обычно навешивают: масляную помпу, тосольную помпу, генератор, кондиционер и гидруосилитель руля. 
К ГБЦ подходит впускной коллектор и дроссельная заслонка - собсно которой мы и управляем, нажимая на газ. От ГБЦ отходит выпускной коллектор и идет дальше на выхлопную трубу.

ГБЦ со стороны блока цилиндров. Кругляшки это клапана, дырка посередине - это свечной канал. Разной формы отверстия по бокам - тосольный и масляные каналы.

4. Клапанная крышка. Закрывает ГБЦ. Обычно в ней есть отверстия под свечные каналы - чтобы можно было поставить катушки на свечи или подвести от катушек провода. 

Двигатели бывают инжекторные и карбюраторные. Инжекторные - оптимальное значение топливной смеси достигается путем компьютерных измерений и форсунок, установленных для подачи топлива непосредственно в цилиндр. В карбюраторных работает физика и механика, там подача топлива регулируется жиклерами. Вообще карбюраторы бывают разными, но мы не будем заострять на этом внимание. На данный момент 90 процентов двигателей - инжекторные.

Как это все работает? 
Через дроссельную заслонку воздух поступает во впускной коллектор. Открывается впускной клапан, воздух разряжением, создаваемым поршнем, который идет вниз, заталкивается внутрь двигателя. Туда же впрыскивается бензин. Клапан закрыт. Поворот коленвала заставляет поршень эту смесь сжать. Свеча подает искру, смесь возгорается и расширяется, чем толкает поршень вниз. Это называется рабочий ход. После него открывается выпускной клапан и отработавшие газы поршнем выталкиваются в выпускной коллектор. Затем все повторяется снова. Так работает 4-х тактный двигатель.

От теории к практике.
А теперь поговорим о способах увеличения КПД. Глобально есть два способа увеличить мощность двигателя: 
1. Повысить мощность сгораемой смеси. 
2. Снизить массу движущихся частей.

Способ первый.
Остановимся на первом способе. И что нам делать то? 
Во-первых - можно бахнуть больше бензина с воздухом внутрь. Что нам для этого нужно сделать? В инжекторном двигателе сколько бахнуть бензина определяет компьютер рассчитывая на оптимальное соотношение бензина к воздуху (14.7 частей воздуха на 1 часть бензина). Для этого есть два способа: MAF и MAP
MAF - не углубляясь в расшифровки, это когда на впуске стоит датчик, который считает сколько воздуха пришло.
MAP - байда посложней, она оценивает давление во впускном коллекторе (отсюда воздух распределяется по цилиндрам) и температуру приходящего воздуха. А уже потом рассчитывает по формуле сколько воздуха пришло.
И что мы можем? Мы можем поставить турбокомпрессор. Или турбонагнетатель. И то, и то нужно для того, чтобы принудительно закачать во впускной коллектор воздух. То есть создать давление. Это называется наддув.

Турбокомпрессор выглядит вот так:

Турбонагнетатель вот так:

Разница в том, что крыльчатка компрессора приводится в действие потоком отработавших газов, а нагнетатель - коленвалом через шкивы и ремень. Тут есть свои тонкости. Турбокомпрессор работает... скажем на определенном диапазоне оборотов двигателя. Пока он до него дойдет - мощность не увеличивается. Это время от старта двигателя до того самого диапазона оборотов называется турболаг. У турбин поменьше он соответственно меньше (но и мощность ниже), а у турбин побольше - больше (но и мощность выше.)
У турбонагнетателя турболаг отсутствует. Он сразу начинает свою работу. Но сжирает мощность двигателя - около 30 процентов. Да, мощности он прибавляет, но скажем чем больше нагнетатель - тем он больше и мощности отнимает. В общем - тут надо найти компромисс. Это все в очень общих чертах, потому что есть турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, у которых нет турболага (или есть, но не такой серьезный), а так же есть множество разновидностей, вроде би-турбо (последовательные турбины, поменьше работает на малых оборотах, побольше - на высоких) , твин-турбо (две одинаковые турбины, которые берут поток отработавших газов только от половины цилиндров). Короче говоря - тема для отдельного поста. Для тех, кто хочет знать больше - все написано до меня пользователем MasterWRC:
http://pikabu.ru/story/turbonagnetateli_dvs_chast_13_2625366

