Улучшение наполнения цилиндров топливной смесью

Для обеспечения высоких мощностных, экономических и экологических показателей необходимо совершенствовать процесс сгорания топливовоздушной смеси. Важную роль здесь играет смесеобразование, т.е. подготовка топливовоздушной смеси, ее состав, равномерность распределения по цилиндрам, степень испарения, вихревое движения заряда, температура, количество остаточных газов.

При улучшении наполнения цилиндров увеличивается динамическая степень сжатия подобно увеличению рабочего объема двигателя, т.к. в цилиндр поступает дополнительное количество воздуха и топлива. Эффективность впуска может продолжать увеличиваться даже до точки «упаковки» цилиндра (коэффициэнт наполнения цилиндра больше 1), что может быть обеспечено определенными комбинациями впускного и выпускного коллекторов и правильным подбором рспределительного вала. Максимальное давление внутри камеры сгорания перед воспламенением увеличивается при увеличении плотности бензовоздушной смеси. Когда системы впуска работает неэффективно, т.е. когда дроссельные заслонки прикрыты или впускная система имеет ограниченные проходные сечения, то цилиндр наполняется лишь частично и динамическое давление сжатия низкое. Когда система впуска работает с высокой объемной эффективностью (коэффициент наполнения больше 1 достигается во многих гоночных двигателях), динамическая степень сжатия может создать давления, превышающие значения, ожидаемые от механического (рассчитанного) увеличения степени сжатия. Чем лучше коэффициэнт наполнения цилиндра, тем ниже будет требуемая степень сжатия.

Чем больший заряд топливовоздушной смеси поступит в цилиндр, тем большаю работа будет произвелена в такте рабочего хода и соответственно получена большая мощность. Для улучшения наполнения цилиндров с одной стороны необходимо обеспечить хорошее общее наполнение цилиндров, а с другой — добиться равномерного распределения этой смеси по цилиндрам. Последнее особенно актуально для двигателей с карбюраторными системами питания, в которых длины впускных каналов разных цилиндров различны и зачастую отбирают топливовоздушную смесь разной степени обогащения из-за забора ее в различных местах задроссельного пространства карбюратора. Важное значение также имеет длина впускного трубопровода — так, подбирая его длину, можно добиться, чтобы на определенных оборотах образующаяся во впускном тракте стоячая волна, отразившись от впускного клапана в момент его закрытия, пройдя обратно по впускному каналу, затем отразилось от его границы и достигла вновь впускного клапана к моменту его открытия, обеспечив дозаряд цилиндра бензовоздушной смесью. Таким образом возможно получить коэффициент наполнения цилиндра больше 1 в результате дозарядки цилиндров.

Для улучшения наполнения цилиндров бензовоздушной смесью также применяется увеличение давления воздуха на входе тракта с помощью компрессоров. Для этого применяют либо компрессоры, работающие с приводом от ремня вспомогательных агрегатов двигателя или от электропривода, называемые объемными нагнетателями, либо от турбины, вращаемой с высокой скоростью отработвшими газами, что называется наддувом.

Существенную роль в улучшении наполнения цилиндров бензовоздушной смесью играет снижение сопротивления воздушному потоку на впуске. Для этого применяют воздушные фильтры пониженного сопротивления, а также полируют впускные трубопроводы. Необходимо также добиться ровных стыков в местах соединений элементов впускного трубопровода, чтобы в этих местах не образовывалось завихрений и сужений тракта. Для этого необходимо тщательно подбирать прокладки, а имеющиеся выступы тракта удалять с последующей полировкой.

Идеальным с точки зрения равномерности распределения смеси по цилиндром является организация отдельных впускных трактов с индивидуальными дроссельными узлами для каждого из цилиндров.

Для инжекторных двигателей используется узел многодроссельного впрыска, имеющий общую топливную рампу, индивидуальные для каждого из цилиндров форсунки и индивидуальные дроссельные узлы для каждого из каналов. Задроссельное пространство соединяется байпасными каналами для выравнивания разрежения по цилиндрам.

