Как определить ход поршня?
Двухтактные двигатели, как правило, устанавливают на более дешевые, простые мотоциклы, на которых в основном и ездят все новички. Область применения четырехтактных моторов — более серьезные машины, требующие уже определенного опыта эксплуатации.
Причины такого разделения «сфер влияния» станут понятны, если мы рассмотрим, чем в принципе отличаются одни двигатели от других.
Главные аргументы двухтактных двигателей — простота конструкции и дешевизна изготовления. Ведь у них все операции рабочего цикла осуществляются одним и тем же элементом — поршнем. Он во время своего движения открывает впускное окно, через которое в кривошипную камеру засасывается рабочая смесь; предварительно сжимает ее в этой камере до 1,25— 1,5 кг/см2; открывает перепускные каналы, по которым рабочая смесь попадает в надпоршневое пространство; сжимает ее снова и, уже при движении вниз, открывает выпускное окно для выхода отработавших газов. В его юбке имеются специальные вырезы, или окна, соответствующие по конфигурации окнам в цилиндре. В канавках для поршневых колец устанавливаются штифты, предохраняющие кольца от проворачивания, попадания стыков в окна и, следовательно, от поломок.
Как видим, процесс впуска и выпуска решен конструктивно и регулировкам не подлежит. Это, конечно, намного упрощает эксплуатацию мотоцикла.
Иное дело — двигатель четырехтактный. В нем впуск и выпуск осуществляются самостоятельными клапанами, приводимыми в движение через рычаги или толкатели от кулачкового (распределительного) вала. Вал этот, в свою очередь, связан с коленчатым валом двигателя и должен обеспечивать открывание и закрывание клапанов в моменты, когда поршень находится в строго определенном положении. Весь этот механизм называется газораспределительным. В процессе работы его детали постепенно изнашиваются, и со временем приходится делать регулировку. Операция эта, конечно, стоит не в одном ряду с хирургическими, но все же требует навыка. Неумелая регулировка сразу скажется — двигатель потеряет мощность, «застучит», а то и вовсе выйдет из строя.
Из сказанного, вроде бы, можно сделать вывод, что двухтактный мотор — мечта мотоциклиста. Но посмотрим на дело с другой стороны. Вернитесь к той фразе, где мы даем определение двух- и четырехтактным двигателям. Нашли ее? Обратите внимание: ведь по этому определению получается, что двухтактные двигатели при одних и тех же размерах с четырехтактными должны быть вдвое мощнее! А на практике это далеко не так! В чем же тут дело?
Причина этого кажущегося парадокса в той самой простоте устройства, которая так подкупила при первом знакомстве. Поршень выполняет слишком много функций. Он не в состоянии «заткнуть все дыры». Несмотря на различные ухищрения, улучшающие продувку (особое направление перепускных каналов, специальные выступы на головке поршня и т. д.), цилиндры двухтактных двигателей все-таки плохо очищаются от продуктов сгорания. Как следствие, в них поступает относительно меньше свежей смеси, процесс горения протекает хуже, и, значит, неизбежно падает мощность. В то же время при выпуске отработавших газов вместе с ними «вылетает в трубу» большое количество свежей смеси — происходит так называемый «прямой выброс». Он один увеличивает расход топлива на 20—30%. А кроме него еще существует и обратный выброс — в карбюратор1 На мотоциклах старых типов с открытым сетчатым воздухофильтром потери от обратного выброса доходили до 20—25%.
Но двухтактный двигатель не только гораздо «прожорливее» четырехтактного. По причинам*, только что рассмотренным, он еще и заметно сильнее загрязняет воздух. Этот последний довод всего десяток лет назад мало кем воспринимался всерьез. А сейчас он становится одним из главных и, надо полагать, со временем может существенно повлиять на долю тех или иных двигателей в общем выпуске.
