перекриття клапанів
Всі знають, що розподільчі вали це дуже важливий елемент тюнінгу і тим більше спортивного мотора. Багато часто чули про фазах, часу відкриття клапанів і т.д. Дуже часто, багато хто міг слухати розмови типу: а який мені краще поставити распредвал 264 або 272, а може 290. Насправді, це розмова ні про що.
Распредвали бувають різні - стік, тюнінг, тюнінг-спорт, повний спорт (кільце, драг), турбо ... У них різні завдання і цілі. У всіх у них різний діапазон роботи. Грубо, візьмемо DOHC мотор. Тюнинговий вал з фазами 25-65 / 70-20 (duration 270) поліпшить характеристики мотора з невеликою втратою на низьких оборотах, діапазон роботи 2500-7200 оборотів. Більш широкий вал, який можливо використовувати на машині, не призначеної тільки для гонок буде 40-70 / 75-35 (duration 290) - 4000-8200 оборотів. Якщо візьмемо мотор SOCH, то 280 duration (тюнінг вал) не погано працює в режимі 2500-6600 оборотів, а 310 duration - 4000-7800 це, напевно, вже оптимальний максимум для повного спорту.
Ті, хто дійсно бажає у цьому питанні розібратися, пропоную забути те що я вище написав.
Що б краще все це зрозуміти давайте віртуально збільшимо потужність, наприклад, стандартного 2.0 літра Дуратек мотор Форд фокус, який в стоці має потужність 145 кінських сил.
Уявіть, мотор - це чорний ящик, до якого підведені дві труби, в одну подається паливо, а в іншу повітря. У чорному ящику паливо змішується з повітрям, стискається, підпалюється, коротше відбувається реакція, в результаті чого виділяється енергія і на виході ця виконана робота (момент) передається на колінвал.
Кількість енергії залежить від маси згорілого палива і його калорійності. Але для підвищення потужності ми не можемо просто збільшити подачу палива тому для повного згоряння його, необхідно 14.6 частин маси повітря (на 1 одиницю маси палива 14.6 одиниць маси повітря). У нас немає проблем зі збільшенням палива, але ось з подачею повітря, якщо ми збираємося підключити до чорного ящика компрессор, є визначені труднощі.
1 ват визначається як потужність, при якій за 1 секунду часу відбувається робота в 1 джоуль. або це дорівнює 1 Дж = 1 кг • м² / с? = 1 Н • м. З урахуванням того що в нашому чорному ящику при згорянні палива виділяться енергія і звісно проводиться робота - колінвал передає момент, для того, щоб це перевести в момент (зусилля передається через плече) то ми можемо просто роботу * на 2Пі (2 * 3.14159), потім розділимо на кількість оборотів в секунду і отримаємо момент.
АБО ПОТУЖНІСТЬ (кВт) = МОМЕНТ (N-M) * N (обороти двигуна в секунду) /159.2
ПОТУЖНІСТЬ = МОМЕНТ * 2Пі * N
не лякайтеся цього рівняння, сьогодні ми з нього розглянемо тільки 2 значення (цього буде достатньо для розуміння суті), решта хай буде незмінним
Для чого я все це написав. Головне, щоб Ви зрозуміли від чого залежить момент і потужність:
Момент залежить від кількості виділеної енергії при згорянні палива (звичайно поки опустимо всілякі втрати, ефективність, калорійність, ККД - не в цьому суть). А кількість палива безпосередньо залежить від надходження повітря.
Потужність залежить від моменту і оборотів двигуна. Якщо момент залишиться незмінним, але ми підвищимо обороти то потужність зросте.
Так як же нам підвищити потужність на цьому моторі? Якщо ви просто будете крутити ваш мотор, то потужність від цього тільки зменшиться тому VE (Volumetric efficiency) зменшаться і після 6000 обертів падіння коефіцієнта наповнення становить нижче 88% - це як обсяг Вашого мотора з підвищенням обертів зменшиться.
