Ремонт и техническое обслуживание TOYOTA MARK II, CHASER, CRESTA

В некоторых случаях впускные волновые трубопроводы, расположенные перед  впускными клапанами, берут свое начало из общего впускного коллектора, где они имеют форму направляющего  патрубка. Например, V-образный 8-цилиндровый  двигатель фирмы Chevrolet, подвергнутый тюнингу фирмой Marcos, имеет отдельную  впускную систему для каждого  блока цилиндров. Волновые трубопроводы сравнительно длинные и берут  начало из соответствующих общих  впускных коллекторов, расположенных  над блоками цилиндров. Поступление  воздуха во впускные коллекторы осуществляется по трубопроводам, заборники которых  расположены по обе стороны радиатора  системы охлаждения. Это позволяет  улучшить наполнение цилиндров двигателя  за счет скоростного напора ветра, возникающего при большой скорости движения автомобиля.

Иногда волновым впускным трубопроводам  придается коническая форма (на пути от коллектора к цилиндру поперечное сечение впускного трубопровода уменьшается), благодаря чему по мере приближения воздушного потока к  впускным клапанам происходит его ускорение. Такая конструкция впускного  тракта реализована, в частности, у 4-цилиндрового 16-клапанного двигателя  фирмы Opel (Manta 400 2.4E-4V).

Исходя из сказанного выше, в двигателях гоночных автомобилей, как правило, отказываются от взаимного влияния  волновых процессов, возникающих при  наполнении цилиндров, и впускной патрубок каждого цилиндра настраивают индивидуально. При этом заборник впускного трубопровода, имеющего необходимую для получения желаемой характеристики мощности длину, начинается в направляющем воздушный поток коробе, расположенном снаружи автомобиля, или же в настолько большом коллекторе, расположенном в моторном отсеке, в котором цикличность работы цилиндров не может вызвать колебаний воздушного потока. Таким образом, короткая длина впускных волновых трубопроводов гоночных двигателей свидетельствует о настройке этих двигателей на максимальную мощность. Наглядными примерами использования подобных конструктивных решений в гоночных автомобилях являются двигатели Ford Cosworth V8 и оппозитный Ferrari 12, имеющие рабочий объем 3 л.

У двигателей легковых автомобилей  в зависимости от того, сколько  цилиндров объединяет один впускной коллектор, в результате наложения  колебаний газа возникают различные  перепады давления. Последние, в свою очередь, обусловливают существенно  отличающиеся характеристики крутящего  момента у различных конструкций  двигателей. Например, 3-цилиндровые  двигатели с общим впускным коллектором  имеют очень ранний и высокий  максимум крутящего момента, который  при возрастании частоты вращения KB резко падает. Это указывает  на то, что при низкой частоте  вращения наполнение цилиндров очень  хорошее, тогда как при высокой, наоборот, неудовлетворительное. 4-цилиндровые  двигатели имеют более широкий  диапазон частоты вращения KB, в котором  сохраняется большое значение крутящего  момента. Момент рано начинает расти, но достигает своего максимума большей  частью уже после некоторого промежуточного пика при повышенной частоте вращения. 6-цилиндровые двигатели имеют  слабый рост крутящего момента, выразительный  максимум которого достигается лишь при высокой частоте вращения КВ. 5-цилиндровые двигатели по характеристике крутящего момента занимают промежуточное  положение между 4- и 6-цилиндровыми двигателями.

Из сказанного можно сделать  вывод, что идеальным для автомобильного двигателя был бы впускной трубопровод  переменной длины, который позволяет  развивать повышенную мощность при  высокой частоте вращения KB (длина  трубопровода минимальная) и максимальный крутящий момент в диапазоне низких и средних частот вращения (длина  трубопровода увеличенная). Т.е. требуются  впускные трубопроводы, которые имели  бы оптимальную длину при любой частоте вращения KB двигателя. Тогда аналогично тромбону можно было бы вдвигать трубы одна в другую, с тем чтобы бесступенчато изменять длину волнового трубопровода от впускного клапана до впускного коллектора. В качестве примера на рис. 3.2 и рис. 3.3 показаны схемы систем впуска с регулируемой длиной волновых трубопроводов для 6-цилиндровых двигателей с различным расположением цилиндров.

В приведенных схемах один резонатор  объединяет группу из трех цилиндров, вспышки в которых следуют  равномерно через 240° ПКВ. Длина и  площадь поперечного сечения  впускных патрубков, берущих начало ^из резонаторов, обычно принимаются  такими же, как и в штатной системе  впуска. Для уменьшения сопротивления  на впуске начальная часть впускных патрубков выполняется в форме  раструба.