И все же, как бы там ни было, простота устройства остается одним из самых желанных качеств мотоцикла в целом и двигателя в частности, ибо она залог надежности. Если с этой позиции рассмотреть, например, вопрос, сколько цилиндров должен иметь двигатель, то можно увидеть интересные закономерности, а иногда и противоречия.
Как определить ход поршня?
Двухтактные двигатели, как правило, устанавливают на более дешевые, простые мотоциклы, на которых в основном и ездят все новички. Область применения четырехтактных моторов — более серьезные машины, требующие уже определенного опыта эксплуатации.
Причины такого разделения «сфер влияния» станут понятны, если мы рассмотрим, чем в принципе отличаются одни двигатели от других.
Главные аргументы двухтактных двигателей — простота конструкции и дешевизна изготовления. Ведь у них все операции рабочего цикла осуществляются одним и тем же элементом — поршнем. Он во время своего движения открывает впускное окно, через которое в кривошипную камеру засасывается рабочая смесь; предварительно сжимает ее в этой камере до 1,25— 1,5 кг/см2; открывает перепускные каналы, по которым рабочая смесь попадает в надпоршневое пространство; сжимает ее снова и, уже при движении вниз, открывает выпускное окно для выхода отработавших газов. В его юбке имеются специальные вырезы, или окна, соответствующие по конфигурации окнам в цилиндре. В канавках для поршневых колец устанавливаются штифты, предохраняющие кольца от проворачивания, попадания стыков в окна и, следовательно, от поломок.
Как видим, процесс впуска и выпуска решен конструктивно и регулировкам не подлежит. Это, конечно, намного упрощает эксплуатацию мотоцикла.
Иное дело — двигатель четырехтактный. В нем впуск и выпуск осуществляются самостоятельными клапанами, приводимыми в движение через рычаги или толкатели от кулачкового (распределительного) вала. Вал этот, в свою очередь, связан с коленчатым валом двигателя и должен обеспечивать открывание и закрывание клапанов в моменты, когда поршень находится в строго определенном положении. Весь этот механизм называется газораспределительным. В процессе работы его детали постепенно изнашиваются, и со временем приходится делать регулировку. Операция эта, конечно, стоит не в одном ряду с хирургическими, но все же требует навыка. Неумелая регулировка сразу скажется — двигатель потеряет мощность, «застучит», а то и вовсе выйдет из строя.
Из сказанного, вроде бы, можно сделать вывод, что двухтактный мотор — мечта мотоциклиста. Но посмотрим на дело с другой стороны. Вернитесь к той фразе, где мы даем определение двух- и четырехтактным двигателям. Нашли ее? Обратите внимание: ведь по этому определению получается, что двухтактные двигатели при одних и тех же размерах с четырехтактными должны быть вдвое мощнее! А на практике это далеко не так! В чем же тут дело?
Причина этого кажущегося парадокса в той самой простоте устройства, которая так подкупила при первом знакомстве. Поршень выполняет слишком много функций. Он не в состоянии «заткнуть все дыры». Несмотря на различные ухищрения, улучшающие продувку (особое направление перепускных каналов, специальные выступы на головке поршня и т. д.), цилиндры двухтактных двигателей все-таки плохо очищаются от продуктов сгорания. Как следствие, в них поступает относительно меньше свежей смеси, процесс горения протекает хуже, и, значит, неизбежно падает мощность. В то же время при выпуске отработавших газов вместе с ними «вылетает в трубу» большое количество свежей смеси — происходит так называемый «прямой выброс». Он один увеличивает расход топлива на 20—30%. А кроме него еще существует и обратный выброс — в карбюратор1 На мотоциклах старых типов с открытым сетчатым воздухофильтром потери от обратного выброса доходили до 20—25%.
Но двухтактный двигатель не только гораздо «прожорливее» четырехтактного. По причинам*, только что рассмотренным, он еще и заметно сильнее загрязняет воздух. Этот последний довод всего десяток лет назад мало кем воспринимался всерьез. А сейчас он становится одним из главных и, надо полагать, со временем может существенно повлиять на долю тех или иных двигателей в общем выпуске.
