В общем случае эффективная мощность четырехтактного двигателя определяется по формуле

где

Повышение мощности двигателя путем увеличения рабочего объема является наиболее простым и результативным способом создания форсированных модификаций. Этот способ наиболее часто используется при выпуске переходных моделей серийных двигателей

В настоящее время предъявляются все более жесткие ограничения к токсичности отработавших газов, поэтому приходится регулировать систему питания на обедненную смесь на всех рабочих режимах. Но это влечет за собой снижение мощности. Некоторое увеличение литража (рабочего объема) цилиндров позволяет сохранить характеристики двигателя, а следовательно, и динамику автомобиля на прежнем уровне без принципиального изменения конструкции, что наиболее важно при серийном выпуске, так как требует сравнительно небольших производственных затрат.

Изменение числа цилиндров требует создания совершенно новой конструкции, поэтому при подготовке спортивного двигателя большего рабочего объема можно достигнуть, увеличивая диаметр цилиндра или ход поршня. Используя поршни ремонтных размеров (наибольшего) с соответствующей расточкой блока цилиндров или гильз, производят «доводку» рабочего объема серийного двигателя до верхнего предела данного класса спортивной классификации.

Дальнейшее увеличение литража с переходом в следующий класс или в группу можно осуществить, установив поршни от другой модели. При этом потребуется расточить посадочные места под гильзы, обработать уплотнительные поверхности прокладки, «выбрать» детали соединения поршня с шатуном, обеспечить необходимую величину степени сжатия. Изменение хода поршня требует изготовления нового коленчатого вала и более коротких шатунов, если не имеется возможности подобрать поршни с более близким расположением поршневого пальца. При увеличении хода поршня на величину 4—5 мм для изготовления коленчатого вала с увеличенным радиусом кривошипа используется заготовка вала для серийного двигателя.

Одним из основных методов увеличения мощности является повышение степени сжатия. Этот показатель у отечественных двигателей постоянно увеличивается. В настоящее время на серийных моделях он находится на уровне значений, характерных для спортивных модификаций.

От величины степени сжатия зависит термический КПД двигателя ηt , который с увеличением ε увеличивается вначале быстро, а после значений ε =12-13 — несколько медленнее.

Увеличение степени сжатия ограничивается проявлением детонации вследствие роста температуры рабочей смеси в конце хода сжатия.

Увеличить коэффициент наполнения можно благодаря применению нескольких карбюраторов, лучше всего по одному на каждый цилиндр. В этом случае представляется возможность путем подбора длины и проходного сечения всасывающего тракта использовать колебания потока смеси в определенном диапазоне высоких чисел оборотов для улучшения наполнения. Пропускная способность клапанов может быть увеличена благодаря применению четырехклапанной головки. Это решение находит свое воплощение в настоящее время в конструкции двигателей гоночной формулы и на отдельных двигателях автомобилей для ралли.

Наполнение цилиндров зависит от потерь скорости движения горючей смеси в приборах питания, впускных трубах и клапанной щели, а также от степени очистки цилиндров от отработавших газов. Так как величины этих потерь пропорциональны квадрату скорости движения смеси, то у впускного тракта спортивного двигателя увеличивают проходные сечения. Производится также установка клапанов большего диаметра, увеличиваются подъем клапанов и фазы газораспределения, для чего необходим новый распределительный вал.

Впускные трубы также должны иметь увеличенные проходные сечения, плавные изгибы, высокую чистоту внутренней поверхности. Совершенно недопустимы несовпадения каналов в местах соединений труб. Усовершенствование системы питания спортивных двигателей нашло свое отражение в применении многокамерных карбюраторов и проектирование новых перспективных карбюраторов с горизонтальным потоком смеси.

Улучшение очистки цилиндров от отработавших газов достигается также соответствующим подбором выхлопных труб и группировкой их по цилиндрам с равным чередованием рабочих ходов.

Существенным фактором, влияющим на мощностные показатели и характеризующим совершенство конструкции двигателя легкового автомобиля, является его быстроходность, которая возросла за историю отечественного двигателестроения примерно в 3 раза. Форсирование по числу оборотов оказало наибольшее влияние на изменение конструкции механизма газораспределения. Относительный КПД двигателя ηg зависит от тепловых потерь в процессе горения, которые могут быть снижены выбором рациональной формы камеры сгорания, имеющей наименьшую поверхность при заданном объеме. Этому требованию в большей степени отвечают камеры сгорания полусферической, сегментно-сферической и шатровой формы. Снижению тепловых потерь способствует также увеличение степени сжатия, так как при этом можно уменьшить поверхность камеры сгорания и увеличить число оборотов, благодаря чему сократится время "соприкосновения" газов со стенками камеры сгорания.

Тепловые потери можно снизить, интенсифицировав процесс горения. Так, при смещении впускного канала относительно оси цилиндра создается сильное завихрение заряда при входе в цилиндр, что улучшает равномерность состава смеси и сокращает время процесса сгорания.