Рис. 3.2. Схема системы  впуска одноблочного дизельного двигателя  с волновым наддувом: 1 - турбокомпрессор; 2 - холодильник наддувочного воздуха; 3-ресивер; 4-резонатор; 5 - телескопическое  колено волнового трубопровода; 6 - блок цилиндров двигателя

Рис. 3.3. Схема системы  впуска двухблочного дизельного двигателя  с волновым наддувом: 1 - турбокомпрессор; 2 - холодильник наддувочного воздуха; 3-ресивер; 4 - резонатор левого (Л) блока  цилиндров; 5-резонатор правого (П) блока  цилиндров; 6 - телескопические колена волновых трубопроводов

Площадь сечения резонансного трубопровода стремятся задать такой, чтобы при  допустимой длине трубопровода (с  точки зрения габаритных размеров) он обеспечивал приемлемые гидравлические потери. Наиболее существенное влияние  на настройку волновой системы оказывают  объем резонатора и длина резонансного трубопровода. При этом в зависимости  от частоты настройки чувствительность системы на изменение длины резонансного трубопровода в 1,5 - 2,0 раза выше, чем  на изменение объема резонатора. По этой причине целесообразно выполнить  резонатор в виде части штатного впускного коллектора.

Однако в реальных эксплуатационных условиях реализовать такие постоянно  регулируемые впускные системы для  автомобильных двигателей достаточно трудно не только с точки зрения затрат, но и сложности исполнительного  механизма, а также его срока  службы. Поэтому на практике реализуются  более простые системы с перепуском части наддувочного воздуха на вход турбины, а также двухступенчатые  впускные трубопроводы с различной  длиной или соответственно с неодинаковыми  поперечными сечениями. Какую из этих форм впускного трубопровода выбрать, зависит не только от конструкции  соответствующего двигателя, но и от количества его цилиндров. Количество цилиндров играет здесь важную роль, так как оно определяет форму волны и силу пульсаций во впускной системе.

В качестве примера на рис. 3.4 показана схема волнового наддува, при  реализации которой энергия, необходимая  для регулирования расхода наддувочного воздуха через турбину, создается  в результате пульсаций газа на впуске и выпуске. Использование такой  схемы наддува позволяет улучшить приёмистость автомобильного двигателя.

Длина и объем резонаторов 5 подбираются  с учетом характерных режимов  работы двигателя. При выходе двигателя  на режим номинальной мощности возвратные клапаны 7 автоматически закрываются.

Хороший крутящий момент можно получить, если возникающие при закрытии впускных клапанов ударные волны или пульсации  потока использовать для дозарядки  других цилиндров. Чем больше цилиндров (ударных волн) объединяет один впускной коллектор, тем незначительнее эффект дозарядки, так как пульсации  в коллекторе взаимно выравниваются. Наиболее эффективно такая система  функционирует у 3-цилиндрового двигателя, так как здесь одновременно с  закрытием одного впускного клапана  начинает открываться другой.

Рис. 3.4. Схема системы  впуска с волновым наддувом и перепуском наддувочного воздуха: 1 - турбокомпрессор; 2 - холодильник наддувочного воздуха; 3-эжектор; 4-ресивер; 5-резонатор; 6 - блок цилиндров двигателя; 7 - возвратный клапан

Рис. 3.5. Схема коллектора с переключаемой длиной трубопроводов  для V-образного двигателя: 1 - впускной коллектор; 2 - заслонка переключения длины  впускных трубопроводов; I - короткий трубопровод; II - длинный трубопровод

Так как характеристика, а также  максимальное значение крутящего момента  зависят в первую очередь от колебательных  процессов во впускном трубопроводе, то определение его размеров и  особенно эффективной длины приобретает  большое значение. В качестве эффективной  длины, которая оказывает влияние  на колебания потока воздуха, считается  размер впускного трубопровода от воздушного коллектора до клапана в головке  цилиндров. Диаметр впускного трубопровода на пути к впускным клапанам должен постоянно уменьшаться (коническая форма трубопровода), что придает  воздушному потоку ускорение. Длина  и поперечное сечение впускного  трубопровода зависят, во-первых, от объема отдельного цилиндра, и, во-вторых, от желаемой характеристики мощности. Непреложным  при этом является следующее: чем  меньше объем цилиндра, тем меньше объем впускного трубопровода, а  следовательно, его длина и поперечное сечение.

Современные впускные системы часто  являются сложными, дорогостоящими конструкциями. Впускные трубопроводы двигателя V6 фирмы Audi имеют переключаемую с помощью заслонок длину и неодинаковые поперечные сечения [2]. Схема такого впускного коллектора показана на рис. 3.5.