Ну вот дали мы давление во впускной коллектор, теперь топливной смеси больше... но мы забываем, что изначально мотор не был рассчитан под такие нагрузки. Установка турбины тянет за собой другой тюнинг:

1. Тюнинг топливной системы: более мощный насос, топливная рампа с более мощными форсунками (инжекторами), другой топливный регулятор. А еще придется лить 98 бензин, как минимум

2. Охлаждение. Повысилась температура в двигателе, что не есть хорошо и может привести к поломкам. Так что желательно поставить отдельный масляный радиатор (если таковой не был установлен) и тосольный радиатор бОльшего размера. Да, и масло требуется другое. 

2. Установка более "злых" распредвалов. Злые они тем, что увеличивают поднятие клапана, чтобы больше смеси попало в цилиндр. 

4. Доработка ГБЦ. Другие клапана и так далее, чтобы выдержали более мощное возгорание смеси.

3. Всякие прибамбасы к турбокомпрессору, вроде интеркулера, байпасса/блоу-оффа и так далее (об этом подробнее в серии постов MasterWRC). Еще, чтобы регулировать давление наддува - понадобится буст-контроллер. Еще некоторые ставят фильтр нулевого сопротивления - весьма спорная штука, хочу заметить.

4. Смена ШПГ (Шатунно-поршневая группа) или всего КШМ. В некоторых случаях можно не менять, многие стандартные ШПГ спокойно держат увеличение небольшое увеличение мощности.

5. Установка прямоточного глушителя, без катализатаров, с ровными изгибами (а желательно вообще без таковых). Это нужно, чтобы двигателю было легче избавляться от выхлопных газов, учитывая что после установки турбины - ему еще и крыльчатку вращать (в случае с турбокомпрессором). 

Есть еще один способ наддува - резонансный наддув. На нем отдельно останавливаться не буду, он в основном используется на мотоциклах и дает не очень большую прибавку мощности.

Да... что не сделаешь в погоне за мощностью:

Второй вариант - увеличить степень сжатия топливной смеси. При этом придется переходить на более высокооктановое топливо, чтобы избежать детонации. (Нормальная скорость горения смеси в цилиндре – десятки метров в секунду (обычно, в пределах 30-40, для бензина). Скорость детонации – километры в секунду (не менее полутора). Для нормальной эксплуатации двигателя это явление чрезвычайно опасное.) Это делается двумя способами:
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.

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)

менее 8 - 76 бензин

от 8 до 9 - 80 бензин

от 9 до 10.5 - 92 бензин

от 10 до 12.5 - 95 бензин

от 12 до 14.5 - 98 бензин

от 13.5 до 16 - 102 бензин

Еще вариант - чип-тюнинг. Изменить соотношение воздуха и бензина не в сторону оптимального, а в сторону максимальной мощности с помощью мозгов вашего авто или пигги-бэк устройств (пигги-бэк подменяет сигналы мозга, в основном ставится в такие машины, где заводом не предусмотрен чип-тюнинг).
Соотношение бензина/воздуха (AFR), в котором вся смесь полностью сгорает считается стехиометрической (идеальной). Для бензина / дизеля соотношение равно примерно 14.7 частей воздуха к 1 части топлива (14.7:1).

Смесь, с большим (чем идеальное) соотношением топлива к кислороду называют богатой, соответственно смесь где больше воздуха (больше чем в идеальной) — бедной.

По сути, практически во всех случаях, богатая смесь должна быть целью, это намного безопаснее и надежнее для двигателя т.к. бедная смесь быстрее воспламеняется и возрастает нагрузка на двигатель.