Увеличение механического КПД ηm происходит за счет снижения потерь на трение. Потери на трение поршня и поршневых колец составляют значительную часть общих потерь на трение. Трение поршней в основном вызывается боковой нагрузкой на поршень, которая определяется силами инерции поступательно движущихся частей. Снизить массу поршня можно механической обработкой, а масса поршневого пальца и шатуна может быть существенно уменьшена благодаря изготовлению их из более прочных титановых сплавов. В газораспределительном механизме из титана могут быть изготовлены впускные клапаны и коромысла. Однако в месте контакта коромысла с кулачком распределительного вала необходимо применение стальных сухарей.

В общем балансе механических потерь потери на трение в подшипниках коленчатого вала составляют около 16% при использовании подшипников скольжения. Эта величина может быть снижена, если использовать подшипники качения, но потребуется изменить конструкцию коленчатого вала, который выполняется сборным из отдельных деталей, соединенных запрессовкой. При этом также несколько упрощается система смазки, так как все подшипники смазываются разбрызгиванием и отпадает необходимость сверления масляных каналов. Для поддержания в системе смазки надлежащего давления в местах выхода масла в картер из подводящих каналов к коренным подшипникам устанавливаются жиклеры с отверстием порядка 0,7 мм.

Так как масло отводит от подшипников около 80% тепла, возникающего в результате работы трения, то в систему смазки спортивного двигателя обязательно должен быть включен (параллельно) масляный радиатор. Более интенсивная циркуляция смазки обеспечивается повышением давления в системе с помощью редукционного клапана.

Применение "сухого картера" возможно в случаях, разрешенных классификацией, и требует установки второго насоса и масляного бака. При этом увеличивается количество масляных магистралей и их соединений.

Рекомендованные мероприятия по форсировке двигателя могут быть успешно использованы как организациями, так и отдельными спортсменами, так как базовые детали-блок цилиндров, головка блока цилиндров, картер сцепления - не требуют переделок.

Главным направлением в форсировке двигателя для нас было увеличение его рабочего объема с использованием поршней большего диаметра при неизменности хода поршня.

Выбор пал на поршень диаметром 92 мм. Это было обусловлено несколькими причинами.

Во-первых, увеличивался рабочий объем двигателя на 26%, что при прочих равных условиях давало возможность получить такое же увеличение мощности по сравнению со стандартными двигателями М-412.

Во-вторых, увеличивалась относительная короткоходность двигателя, что повышало срок службы деталей поршневой группы благодаря уменьшению средних скоростей движения поршня при тех же оборотах двигателя, способствовало росту коэффициента наполнения цилиндров ввиду меньших скоростей впуска, пропорциональных скоростям движения поршня. Кроме того, у более короткоходного двигателя меньше тепловые потери.

В-третьих, поршень диаметром 92 мм широко применяется на советских двигателях. Значит, отпадала необходимость в специальном оборудовании и материалах для отливки поршней, можно было использовать готовые поршневые кольца, двигатель оказывался годным для ремонта. Не было смысла и в изготовлении собственными силами гильз цилиндров. После определенной переделки были использованы гильзы от двигателя автомобиля ГАЗ-24 или ГАЗ-21.

Следует отметить, что все детали, используемые при сборке двигателя как от двигателя М-412, так и от других двигателей, должны быть кондиционными и тщательно проверяться на отсутствие наружных дефектов, а также на соответствие массы и размеров номинальным.

Много внимания было уделено вопросу повышения степени сжатия. Желание гонщика как можно больше увеличить степень сжатия вполне понятно. Однако раллисты должны подходить к этому вопросу достаточно осторожно. Ведь в пути длиною в сотни и даже тысячи километров случается, что приходится использовать товарный бензин с октановым числом не более 95—98, а иногда и менее.

Увеличение степени сжатия сверх пределов, ограниченных октановым числом применяемого бензина, связано с возникновением детонации *, в результате чего двигатель перегревается, наполнение ухудшается, мощность снижается, износ основных деталей может возрасти в 2-3 раза. Сильная детонация нередко приводит к прогоранию днища поршня.

Кроме опасных для надежности двигателя детонационных явлений с увеличением степени сжатия резко возрастают нагрузки на поршневую группу и вкладыши, которые в двигателе М-412 не имеют достаточного запаса по работоспособности и прочности (возможно, в связи с малыми размерами).

Есть еще одно немаловажное обстоятельство, ограничивающее выбор степени сжатия по верхнему пределу. Заметный рост мощностных показателей двигателя с повышением степени сжатия наблюдается до значения ε=10-11, затем прибавка мощности с увеличением степени сжатия не столь существенна, а надежность и долговечность двигателя резко ухудшаются.

Следующим направлением при создании спортивных двигателей явилось применение головок цилиндров с верхними распределительными валами (одним или двумя) (рис. 12) и V-образным расположением клапанов.

Примером могут служить двигатели Renault для автомобилей Gordini и Alpina (рис. 13).