И все же, как бы там ни было, простота устройства остается одним из самых желанных качеств мотоцикла в целом и двигателя в частности, ибо она залог надежности. Если с этой позиции рассмотреть, например, вопрос, сколько цилиндров должен иметь двигатель, то можно увидеть интересные закономерности, а иногда и противоречия.
Радиус кривошипа: определение и расчет
Двигатель внутреннего сгорания и другие конструкции, в состав которых входит кривошип, характеризуются достаточно высокой сложностью. Рассматриваемый элемент конструкции характеризуется довольно большим количеством особенностей, среди которых отметим радиус. Для того чтобы понять принцип действия и многие другие параметры детали следует рассмотреть кривошип подробнее.
Устройство КШМ
Схема стандартного кривошипа представлена сочетанием различных элементов, которые и обеспечивают передачу с перенаправлением вращения. Они следующие:
Все эти детали расположены в двигателе в блоке цилиндров. Полезная КПД находится в обширном диапазоне, может быть достаточно большим. Рассматривая чертеж следует уделить внимание тому, что все элементы должны точно позиционироваться относительно друг друга.
Поршень
Важным элементом механизма зачастую становится поршень. Это связано с тем, что во время движения поршня создается требуемое давление. Особенностями назовем следующие моменты:
Для обеспечения требуемой степени герметизации на этой детали делают несколько проточек, предназначение которых заключается в расположении герметизирующих колец.
Шатун
Еще одним важным элементом можно назвать шатун. Его предназначение заключается в связи поршня и коленвала. За счет этого обеспечивается передача механического действия. Ключевыми особенностями назовем следующее:
В месте непосредственного контакта шатуна с коленчатым валом находится шатунная шейка. Нижняя часть выполнена в разъемном виде, за счет чего можно провести демонтаж.
Коленчатый вал
Устанавливается вал кривошипа в механизме для второго этапа преобразования энергии. За счет этого элемента есть возможность провести превращение поступательного движения поршня в возвратно-поступательное. Стоимость подобного изделия довольно высока, так как он обладает сложной геометрией. Радиус кривошипа также зависит от различных моментов. Особенности вала следующие:
При изготовлении этого элемента применяется сталь, которая характеризуется высокой устойчивостью к нагреву и механическому воздействию.
Маховик
У двигателя также есть маховик, который является важным конструктивным элементом. Сред особенностей отметим:
Маховик должен иметь точные размеры, так как даже незначительные отклонения могут привести к серьезным последствиям. Он устанавливается для выполнения различных функций.
Блок и головка блока цилиндров
Все детали расположены в герметичном корпусе, который называется блоком. Его размеры характеризуются высокой точностью, есть охлаждающий пояс. Для облегчения конструкции и эффективного отвода тепла применяется алюминий.
Головка блока цилиндров накрывает основную часть. Она позволяет проводить обслуживание при необходимости. При ее изготовлении также применяется металл с небольшим весом. В верхней части есть отверстия для подключения других узлов, а также отвода продуктов горения.
Какими параметрами определяется ход поршня
Выделяют достаточно большое количество различных признаков, по которым проводится определение хода поршня. Среди особенностей отметим:
Двигатель работает в несколько тактов, за счет чего обеспечивается сгорания топлива и отведение продуктов горения. Ход устройства также определяется двумя мертвыми точками.
Как определить радиус кривошипа
Приведенная выше информация указывает на то, что радиус кривошипа является важным параметром, который рассматривается при обслуживании и в других случаях. Определяется этот показатель расстоянием между осевой линией вращения коленчатого вала и осевой лини шатунной шейки.
Стоит учитывать, что с изменяемым радиусом кривошипа встречается относительно небольшое количество различных устройств. Этот параметр во многом определяет плавность хода, а также многие другие моменты.