Так звичайно можна встановити нагнітач повітря, можна фізично збільшити об'єм двигуна (робочий об'єм), але сьогодні будемо робити по-іншому. Давайте для початку просто пересунемо VE (Volumetric efficiency) з точки максимального моменту, скажімо на 6500 оборотів. Раніше у нас там було значення 88%, отже, воно стане 95%. В результаті ми без проблем отримаємо 170 сил на 6500 оборотах (не погано).
Взагалі які бувають максимальні значення об'ємної ефективності у атмосферних моторів? Сучасні 4 клапани на циліндр мотори: 92-95%. Тюнінг легкий до 105%. NASCAR - 110%. Мотори з вільним впуском (Weber карбюратори, заслінка на кожен циліндр) відмінний випускний колектор -110-115%. Гоночний мотор - 120-125%.
Що впливає на VE (Volumetric efficiency)? чому вона на стік машинах така не велика (2 клапани на циліндр максимум 80-85%) на стік моторах:
- Втрати в системі впуску, чим більше всіляких перешкод, вигинів тим більше втрати. На турбо моторах (через інтеркулера, пайпінга) нормальне явище втрати в межах 0.2 бару, якщо порівняти ефективність турбо мотора 4 клапани на циліндр, без обліку надлишкового тиску, то воно складемо не більше ніж на моторі з 2 клапанами на циліндр.
- Підвищення температури повітря, що поступає і як наслідок зменшення щільності повітря і звичайно його маси.
- циліндри в повному обсязі очищаються від відпрацьованих газів, їх обсяг може становити більше 5%. Відповідно зменшаться в такій же кількості і надходження свіжого повітря.
- Зворотне тиск в системі впуску
Якщо скласти всі ці втрати, то вони складуть набагато більше ніж 5%, яких нам бракує до 100% на моторі форд фокус. А ось за це і відповідає настройка системи впуску / випуску та распредвал. На стік моторах вона налаштована на режим круїз і максимального моменту. Тому саме там зазвичай і є максимальні значення VE (Volumetric efficiency).
Ну ось, тепер поговоримо про распредвалах. Що і навіщо взагалі распредвал в моторі робить? робить він просту і не складну роботу - відкриває і закриває в потрібний момент клапана. Щоб краще зрозуміти його роботу давайте згадаємо що означає 4 тканий мотор.
Все дуже просто: 1 такт - впускний, 2 такт - стиск, 3 такт - робочий хід і 4 такт - випуск.
Тепер додамо до цих 4 тактів ще 4 дуже важливі процеси:
Впускний клапан відкритий - ВКО
Випускний клапан відкритий - ВиКО
Впускний клапан закритий - ВКЗ
Випускний клапан закритий - ВиКЗ
Але щоб зрозуміти, як домогтися 125% VE (Volumetric efficiency) на атмосферному моторі цього нам мало. Тому розглянемо 7 тактів (подій) які пов'язані між собою, які відповідають за наповнюваність циліндрів, за всі процеси, пов'язані з повітрям і газами.
ПРОЦЕС 1 - впуск (ВСМОКТУВАННЯ) (INTAKE PUMPING)
Починається відразу після того як випускний клапан закривається (ВиКЗ) в момент перекриття клапанів (overlap) кілька градусів після верхньої мертвої точки ВМТ циліндра. Впускний клапан (ВК) вже частково відкритий і швидко рухається поршень вниз починає всмоктувати паливо повітряну суміш через впускний канал. Поршень набирає швидкість і десь близько 75 * після ВМТ досягає свого максимуму і тому в циліндрі створюється низький тиск. ВК повністю відкривається близько 108 * (градусів) після ВМТ. Процес впуску (всмоктування) закінчується, коли поршень зупиняється в своїй нижній мертвій точці (НМТ). У цей момент ВК все ще повністю відкритий.