Рассмотрим пример узла многодроссельного впрыска на примере изделия для двигателя Renault F3R автомобиля «Святогор», подготавливаемого к спортивным соревнованиям:

В двигателях с карбюраторной системой питания аналогичный эффект достигается при установке нескольких карбюраторов с горизонтальным или наклонным потоком смеси так, чтобы для каждого цилиндра имелся свой воздушный тракт [12]. Например, на двигателе с рабочим объемом 1,45л установка двух горизонтальных карбюраторов «WEBER 40-DCOEE 44» (диаметр диффузоров 40 мм) без каких-либо других изменений приводит к увеличению мощностных показателей на 10-12% практически во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала. Расширение каналов впускной системы совместно с этими мероприятиями и одновременно увеличение степени сжатия с 8,8 до 9,2 совместно с установкой прямоточных карбюраторов позволяет получить прирост мощности двигателя ВАЗ-2106 на 36%, увеличив при этом максимальное значение коэффициэнта наполнения с 0,9 при 3200 1/мин до 0,96 при при 4800 1/мин, т.е. на 6% [12]. Для четырехцилиндровых двигателей с рабочим объемом 1,6-2,0л и карбюраторной системой питания для получения максимальных мощностных показателей целесообразно применение двух горизонтальных двухкамерных карбюраторов с параллельным открытием дроссельных заслонок типа WEBER, SOLEX, DELLORTO с диаметрами диффузоров 45 мм, имеющих индивидуальный впускной тракт для каждого из цилиндров. При этом необходимо добиться одновременности открытия дроссельных заслонок всех камер, а их задроссельное пространство соединяется байпасными каналами калиброванного сечения. Такое решение дает эффект, аналогичный применению узла многодроссельного впрыска и применялось практически в большинстве реализаций при подготовке автомобилей к спортивным соревнованиям различного классса.

Ниже показан пример установки двух горизонтальных карбюраторов DELLORTO от автомобиля ALFA-ROMEO на автомобиле «москвич-2141» с двигателем УЗАМ рабочим объемом 2.3 л; на впуске карбюраторов установлены воздушные фильтры «нулевого» сопротивления:

Необходимо отметить, что как в узле многодроссельного впрыска, так и при применении горизонтальных карбюраторов с параллельным открытием дроссельных заслонок в варианте настройки впускной системы для работы с воздушными фильтрами возможна регулировка длины впускного тракта путем перемещения впускных «горнов» в продольном направлении. Подбирая длину тракта, добиваются дозарядлки цилиндров на заданных частотах вращения коленчатого вала за счет возникающей в тракте стоячей волны. При этом особо важно добиваться идентичности производительности топливных форсунок в инжекторных двигателях или пропускной способности топливных и воздушных жиклеров в интервале не более 1-2%, в противном случае неравномерность распределения смеси по цилиндрам по составу будет слишком велика. В некотороых случаях необходимо уточнять регулировку путем смены эмульсионных трубок [12]. Привод дроссельных заслонок должен быть связан между собой регулировочной тягой так, чтобы иметь возможность обеспечить одновременное начало открытия заслонок. Воздушные фильтры как правило используются овальные для установки на каждый карбюратор для двух цилиндров. В ряде случаев используется впускная система без воздушных фильтров.

Неплохие результаты могут быть получены при применении двух стандартных карбюраторов типа «Солекс», один из которых работает на 1 и 2-й цилиндры двигателя, а второй — на 3-й и 4-й цилиндры. Для этого используют либо специально изготовленные литые впускные коллекторы, либо используют доработанные штатные, удаляя отводы для крайних цилиндров и дорабатывая необходимым образом их посадочные места. Задроссельное пространство карбюраторов в этом случае также соединяется байпасными каналами для выравнивания разрежения по цилиндрам. Особое внимание также следует уделить идентичности производительности топливных и воздушных жиклеров этих карбюраторов, а также их проходных сечений. Для обеспечения одновременного открывания клапанов экономайзера мощностных режимов в обеих карбюраторах этом случае целесообразно применить электронное управление экономайзером с помощью стандартных электромагнитных клапанов, управляемых либо специальным электронным устройством, либо системой управления двигателем или зажиганием (например, МПСЗ) с учетом специально заложенной в них для выполнения этой функции программы.

Ниже показан пример установки двух карбюраторов Солекс-21073-1107010 на двигатель УЗАМ-3320 автомобиля «Москвич-2141»:

На шоссейно-кольцевых гонках очень хорошо зарекомендовали себя карбюраторы К-84, К-84М и К-88. Эти карбюраторы имеют минимальное сопротивление бензовоздушного тракта, что обеспечивает хорошее наполнение двигателя на высоких оборотах и устойчивую работу в условиях затяжных виражей, достаточно надежны и просты в обращении. [18].