В заключение отметим, что при изготовлении кривошипа применяется сталь, которая прошла дополнительную термическую обработку и другое улучшение. Самостоятельно изготовить его практически не возможно, что связано с высокой точностью размеров и сложностью обработки материала.
R/S двигателя — пояснение и реальный пример
Добрый день, уважаемые любители автомобилей.
В этой записи мы продолжим рассматривать геометрию ДВС, а конкретнее поговорим об отношении длины шатуна к ходу поршня (Rod length / Stroke ratio по-английски отсюда и сокращенно R/S). Хочу отметить, что этой теме среди так называемых любителей тюнинга отведена отдельная «мифическая» глава, потому что каждый из них трактует параметр R/S и на что он влияет по-своему, и что примечательно, с разными выводами!
Почему же так происходит? Дело в том, уважаемый читатель, что отношение R/S не является интуитивным параметром в дизайне двигателя. В этом блоге мы не будем полагаться на спекуляции и чьи либо мнения, а самостоятельно расчитаем и рассмотрим на реальном примере свойства R/S. В идеале, для рассмотрения эффекта R/S нам нужно изолировать этот параметр в уравнении. Вопрос, как это сделать? Что же, есть вопрос, есть и ответ. Посмотрим еще раз внимательно на Рис. 1 из предыдущей части. (Продублирован ниже). Мы можем найти мгновенное расстояние между осью коленвала и осью поршневого пальца «s«, как функцию от мгновенного угла проворота коленчатого вала, куда входят константы l и a. Напомню, что a = 2L для любого двигателя. Отсюда мы и получим ту самую связку l и L. Здесь нет ничего выдающегося, это простая геометрия на уровне 7-го класса. R/S мы рассмотрим через мгновенную скорость, для этого нам нужно найти ds/dt (продифференцировать по времени). Скорость = расстояние/время.
Для тех, кто рассуждает об R/S без вычислений на данном этапе лежит первый камень предкновения — функция скорости поршня нелинейна! Это значит, что при движении вниз (от ВМТ до НМТ) поршень разгоняется, а затем замедляется в одном такте, после чего он разгоняется вверх от НМТ и замедляется к ВМТ. За 360 градусов (один проворот коленчатого вала) поршень совершает две мгновенных остановки, одну в ВМТ и одну в НМТ, соответственно, где его скорость на какие-то доли секунды равна нулю. Представив все это в уме, одновременно анализируя изменения констант l и a дело не легкое, согласитесь.
Доказательство вывода мгновенной скорости поршня приведено внизу этой записи (Рис. 8) — отложим пока его в сторону. Для того, чтобы мы были «на одной волне» при рассмотрении реального примера необходимо сказать пару слов по поводу мощности и момента. Этой теме я отведу отдельную запись, где поясню подробно что такое работа, различные кпд и тд. Пока что нам надо условиться, что мощность и момент связаны друг с другом. Крутящий момент измеряется усилием на плечо, (на реальном двигателе с помощью динамометра), обычно в еденицах [N.m].
Brake Power (мощность) связана с моментом через угловую скорость, назовем «omega», где
omega = 2*pi*N.
Выше, N — обороты двигателя в секунду. pi — число ‘пи’ 3.14159265…
Из этого следует, что мощность выраженная через момент, W(brake power) = omega*T = 2*pi*N*T
Есть еще такое понятие как «mean effective pressure» (mep) — показатель некоего среднего давления в цилиндре. Ни смотря на то, что расчитанное усредненное давление «brake mean effective pressure» (bmep) показатель весьма условный он дает представление об общей эффективности двс при практическом сравнении определенных классов двс.
bmep может находится как через мощность так и через момент, нет абсолютно никакой разницы.