ПРОЦЕС 2 - впуск (утрамбовкой) (INTAKE RAMMING)
Починається в момент, коли поршень змінює свій напрямок, починає рухатися вгору, але при цьому ВК починає закриватися. Паливно-повітряна суміш продовжує надходити в циліндр (утрамбовуватися). З рухом поршня вгору, тиск в циліндрі починає зростати, але суміш продовжує надходити. Близько 60 * після НМТ ВК закривається і на цьому цей процес закінчується. Це одне з найважливіших подій завдяки якому вдається збільшити VE (Volumetric efficiency) до 110% в сучасних гоночних моторах.
Необхідно цей процес обговорити більш докладно.
Тут важливі два моменти: вчасно закрити впускний клапан, поки зростаючий тиск в циліндрі не почало перевищувати тиск в впускному каналі і як наслідок виштовхувати свіжо надійшла топливовоздушную суміш назад.
Організувати тиск якомога більше і довше у впускному тракті циліндра.
Це називається інерційний тюнінг або organ pipe tuning, Принцип роботи органу (музичний інструмент). Для дохідливості я скористаюся не зовсім вірним методом пояснення, але зате дуже зрозумілим. Сподіваюся всі пам'ятають, що таке Слінки, це така іграшка
Ось приблизно так поводяться і гази, рідини в трубах, це як би пневмапружіна. Повітря, газ або топливовоздушная суміш має масу, а значить і кінетичну енергію. Якщо ми потягнемо за один край цієї іграшки, то з часом цей пульс дійде і до іншого краю. Так і повітря, він розганяється в впускному каналі, відповідно має інерцію, він не може відразу зупиниться, за хвилею розрядження обов'язково піде хвиля тиску. Чим швидше ми організуємо швидкість потоку в каналі, тим більше повітря надійде в циліндр тому буде більше тиск. Повітря буде надходити в циліндр до тих пір, поки тиск в каналі буде вище ніж в циліндрі і ось тут головне вчасно закрити канал, щоб поршень, що йде вгору (при цьому підвищує тиск в циліндрі) не почала виштовхувати повітря.
На швидкість потоку заряду впливає швидкість поршня (обороти двигуна), прохідний перетин впускного тракту (канал і ранер) і гальмують процеси, викликані опором. Тепер стає зрозуміло, що якщо ми збільшимо канал, встановимо більшого розміру клапан то швидкість потоку зменшиться, кінетичної енергії буде менше - менше тиск, менше надійде повітря - менше потужність. Але якщо ми збільшимо швидкість поршня за рахунок збільшення оборотів двигуна, то тим самим доб'ємося компромісу. Закон простий - зменшуємо діаметр або збільшуємо оберти двигуна - підвищуємо швидкість потоку (повітряного заряду) АЛЕ ПРИ ЦЬОМУ ЗБІЛЬШУЄТЬСЯ ОПІР і на оборот.
Довжина визначать момент, коли процес повинен відбутися. Довший ранер з каналом - довше час необхідно для хвилі - менше обертів двигуна і навпаки.
ПРОЦЕС 3 - СТИСК
Тут все просто. Починається після закриття ВК в той час поки поршень продовжує рухатися вгору стискаючи при цьому топливовоздушную суміш в циліндрі. Закінчується в момент, коли свічка запалює суміш - десь 30 градусів перед ВМТ. Для побудови гоночного мотора - Ваше завдання добитися найменшого оптимального кута випередження запалювання. Багато є способів (іншим разом)
ПРОЦЕС 4 - ЗАПАЛЮВАННЯ І РОЗШИРЕННЯ
маленький відступ. Хто не знає, я багато років не живу вУкаіни і технічний українську мову погано знаю, тому багато використовую англійські вирази. Прохання - якщо щось не так, то поправте.
Fuel Burning and Expansion. Процес починається відразу після запалювання, поршень продовжує рухатися вгору. Температура і тиск підвищується. пік припадає на 12-15 градусів після ВМТ. Це великий тиск тисне на верх поршня і штовхає його вниз, гази продовжують розширюватися. Процес закінчується відразу після того як випускний клапан починає відкриватися (exhaust valve cracks open) десь 120 * після ВМТ.