Воздух после воздушного фильтра  поступает в центральную часть  впускного коллектора. При положении  заслонок 2, обозначенном пунктирной линией, действуют длинные впускные трубопроводы II протяженностью около 780 мм и поперечным сечением примерно 800 мм², которые обеспечивает высокий крутящий момент в зоне низкой частоты вращения КВ. При частоте 4000 1/мин заслонки 2 перекрывают сечение длинных трубопроводов (на схеме соответствующее положение заслонки показано основной линией). Теперь короткий трубопровод I (длина около 380 мм и поперечное сечение примерно 1200 мм²) позволяет создать высокую максимальную мощность. Важным является то, заслонка располагается в месте, где обе кривые воздушных потоков пересекаются. В противном случае при переключении трубопроводов возникает разрыв потока, что при движении автомобиля ощущается как толчок. Аналогичными переключаемыми впускными трубопроводами оснащаются и V-образные 6-цилиндровые бензиновые двигатели, устанавливаемые на некоторые автомобили класса Е фирмы Mercedes.

Более простое по конструкции, но достаточно эффективное решение используется на некоторых рядных 6-цилиндровых  двигателях. Во впускном коллекторе этих двигателей установлена разделительная заслонка, которая при низкой частоте  вращения KB закрывается и делит  коллектор на 2 части. При этом каждая часть впускной системы 6-цилиндрового двигателя обслуживает всего 3 цилиндра, в результате чего возникает волновой эффект, имеющий место в 3-цилиндровом  двигателе. Таким образом, благодаря  возникающему резонансному наддуву, при  закрытой разделительной заслонке обеспечивается увеличение крутящего момента. Примерная  схема такой системы показана на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема системы  впуска сразделяемым впускным коллектором: 1 - воздухозаборник; 2 -воздушный фильтр; 3 - разделительная заслонка; 4 - впускной коллектор; 5 - блок цилиндров двигателя; 6 - выпускные коллекторы

Управление разделительной заслонкой  может осуществляться как электромагнитным клапаном по сигналу блока управления (двигатели Omega 3000 и Senator фирмы Opel, двигатели  автомобилей 280Е и 320Е фирмы Mercedes), так и исполнительным механизмом, срабатывающим в зависимости  от разрежения во впускном коллекторе (двигатель М5 фирмы BMW).

Практически у всех названных двигателей начиная с частоты вращения примерно 4000 1/мин разделительная заслонка открывается, и в результате этого форма  волн изменяется так, что достигается  высокая мощность. В зависимости  от конструкции и настройки впускной системы можно получить дальнейшее увеличение мощности, если при очень  высокой частоте вращения, начиная  с 6000 1/мин, заслонку снова закрыть. Подобная система одинаково эффективна на двигателях как с двумя, так и  четырьмя клапанами на цилиндр.

4. ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ

Выявить резервы форсирования двигателя  можно с привлечением формулы  для расчета эффективной мощности, кВт:

,

где - среднее эффективное давление, МПа; - рабочий объем цилиндра, дм3; - количество цилиндров двигателя; - частота вращения KB, 1/мин; - тактность двигателя (для 2-тактных двигателей = 2, а для 4-тактных =4).

Принимая во внимание то обстоятельство, что современные автомобильные  двигатели являются высокооборотными, можно утверждать, что дальнейшее форсирование их путем повышения  частоты вращения KB является мало перспективным. Оснований для такого вывода несколько. Во-первых, при возрастании  неизбежно повышаются потери на трение в подшипниках и в сопряжении поршней с цилиндровыми втулками, растут потери на осуществление насосных ходов и т.п., что ведет к уменьшению механического КПД и снижению экономичности двигателя. Во-вторых, это ведет к уменьшению ресурса двигателя. Поэтому данный способ форсирования находит применение лишь на двигателях спортивных автомобилей, предназначенных для установления рекордов скорости и не претендующих на долговечность.

Из приведенной формулы видно, что повысить мощность можно также  как за счет увеличения рабочего объема цилиндра путем изменения диаметра и хода поршня, так и за счет увеличения количества цилиндров. Увеличение количества цилиндров неизбежно связано  с ростом габаритных размеров двигателя, что не всегда приемлемо из-за ограниченного  пространства моторного отсека автомобиля. Увеличение хода поршня может быть осуществлено как путем замены KB на новый, так и путем эксцентричнного  обтачивания, например, шатунных шеек на уменьшенный диаметр. Немаловажным здесь является и то обстоятельство, что замена KB на новый, с увеличенным  радиусом вращения кривошипа, сопровождается некоторым увеличением массы  двигателя.

Поскольку , то очевидно, что увеличение диаметра цилиндра D оказывает на повышение мощности большее влияние, чем такое же увеличение хода поршня S. Если принять во внимание, что многие автомобильные двигатели имеют резерв для увеличения диаметра поршня без изменения внешних габаритов блока цилиндров, т.е. за счет расточки цилиндровых втулок под поршни увеличенного диаметра, то этот путь для тюнинга двигателя выглядит достаточно привлекательным.

Наконец, повысить мощность двигателя  можно за счет увеличения среднего эффективного давления. Наиболее действенным  способом увеличения является наддув. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.