Для примера,
bmep = 2*pi*T*nr / Vd;
где nr = 2 для 4-х тактного мотора и nr = 1 для двухтактного мотора, а Vd объем
Аналогично,
bmep =
где W(brake power)
Теперь перейдем к самому интересному. Я специально подбирал двс от одного производителя, максимально похожий по всем параметрам, за исключением R/S. Это должна была быть заводская конфигурация. Для примера взяты моторы Alfa Romeo Twin Spark 16V. Первый объемом 1.8 л и второй 2.0 л в их последнем поколении. Упомянутые 4-х цилиндровые моторы имеют 16 клапанов на цилиндр, идентичный впукной коллектор с изменяемым объемом, идентичные головки цилиндров с идентичными фазами ГРМ. Сравнительные параметры приведены в Таблице 1. Основные отличия между этими моторами в поршнях, (Рис. 2) коленчатом вале, наличием балансирных валов на версии 2.0 и небольшие отличия самого блока. Соответственно, различия, в основном, в ходе поршня. То, что надо!
Как видно из Таблицы 1, мотор 1.8 с геометрией цилиндра
0.99) обычно рассматривается, как более спортивный, оборотистый мотор, имеет R/S
1.75, в то время как более объемный 2-х литровый обладает длинно-ходовой характеристикой (B/S
1.59. Прошу заметить, что оба мотора имеют одинаковую длину шатуна = 145 мм.
Из Таблицы 1 видно, что bmep при максимальном моменте выше для двигателя 1.8, 11.72 бара против 11.55 бара у двухлитрового и в пиковой мощности тенденция сохраняется 10.9 против 10.7. Для лучших атмосферных двигателей, таких как F1 (в прошлом) и американский NASCAR Сup, значения bmep при пиковой мощности находятся в районе 14 — 15 баров. Как показывает практика, планка в 14 баров обычно недостижима для бензинового атмосферного двигателя, с типичной степенью сжатия где присутствует требования к бюджету и надежности.
Вернемся к R/S. На Рис. 3 я построил кривую скорости для двух двигателей, которую мы вывели ранее, для пиковой мощности. По абсциссе располагаются углы проворота коленчатого вала «Crank Angles» C.A. и по оси ординат скорость поршня в [m/s]. На Рис. 3 видно, что пиковая скорость достигается до 90 градусов, а конкретнее 75 градусов проворота для 1.8 и 74 градуса для 2.0. Для данных R/S мы видим, что поршень разгоняется несимметрично относительно середины проворота коленчатого вала в 90 градусов. Еще, мы видим, что при максимальной мощности, пиковая скорость поршня выше для 2-х литрового двигателя.
Отсюда возникает интересный вопрос:«как отличается амплитуда скорости по сравнению с неким эталоном?» Давайте возьмем за эталон уже упомянутые мельком двигатели формулы 1 и NASCAR Cup. Данные, которые есть для атмосферного мотора примерно 10-ти летней давности хорошо подойдут для сравнения. И так, у F1 2.4л V8, длина шатуна 102 mm, ход 39.77, просто огромнейшее отношение R/S = 2.56, пиковая мощность достигается примерно на 19250 об/мин и составляет 750 bhp и весьма скромным моментом 290 N.m на 17000 об./мин. преимущественно из-за маленького радиуса коленвала. У двигателя Cup 5.86л V8, длина шатуна 157.48 mm, ход 82.55, отношение R/S = 1.91. Максимальная мощность достижима при 9000 об./мин. и составляет >800 bhp, пик крутящего момента при 7500, более чем в два раза превышает F1. Посмотрим на скорости поршня при максимальной мощности на Рис. 4 и сравним с нашим 2.0 литровым примером.