ПРОЦЕС 5 - EXHAUST BLOWDOWN (продувки)
Починається відразу після того, як випускний клапан починає відкриватися (exhaust valve cracks open) якраз в цей момент і відбувається цей звук (який ми потім заглушаємо). температура і тиск все ще в циліндрі високе, частина суміші продовжує ще горіти. В даний момент, при такому високому тиску система випуску не налаштовується (продування все знесе на своєму шляху). Процес важливий (поговоримо пізніше), раніше відкрив менше потужність (ефект як від настройки випередження запалювання) ... Закінчується в момент, коли поршень досягає НМТ.
ПРОЦЕС 6 - EXHAUST PUMPING (відкачування)
Відкачування. дуже схожий на ПРОЦЕС 1 -. Тільки в зворотному напрямку. Починається в момент, коли поршень змінює свій напрямок і починає рухатися вгору. Випускний клапан продовжує відкриватися і досягає свого максимуму десь 70 * після НМТ. Поршень набирає свою максимальну швидкість близько 105 * після НМТ. Випускні гази завдяки процесу продувки вже не мають такого високого тиску. Поршень виштовхує через випускний канал і при цьому розженуть відпрацьовані гази, вони знову починають набирати кінетичну енергію. Процес закінчується в момент, коли впускний клапан починає відкриватися десь близько ВМТ.
ПРОЦЕС 7 - перекриття (OVERLAP)
Процес починається, коли ВК відкривається, а випускний ще не закрите. Дуже важливий процес (розглянемо уважніше пізніше). Процес закінчується в момент, коли випускний клапан повністю закривається.
У цей момент налаштовується два процеси для очищення і наповнення циліндра. Мета створити тиск на впуску і розрідження на випуску.
Поршень розігнав випускні гази, вони набрали енергію і тому навіть коли поршень починає свій рух вниз, в випускному колекторі тиск менше ніж в циліндрі і тому триває процес висмоктування, очищення камери згоряння, циліндрів. Також це низький тиск допомагає всмоктувати свіжий заряд через що відкривається ВК. Частина цього заряду залишається в циліндрі, а частина виходить з відпрацьованими газами (очищення, ну і правда підвищена витрата вам буде забезпечений)
Випуск тут необхідно налаштувати - організувати швидкість потоку в випускних каналах, Ранера. Пік розрідження (і як наслідок точка максимального моменту або потужності) визначається довжиною. З піком тут можна пограти. Чи можемо його зробити дуже сильним або "розмазати". За це відповідає колектор, точніше його розмір, довжина, так чи просто наявність. Скажімо на дрегстер часто можна зустріти просто труби від кожного циліндра в повітря.
Але на цьому настройка в 7 процесі не закінчується. Тут з'являється ще один вид - резонансний тюнінг в момент відкриття впускного клапана.
Як тільки випускний клапан закривається нам необхідно домогтися щоб в впускному каналі утворилося тиск. зловити, налаштуватися на одну з хвиль, амплітуд з позитивним екстримом. Це схоже на відлуння, ось його нам і треба налаштувати.
Якщо все зробити правильно то можна домогтися ефективної наповнюваності до 130%.
До ПРИКЛАД: якщо ми продовжимо робити наш мотор форда дюратек. ГБЦ у нього не погана, впускний клапан 35 мм (це з потенціалом до 8200 оборотів двигуна). Ні, не будемо сильно модернізувати. Поршнева стік дозволять крутити мотор до 7200 оборотів. Але для безпеки поміняємо тільки шатунні болти на посилені і тим самим зрушимо поріг до 7700 оборотів. Тепер встановимо гарні дроселя (вільне володіння впуск) скажімо перевірений і добре себе зарекомендував кит від Jenvey. Виготовимо випускний спеціально налаштований колектор і звичайно всю систему випуску поміняємо. Встановимо нові розподільчі вали. І без проблем ми отримаємо 220 сил на 7200 обертів, звичайному бензині, можна і більше, але це обороти підвищувати.