Хорошие результаты дает применение на форсированных двигателях четырехкамерного карбюратора К-114. Этот карбюратор улучшает распределение смеси и увеличивает наполнение цилиндров двигателя, исключая перекрытие тактов впуска. [18].

Применение карбюраторов с переменным сечением диффузора позволяет уменьшить количество переключении передач, так как при низких оборотах двигателя и полностью открытой дроссельной заслонке золотник перекрывает часть сечения диффузора и поддерживает высокую скорость проходящего воздуха. Поэтому карбюраторы с постоянным разрежением у распылителя называют также карбюраторами с постоянной скоростью в диффузоре или с переменным диффузором. Карбюраторы устанавливаются в середине 1-го и 2-го, а также 3-го и 4-го цилиндров на расстоянии примерно 150 мм от плоскости головки двигателя. Впускная труба может быть выполнена из двух отдельных симметричных патрубков, соединенных между собой трубкой сечением 12-18 мм.[18].

Возможна также установка на двигатель УЗАМ четырех горизонтальных однокамерных карбюраторов К-194 производства ПЕКАР. Это карбюраторы с плоским дросселем, дозирующей иглой и центральной поплавковой камерой и поплавковым механизмом, снабженным рычажным устройством Диаметр диффузоров 30 и 32 мм Они предназначены для установки на гоночные мотоциклы, но с успехом могут быть применены на форсированном автомобильном двигателе Установка четырех однокамерных горизонтальных карбюраторов не требует сложных впускных патрубков. Их обычно точат на токарном станке в форме катушки. Остается только сделать конфигурации фланца головки и карбюраторов Карбюраторы снабжаются сменными расширяющимися воздухозаборниками (насадками), уменьшающими вихреобразование на входе и позволяющими подбирать длину впускного тракта двигателя в целях оптимального использования колебаний потока горючей смеси для повышения коэффициента наполнения. Как показывает опыт, для форсированного двигателя с рабочим объемом 1,5-2,0 л длина впускного тракта должна быть 250-300 мм. [18].

Для улучшения наполнения цилиндров необходимо обеспечить беспрепятственный доступ бензовоздушной смеси через впускной коллектор в цилиндры. Для этого во впускных каналах следует удалить все крупные неровности, отшлифовать их шкуркой и обязательно обеспечить правильную стыковку деталей впуска в местах их соединений, подработав по месту сопрягаемые каналы и прокладки, добиваясь максимально ровной внутренней поверхности. Возможно также осуществить полировку каналов, однако это требует немалых усилий, в то время как отшлифованный канал на практике работает ничем не хуже [19]. Немалое значение имеет также сечение и форма впускных каналов и размер клапанов. Так, для улучшения однородности смеси при подаче ее в цилиндр в головке блока цилиндров двигателя УЗАМ-331.10 выполнены специальные завихрители (улитки), придающие поступающей смеси вихревое вращение и улучшающие ее перемешивание, что значительно улучшает топливную экономичность. Однако эти завихрители существенно уменьшают проходное сечение впускного канала, и при увеличении рабочего объема этого двигателя головку блока цилиндров желательно заменить на «универсальную» головку или в крайнем случае — на головку блока от двигателя 412, не имеющую завихрителей, но имеющие более широкие впускные каналы.

Ширина впускных каналов тем не менее должна иметь оптимальное для двигателя заданного объема значение, так как необходимо обеспечить достаточно высокую скорость прохождения бензовоздушной смеси по каналам, чтобы улучшить смесеобразование и улучшить наполнение цилиндра потоком смеси с высокой скоростью. Слишком узкие каналы будут ограничивать поступление требуемого количества смеси или воздуха (в двигателях с распределенным впрыском топлива). С другой стороны, слишком широкие каналы в соответствии с законом Бернулли вызовут снижение скорости потока смеси. Таким образом, впускные каналы должны иметь минимальную площадь поперечных сечений, но не менее сечения, обеспечивающего беспрепятственное прохождение максимального для данного двигателя потока смеси. Иными словами, при обработке впускных каналов материал следует убирать только из тех областей, которые заметно ограничивают прохождение потока. Если области чрезмерного сужения во впускных каналах будут чрезмерно расширены, то в результате может произойти падение мощности двигателя. Если же обработка впускных каналов выполнена правильно, то объем и скорость воздуха, проходящего через все сечения канала, будут выше, чем в стандартном тракте[19]. Особенно отрицательно влияет чрезмерное увеличение сечения впускных каналов при работе двигателя на низких оборотах.