Оба гоночных двигателя существенно превышают максимальную скорость поршня нашего 2-х литрового мотора, при этом поршни в F1 достигают такой внушительной максимальной скорости за счет высоких оборотов. Ускорения в ВМТ для F1 будут огромными, чтобы совершать такой рывок который позволит разогнать поршень до максимальной скорости за считанные милиметры. Предъявляемое качество к изготовлению деталей которые бы выдерживали такие нагрузки не требует дополнительных комментариев. Оба гоночных двигателя имеют R/S выше, чем наш 2.0 twin spark и пик максимальной скорости завален ближе к 90 градусам, конкретнее 76.5 для Cup и 80 градусов для F1. Все же нас больше интересует разница между нашими выбранными моторами. Часто, показывают нормализованную характеристику со средней скоростью поршня (для каждого случая своя). Это делается для того, чтобы избавится от привязки к оборотам двигателя. Рис. 5 иллюстрирует данное сравнение.
Посмотрим, что будет при изменении R/S и при всех других одинаковых параметрах на нашем моторе. Рис. 6 показывает, что при увеличении отношения R/S график становится более симметричным, пиковое значение смещается ближе к 90 градусам и амплитуда пика уменьшается. Если наоборот, уменьшать R/S, градиент нарастания скорости увеличивается, пиковое значение смещается ближе к ВМТ и амплитуда пика увеличивается. R/S меньше 1.3 не возможен из-за геометрических данных, сделав длину шатуна короче в блоке, сохраняя прежний ход. По мимо этого, вторичные ускорения выростают при уменьшении R/S. Также, завод изготовитель учитывает градиент нарастания скорости, где R/S неизбежно повлияет на импульс при всасывании топливо-воздушной/воздушной смеси в цилиндр, так и на нарастание объема и площади при горении.
Обсудим и ускорение. Первичное ускорение обладает наибольшей амплитудой с зеркально максимальными значениями в НМТ и ВМТ, как показано синей кривой на Рис. 7. Важно проверять ускорения в предельно нагруженных режимах, при наибольшей проектировочной скорости поршня (в красной зоне). Вторичное ускорение добавляет в ВМТ и компенсирует в НМТ. Это значит, что наибольшая нагрузка на шатуны именно в ВМТ. (На растягивание нагрузки опаснее, чем на сжатие). При малом R/S вторичное ускорение увеличвается, это вызвано более выраженным боковым отклонением большого конца шатуна. Следственно, могут повышаться вибрации. Иногда сумарное ускорение не имеет пика в НМТ, а до и после как показано на Рис. 7. Это один из признаков возможного возникновения вибраций. При R/S > 2.0 минимум лежит ровно в 180.
Заключение
В данной записи наглядно показано влияние R/S на характеристику скорости поршня рассматриваемых двух двс. На мой взгляд, инженеры Альфа Ромео пытались вносить изменения, которые бы, с одной стороны, помогли использовать идентичную впускную систему и головку блока, что они и сделали, а также лонично и внесение в конструкцию балансировочных валов на 2-х литровой версии в связи со снижением R/S. Более легкие поршни на 2-х литровой версии тоже весьма позитивный момент, учитывая их возросшие скорости.
#30 Идеальный турбониз
Настал тот день, когда мы определились с геометрией турбониза для 2112. Началось все с изучения теории, уже существующих проектов и общения с опытными коллегами. Выяснилось, что большинство людей не сильно беспокоятся о соотношении длина шатуна/ход поршня (rod/stroke) и диаметр цилиндра/ход поршня (bore/stroke). Основная масса двигателей собирается по принципам:
— У Васи таз «валил» и я себе соберу двигатель как у него;
— Объем — это основной параметр, надо воткнуть самый длинный коленвал.
Но мы не были бы собой, если не подошли к изучению этого вопроса детально, разобравшись какой конфиг низа будет оптимальным. Я не хочу сказать, что такой блок собирается впервые, и это решение является единственно верным, но однозначно это нетипичный случай.