AFR | Отношение данной смеси от идеальной| Результат

14:1 | 1 | Стахиометрия (идеал)

12.8:1 |0,87 | Безопасное увел. крут.момента

12.2:1 | 0,83 | Среднее увел. крут.момента

11.76:1 |0,8 | Значительное увел. момента

11.01:1 |0,75 | Топливо сгорает в цилиндре очень быстро

В таблице приведены основы влияния AFR на поведение двигателя и динамику машины и должны служить в качестве общего руководства при определении соотношения воздух/топливо на мощность автомобиля с полностью открытым дросселем. 

Для такого чип-тюнинга вам также вам понадобиться широкополосный лямбда зонд. Лямбда-зонд — датчик кислорода в выпускном коллекторе двигателя. Позволяет оценивать количество оставшегося свободного кислорода в выхлопных газах. Узкополосный позволяет в основном оценивать соотношение от 14.2 до 15.0 к 1, а широкополосный от 7,35 до 22,39

Следующий вариант: впрыск водометанола. Это штука подает в цилиндр, кроме стандартного бензина и воздуха смесь 50\50 (в основном) воды и метилового спирта. Это повышает октановое число бензина (следовательно - мощность) и дополнительно охлаждает мотор. 

А также всем известная, кто хоть раз играл в NFS - NOS, система закиси азота.

Системы закиси азота являются одним из наиболее эффективных способов увеличить поток кислорода (когда закись азота подается в двигатель, теплота сгорания разрушает химическую связь N2O, снабжая двигатель большим количеством атомарного кислорода), а, соответственно, и топлива в двигатель. Подающаяся в состав смеси в виде сжиженного газа, закись азота приводит к её немедленному охлаждению, так как температура испаряющегося сжиженного газа всегда значительно ниже температуры окружающей среды. Атомы азота, выделяемые при распаде N2O, не дают смеси детонировать.

Существуют три типа систем закиси азота: так называемые «сухая», «мокрая» и система прямого впрыска закиси азота.

«Сухая» система закиси азота. Топливо, требуемое для получения дополнительной мощности с помощью закиси азота, подается через топливные инжекторы (топливо производит мощность, закись азота просто позволяет сжечь большее количество топлива), что позволяет впускному коллектору оставаться «сухим» от топлива. 

«Мокрая» система закиси азота. Эти системы, включая системы с карбюраторными пластинами, добавляют закись азота и топливо одновременно, в одном и том же месте (обычно на расстоянии 3-4" от дроссельной заслонки для двигателей с впрыском или прямо под карбюратором для систем с пластинами). Этот тип системы делает впускной коллектор «мокрым» от топлива. Этот тип систем лучше всего использовать с коллекторами, разработанными для мокрого потока, и на турбированных/наддувных двигателях.

Система прямого впрыска закиси азота.  Как следует из названия, система поставляет закись азота и топливо непосредственно в каждое впускное отверстие двигателя. Системы этого типа, как правило, добавляют закись азота и топливо вместе через форсунки. Форсунки смешивают и отмеряют закись азота и топливо, доставленные в каждый цилиндр. Это самый мощный и один из самых точных типов систем, что достигается как размещением форсунок в каждом впускном отверстии, так и возможностью использовать большие клапаны соленоидов. Существует возможность контролировать соотношение закись азота/топливо для каждого цилиндра индивидуально. Системы прямого впрыска являются еще и самыми сложными в установке. В связи с этим, а также с их высокой мощностью, эти системы применяются в основном на гоночных автомобилях.

Фух, вроде все описал. Второй способ.
Можно снизить вес запчастей. Например установить облегченные шкивы, кованые поршни, облегченный маховик. 
К тому же можно сбросить навесное оборудование. Например снять водяную помпу и поставить электрическую. Снять ГУР и поставить электро-ГУР. Если уж совсем по экстриму - снять вообще все навесное, включая генератор. Для этого перед заездом придется заряжать аккумулятор самому. А все остальные устройства заменить аналогами работающими от электричества. Насос кондиционера - выкинуть совсем. Тут уже либо мощность, либо комфорт. 

Так... надеюсь ничего не забыл. Ну вот, теперь вы имеете базовое представление о тюнинге двигателя, всем спасибо за внимание :)