При обработке впускного тракта зачастую стремятся расширить входное отверстие канала головки блока цилиндров до максимального значения. Однако наиболее критичной областью для общего потока является не входное отверстие канала, а места рядом с седлами клапанов, так как прохождение потока через основную часть канала относительно свободно, но путь при прохождении мимо клапанов в камеру сгорания имеет ограниченные сечения. Первое препятствие часто располагается вокруг выступающей части направляющей втулки клапана. Это препятствие может быть иногда уменьшено путем уменьшения высоты и почти всегда — ширины выступа направляющей втулки. Второе серьезное препятствие потоку находится в области седла клапана. Переход от области седла клапана к области после седла клапана должен быть плавным, хотя на практике часто наблюдается прямо противоположная картина. Тщательная работа в областях камеры сгорания и седел клапанов по отношению к затраченному времени дает самое большое улучшение характеристик потока [19].

Также в форсированных двигателях желательно увеличить диаметр впускных клапанов. «Унифицированная» головка блока цилиндров двигателя УЗАМ имеет увеличенные сечения впускных клапанов, что позволяет использовать ее на двигателях с рабочим объемом от 1.6 до 2.0. Наиболее кардинальным решением является использование двенадцатиклапанных или шестнадцатиклапанных головок, в которых впуск бензовоздушной смеси осуществляется одновременно через два клапана, что существенно увеличивает проходное сечение и способствует улучшению наполнения цилиндров.

Хорошие результаты также дает точная обработка клапанов с 3 фасками, что улучшает характеристики потока при всех оборотах двигателя.

Улучшению наполнения цилиндров бензовоздушной смесью также способствует подбор соответствующего требуемым характеристикам распределительного вала (РВ) головки блока цилиндров (ГБЦ). В настоящее время существует достаточно широкая гамма РВ для двигателей ВАЗ и УЗАМ производства фирмы «Мастер-Мотор», рассчитанных на различные задачи увеличения наполения цилиндров и улучшения мощностных показателей при тех или иных частотах вращения коленчатого вала. Эти распределительные валы обеспечивают расширение фаз газораспределения при заданных частотах вращения к/вала и увеличение подъема клапанов в соответствии с этими требованиями, что позволяет увеличить максимальный коэффициэнт наполнения с 0,96 пр 4800 1/мин до 1,04 при 6000 1/мин, т.е на 8%.

Основные характеристики типовых РВ приведены ниже:

Характеристики распределительных валов фирмы «Мастер-Мотор» для двигателей УЗАМ

Характеристики распределительных валов фирмы «Мастер-Мотор» для двигателей ВАЗ

При подборе распределительного вала следует установить вал, соответствующий общему назначению применения двигателя. Высота подъема клапанов и положение фаз газораспределения выбираются на основе компромисса при работе двигателя при различных нагрузках и в разном диапазоне оборотов. Одни распределительные валы увеличивают максимальны момент двигателя в определенной области оборотов (обычно — в области средних оборотов), другие — увеличивают максимальную мощность при максимальных оборотах, третьи способствуют снижению расхода топлива. Большая продолжительность открывания клапана увеличивает мощность на высоких оборотах ценой экономичности, увеличения токсичности и мощности на низких оборотах.

Нередко поддаются искушению установить «мощностной» распредвал или карбюратор с большим сечением на обычный двигатель. Это увеличивает теоретическую емкость воздушного потока, не изменяя характеристик по потоку других деталей. Так как различные части впускного тракта и двигателя в целом не согласованы друг с другом, скорость поступающего воздуха уменьшится, смесеобразование ухудшится и двигатель будет плохо работать в оптимальном диапазоне оборотов, что приведет к его «захлебыванию» [19]. Таким образом, при подготовке впускного тракта необходимо комплексное решение по всем его компонентам на основе тщательного анализа предполагаемых направлений доработок.Распределительный вал в знвчительной степени является компромиссной деталью. После определенного момента все прибавки даются ценой потери мощности на низких оборотах, ухудшению эластичности и приемистости двигателя, его экономичности и т.д. При форсировании двигателя сначала следует произвести модификации, которые увеличивают максимальную мощность путем улучшения эффективности впуска, так как эти изменения оказывают меньший эффект на значения мощности при низких оборотах. Например, можно оптимизировать потоки в головке блока цилиндров и выпускной системе, уменьшить сопротивление потоку во впускном коллекторе и в карбюраторе (или в дроссельном узле инжекторного двигателя), и лишь после этого можно переходить к подбору распределительного вала.