Начнем с первого параметра — соотношение длины шатуна к ходу поршня:
В англоязычной литературе это соотношение именуется R/S – rod to stroke ratio, и ему уделяется достаточно серьезное внимание при доработке моторов. Многие источники считают, что «золотой серединой» является величина R/S, равная 1,75. Вот для примера геометрия мотора HONDA В16А (объем 1587 см. куб., мощность 160 л.с.; это первый «гражданский» мотор, имеющий удельную мощность 100 л.с.\литр):
Длина шатуна ®: 134 мм;
Ход поршня (S): 77 мм;
Соотношение R/S=134/77=1,74 (что как видим практически близко к «золотой середине»).
Большой R/S позволяет получить хороший момент на средних и высоких оборотах, уменьшает трение пары «шатун-цилиндр».
Из минусов можно отметить: плохое наполнение цилиндров на низких и средних частотах вращения КВ, большая вероятность появления детонации из-за высокой температуры в камере сгорания и длительного времени нахождения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ).
Малый R/S обеспечивает очень хорошую скорость наполнения цилиндров на низких и средних частотах вращения КВ, так как скорость движения поршня от ВМТ больше, разряжение нарастает быстрее, что улучшает наполнение цилиндров. Более высокая скорость движения топливовоздушной смеси делает смесь более гомогенной (однородной), что способствует лучшему сгоранию. Более низкие требования к доработке и диаметрам каналов ГБЦ, чем на моторе с высоким соотношением R/S.
Минусы малого R/S: больший угол наклона шатуна, это значит, что большая сила будет толкать поршень в горизонтальной плоскости, увеличивается нагрузка на шатун (особенно на центр шатуна). Увеличение нагрузки на стенки блока цилиндров, большая нагрузка на поршни и кольца, увеличение рабочей температуры вследствие повышенного трения, как результат, более быстрый износ стенок цилиндра, колец, и ухудшении условий смазки. Износ этого участка зависит от величины смещения оси пальца относительно оси поршня и от значения максимального угла наклона шатуна, т.е. при применении «кованных» поршней со смещенным пальцем, износ будет меньше чем при применении стандартных поршней. Более короткий шатун также увеличивает скорость движения поршня, что влияет на износ и увеличение трения.
Наиболее весомым является зависимость ускорения поршня от длины шатуна. Большие значения ускорения положительно влияют на наполнение цилиндров на малых оборотах, что ведет к «тяговитости» двигателя в следствии лучшего наполнения. Но на высоких оборотах из-за инерционности потока во впускной трубе происходит эффект запирания на впускном клапане (т.е. объем цилиндра над поршнем растет быстрее, чем может заполняться через клапанную щель, что ведет к ухудшению наполнения и мощностных характеристик на высоких оборотах). В случае длинного шатуна на малых оборотах происходит обратный выброс смеси, но на высоких нет явления запирания.
Втором важным параметром является соотношение между ходом поршня и диаметром цилиндра:
Если ход поршня меньше диаметра цилиндра, соотношение меньше 1, получаем двигатель с коротким ходом (тип «super-square»). Если ход поршня и диаметра цилиндра равны, соотношение равно 1 (тип «square»). Если ход поршня больше диаметра цилиндра, соотношение больше 1, получаем двигатель с длинным ходом (тип «under-square»).
Двигатели с соотношением ход поршня /диаметр цилиндра меньше или равным 1, по сравнению с двигателями с длинным ходом, имеют следующее преимущество: они могут рассчитывать на меньшую среднюю скорость поршня при той же частоте вращения. Это означает меньшее температурное и механическое напряжение. Что касается продувки, двигатель с коротким ходом поршня имеет преимущество, поскольку свежие газы должны совершить меньший путь, для полной замены выхлопных.
Соотношение ход поршня /диаметр цилиндра, равное 1, идеальное решение для изготовления специального высокомощного гоночного двигателя (а также для использования на дорогах). Кроме того, сочетание преимуществ, свойственных двигателям с длинным и коротким ходом, позволяет рассчитывать на лучшее соответствие между перепускными и выхлопными окнами. Это решение позволяет окнам с идеальным соотношением высота/ширина обеспечивать лучшее «дыхание» двигателя при любых оборотах.