При переходе к верхневальной головке принимается несколько меньший угол развала клапанов. Выпрямленные газовые каналы и более компактная камера сгорания в виде шарового сегмента обеспечивают более активный процесс газообмена и достаточно полное и быстрое сгорание топлива на высоких числах оборотов. Спрямлению впускного тракта и снижению его гидравлического сопротивления способствует применение двухкамерных карбюраторов с горизонтальным потоком смеси, обеспечивающих питание каждого цилиндра от самостоятельной смесительной камеры

На двигателе Opel 1,9S (рис. 14) применена головка цилиндров с сегментно-сферической камерой сгорания, центральным расположением кулачкового вала и наклонными клапанами с приводом с помощью коромысел. Развал клапанов составляет 57°. Для повышения жесткости механизма газораспределения, снижения потерь на трение и уменьшения сил инерции кулачковый вал установлен в пяти подшипниках; коромысла, отлитые из легкого сплава, вращаются на игольчатых подшипниках. Регулировка рабочих зазоров осуществляется прокладками, располагаемыми между концом коромысла и стержнем клапана.

Дальнейшее развитие конструктивной схемы с верхними распределительными валами применяется на форсированных двигателях фирмы Ford, где на наиболее мощных моделях используются четырехклапанные головки. Для них характерны компактная неглубокая камера сгорания шатровой формы, поршень с плоским днищем,малый угол развала клапанов (порядка 30°), допускающий значительное выпрямление впускных каналов с сохранением центрального расположения свечи.

Четырехклапанная головка позволяет улучшить наполнение цилиндров и обеспечить нормальную работу распределительного механизма при повышенных числах оборотов благодаря уменьшению массы клапанов и деталей их привода. Для привода кулачковых валов и топливного насоса системы впрыска топлива используются зубчатые ремни. Повышенная прочность днища поршня и его жесткость обеспечиваются массивной перемычкой, выполненной совместно с бобышками под поршневой палец.

В табл. 15—24 приведены данные по автомобилям и двигателям ряда фирм. Различная степень форсировки отдельных моделей варьируется за счет степени сжатия, применения увеличенных проходных сечений клапанов и более широких фаз газораспределения для двигателей повышенной мощности, использования нескольких карбюраторов или систем впрыска топлива. Привод кулачковых валов осуществляется с помощью двухрядных втулочно-роликовых цепей. Различные значения рабочего объема получены сочетанием величин диаметра цилиндра и хода поршня.

В заключение следует отметить, что развитие конструкций двигателей легковых автомобилей и особенно спортивных моделей проходит по следующим направлениям:

— существует тенденция роста рабочего объема двигателей, особенно спортивных моделей, так как этот путь позволяет создавать более мощные модификации без существенного изменения конструкции;

— все большее применение находит сегментно-сферическая камера сгорания, позволяющая повысить коэффициент наполнения, а также литровую мощность двигателя;

— шире используется верхнее расположение кулачкового вала, установка двух валиков с непосредственным приводом клапанов. Наиболее форсированные модификации имеют по 4 клапана на цилиндр;

— в системе питания используются специальные карбюраторы, обеспечивающие наибольшее спрямление впускного тракта и снижение гидравлических сопротивлений за счет увеличенных проходных сечений. Наиболее существенным улучшением топливной аппаратуры является замена карбюраторов системами впрыска топлива, как с механическим регулированием, так и с электронным управлением цикловой подачей.

Исходя из всего сказанного наиболее рациональным является форсировка двигателя по степени сжатия до 9,8-10, что подтверждается опытом участия в соревнованиях в СССР и за рубежом ведущих гонщиков коллективов ДОСААФ и заводов.

На собранном и обкатанном двигателе истинная величина степени сжатия проверяется компрессометром на прогретом двигателе с вывернутыми свечами при 200-250 об/мин, т. е. при оборотах, даваемых стартером при полностью заряженном аккумуляторе. Замеренное компрессометром значение давления конца такта сжатия в каждом цилиндре легко пересчитывается в степень сжатия по эмпирической формуле:

Для удобства расчетов можно пользоваться табл. 14.

Замеренная по давлению Pс степень сжатия должна соответствовать расчетной, и разница в замерах в каждом цилиндре не должна превышать 0,5-1 кгс/см2. Это залог успешной работы двигателя. В противном случае надо обязательно выяснить причину отклонений и устранить ее, даже если это связано с разборкой двигателя.

Как снизить потери мощности на трение?

Заканчивая эту главу, хотелось бы дать гонщикам и тренерам такой совет: прежде чем браться за трудоемкие работы по форсировке двигателя, требующие и времени и специального оборудования, надо сначала оценить подготовленность самих спортсменов, степень сложности соревнований, их ранг и тактические задачи данного спортсмена в данном соревновании.

Вот и вся программа минимум для начинающих спортсменов в деле подготовки нового или собранного своими силами спортивного автомобиля. Повторяю, главная задача для них-прочувствовать в полной мере соревновательную нагрузку, научиться правильно распределять свои силы и обязательно доходить до финиша независимо от того, как складывается гонка, сколько получено штрафных очков, на сколько кругов идет впереди лидер, на каком вы месте. Главное, всегда доходить до финиша!