Дальнейшее совершенствование системы впуска в плане улучшения наполнения цилиндров бензовоздушной смесью связано с увеличением давления воздуха перед дроссельным узлом, что позволяет увеличить динамическую степень сжатия. В простейших случаях это обеспечивается установкой заборников воздуха непосредственно по ходу автомобиля либо в специально сделанных выштамповках наружных панелей кузова, либо непосредственно за решеткой радиатора. Недостатком такого решения является чрезмерно большое количество грязи и пыли, поступающего во впускной тракт, а также относительно невысокая эффективность доработки, к тому же параметры наполнения в этом случае существенно зависят от скорости движения автомобиля. Тем не менее, этот способ, не изменяя сколь-нибудь заметным образом динамические характеристики автомобиля, может существеено увеличить показатели его максимальной скорости, так как именно на высоких скоростях эффект нагнетания во впускной тракт дополнительного воздуха прямотоком проявляется наиболее заметно.

Более эффективным средством повышения давления воздуха на впуске является применение компрессоров, работающих от ремня привода вспомогательных агрегатов двигателя. Огромным достоинством такого решения является пропорциональная зависимость производительности компрессора от оборотов двигателя, т.к. они напрямую связаны кинематически. При этом для достижения наивысших оборотов компрессора его шкив выполняют максимально возможно меньшего диаметра, а также применяют многоступенчатую передачу. Ниже показан пример компрессора (объемного нагнетателя) с приводом от ремня вспомогательных агрегатов двигателя:

Возможен также вариант привода объемного нагнетателя от высокоскоростного электродвигателя, однако это требует применения более мощного генератора, так как прикладываемая к компрессору мощность весьма значительна, к тому же в этом случае нарушается зависимость характеристики производительности компрессора от оборотов двигателя.

Давление и производительность объемного нагнетателя относительно невелики. Более эффективно применение наддува от турбины, приводимой во вращение отработавшими газами. Примером такой реализации для двигателя УЗАМ-3313 1.8 является конструкция, выполненная участником конференции «Москвич — обменяемся опытом» на www.auto.ru — Sergey_3320. Полученные мощностные и динамические характеристики этого двигателя с применением турбокомпрессора Garett соотвествовали характеристикам двигателя с рабочим объемом 2.0.

Ниже показан двигатель УЗАМ 1.8 с турбонаддувом и промежуточным охладителем под капотом автомобиля «Москвич-21412»:

В связи с тем, что при сжатии воздуха увеличивается его температура, перед подачей в цилиндры желательно его охладить, для чего применяется промежуточные охладители. Степень сжатия турбированных двигателей выбирается несколько меньшей степени сжатия обычного двигателя. Так, параметры степени сжатия двигателя УЗАМ-3313, рассчитанного на бензин А-76, хорошо соответствуют требуемым при работе с турбонаддувом при использовании бензина А-92.

Поскольку тепловой режим работы поршней в турбированном двигателе весьма напряженный, а нагрузки на КШМ значительно превышают нагрузки в обычном двигателе, применяют принудительное охлаждение днищей поршней маслом, поступающим под давлением из специальных форсунок. В связи со значительными техническими проблемами, связанными с эксплуатацией турбированных двигателей, в настоящее время эти двигатели применяются все реже, уступая место компрессорам (объемным нагнетателям).

Для совершенствования распыливания топлива и более равномерного распределения смеси по цилиндрам в карбюраторных системах питания также применяют системы подогрева воздуха и стабилизации его температуры. Хорошо зарекомендовали себя регуляторы температуры от автомомобиля ВАЗ-2108, стабилизирующие температуру поступающего в карбюратор воздуха регулированием заслонки смеси холодного и подогретого над выпускным коллектором воздуха, управляемой термочуствительным элементом. Однако при работе на полных нагрузках целесообразно предусмотреть приспособление для подачи только холодного воздуха, например, от дополнительной заслонки, управляемой разрежением во впускном коллекторе.