Для примера приведу пару двигателей, которые заслуженно получили популярность среди любителей тюнинга:
HONDA K20A: диаметр цилиндра – 86мм; ход поршня 86мм.
TOYOTA 2JZ-GTE: диаметр цилиндра – 86мм; ход поршня 86мм.
Теперь спроецируем вышеизложенную копипасту на блок цилиндров производства АвтоВАЗ:
Так как в качестве нагнетателя мы выбрали немаленькую для полуторалитрового двигателя Garrett GTX3076R, которая будет начинать раздуваться только с 3500-4500, если повезет, наша цель – получить максимальную отдачу на средних и высоких оборотах (от 3500 до 8500 об/мин.), для чего будет оптимальным R\S близкий к «золотой середине». Мы не стали гнаться за «эластичностью» двигателя, пытаясь распределить работу между железом, дав каждому узлу свой диапазон оборотов. На наш взгляд более комфортно передвигаться по городу в добустовом режиме без лишнего шума, а в случае необходимости пользоваться педалькой газа. Вдобавок доработка ГБЦ выполнена с тем же уклоном, но о ней позже.
Коленвал:
Блок двигателя ВАЗ 11193 имеет диаметр цилиндров 82мм, следовательно, для получения «квадрата» нам необходим коленвал с радиусом кривошипа 41мм, обеспечивающим ход поршня 82мм. Вспомнив, что у одного из знакомых в запасах есть коленвал производства Стольникова с ходом 82мм, мы его оперативно приобрели. Достаточно редкая деталь, так как их изготовление прекращено.
Шатуны и поршни:
Зная параметры коленвала и требуемое соотношение R/S, мы можем определить оптимальную длину шатуна:
R/S=1,75
R=S*1,75=82*1,75=143,5мм.
Выбор H-образных кованных шатунов такой длины невелик, от продукции СТИ мы отказались сразу, остался вариант изготовить шатуны на заказ в FCP-Engineering, или внедрить 144мм Н-образную ковку производства Eagle для VAGовских двигателей объемом 1.8 литра. На последнем мы и остановились.
Шатунные шейки коленвала двигателя AWP VAG по параметрам почти идентичны ВАЗовским:
Диаметр шатунной шейки КВ ВАЗ – 47,83мм;
Диаметр шатунной шейки КВ VAG AWP – 47,778мм.
Что позволяет, сняв немного «мяса» с шатунных шеек КВ ВАЗ установить на него шатуны от VW. Еще одним аргументом в пользу 144 шатунов VW было то, что они предусмотрены под 20мм поршневой палец, а у нас как раз завалялся комплект кованных поршней от Дяди Жени под данный размер пальца, с компрессионной высотой 29мм и лужей 20 кубиков.
Блок цилиндров:
Блок цилиндров был приобретен из разряда «единорогов», высотой 199,5мм (на 2,4мм выше 21124 блока). В нем уже была нарезана резьба под шпильки ГБЦ М12 и установлены маслофорсунки. Точной информации по данному блоку я не нашел, могу ошибаться, но как утверждают на форумах, они изготавливались мелкими партиями для нужд автоспорта и обладают большим запасом прочности.
Адаптация выбранной ШПГ в блоке цилиндров ВАЗ:
Выполнив нехитрые расчеты, можно определить, что наша шатунно-поршневая группа (ШПГ) не помещается в блоке цилиндров, значительно превышая его высоту находясь в верхней мертвой точке:
(Компрессионная высота поршня+длина шатуна+радиус кривошипа) — высота блока цилиндров=разница высот между ШПГ и блоком.
(29+144+41)-199,5= 14,5мм
Минимум на 14,5мм нам необходимо увеличить высоту блока цилиндров.
