Следующий аспект модификации ГБЦ на который следует обратить внимание, это завихрения (swirl) или в случае с 4 клапанами на цилиндр Tumble.

Эти завихрения определяются, как направленный эффект на поступающий воздушный заряд, вызванный за счет формы впускного канала или входного угла в камеру сгорания. Завихрения сильно помогают процессу горения, не взрыву смеси (детонация, самовозгорание и т.д.) Это происходит за счет улучшения смесеобразования и равномерной, однородной ее подачи в цилиндры. В конце каждого такта выпуска в камере сгорания остается определенное количество отработанных газов. Если этим газам позволить собираться в очаги, то это замедлит скорость горения смеси, также ограничит поступление свежего воздуха. Хорошо организованная продувка камеры сгорания (настроенная система выпуска под имеющийся распредвал) и SWIRL – очень хорошо справляются с данной проблемой. Многие современные камеры сгорания работают на принципе завихрений поступающей топливо воздушной смеси, что в свою очередь позволяет повысить степень сжатия или использовать более высокий буст (избыточное давление). Также swirl дает возможность уменьшить оптимальный угол зажигания, все это улучшит мощностные показатели двигателя. Очень интересный факт:камеры сгорания с очень хорошо организованным завихрением (high-swirl port/chamber) на малых оборотах 2500 – имеет оптимальный угол зажигания на 5° градусов меньше чем обыкновенные (low-swirl) и естественно, из-за этого, значительное увеличение момента.

Как правило, завихрение создается за счет смещения канала от центра клапана. Любой изгиб канала, приводящий к правильному завихрению – приветствуется (канал на левой стороне). Расточенный канал (на правой стороне) показывает распространенную ошибку многих тюнеров, которые снимают метал в более удобном месте. Выпрямление канала, приводящее к уменьшению завихрений, становится причиной плохого смесеобразования, процесса горения…, со всеми вытекающими последствиями.

Конструкция (дизайн) Semi-hemi (Lotus Twin Cam) или 4 клапана на цилиндр pent-roof ГБЦ (рассмотренные, как пример во второй части) обычно очень хорошая, мало что там можно сделать. Камера сгорания иногда нуждается в легкой доработке, в основном если большего размера клапана планируется использовать. Главное условие – держите Ваш инструмент для расточки, шлифовки подальше от каналов. Максимум, что можно сделать, так это убрать неровности литья, шишки и все, если у вас нет продувочного стенда. То, что необходимо сделать и как, было описано в предыдущей части, работа с седлом клапана и зоной сразу под ним, в горле канала. Высокие показатели продувки, наполняемости (CFM) должны быть достигнуты за счет оптимизации, а не увеличения размера проходного сечения канала. Если просто увеличить размер канала, скорость потока уменьшится, это в свою очередь уменьшит процесс утрамбовки (ramming) и увеличится противоток (flow reversion). Результат – ухудшение на низких и средних оборотах и даже (часто) возможно без пользы, выгоды на высоких оборотах.

Скажу честно, что всегда трудно и дорого получить значительное увеличение мощности с ГБЦ, которая в стоке сконструирована хорошо. Если у вас есть продувочный стенд, swirl meter и не совсем удачная конструкция каналов ГБЦ, необходимо придерживаться следующей логики для ”улучшайзинга” каналов.

Так выглядит впускной канал в разрезе, на нем пунктиром (это только принцип) обозначены места для доработки (оптимизации) канала.

Распрямление канала, это хорошая идея, наша задача увеличить радиус изгиба на верху и снизу, но на верхнем, длинном изгибе канала, мы обычно не можем много убрать метала из-за близкого расположения посадочного места пружины клапана. Обычно, именно короткая нижняя сторона канала является основным препятствием для достижения хороших результатов продувки при среднем и максимальном подъеме клапана. Двигатели Формулы 1 имеют очень большой радиус нижнего изгиба. Нижняя сторона изменяется за счет нанесения дополнительного материала эпоксидка или алюминий и тем самым увеличивая радиус и улучшая направление потока в камеру сгорания.

Добавленный материал на нижний изгиб значительно уменьшит проходное сечение. Для компенсации, необходимо в этом месте плавно расширить канал, он станет уже не круглый, а овальный. Типичный круглый 30 мм в диаметре впускной канал будет сужаться к низу до 23 мм и расширятся в стороны до 36 мм. Если это ГБЦ с 4 клапанами на цилиндр или Hemi, в таком случае, делаем по следующему принципу.

Если это 2 клапана на цилиндр, то для улучшения завихрения расширяем канал с одной стороны

Также стоит поговорить об увеличении каналов и особенно о минимальном проходном сечении, обычно оно находится сразу под горлом канала (может быть и в другом месте). Если у вас современный мотор с хорошей pent-roof ГБЦ (как на моторе дюратек) не трогайте, не увеличивайте – если только не строите гоночный двигатель. Увеличение приведет к значительному ухудшению мощностной характеристики в целом. Конечно, если строите под определенные задачи, определились с рабочим диапазоном, максимальными оборотами, то только в этом случае, вскройте канал, но не больше, чем того требует поставленная задача. Это не проблема, увеличив размеры каналов, Вы естественно увеличите максимальные значения потока воздуха, но при этом потеряете низ и середину.

Предлагаю посмотреть на сравнительный тест проведенный David Vizard с мотором 383 Small-Block (6.27 литра). Здесь отчетливо видно как меняется кривая момента с увеличением каналов.

Во второй части шла речь о преимуществе ГБЦ с 4 клапанами в сравнении с 2 клапанами на цилиндр, а также считаю, что это вопрос спорный. К тому же у меня сейчас подопытный автомобиль, на котором отлаживается система flexfuel, а именно, 1.4 литра шкода фабиа (8 клапанов) и до 3500-4000 оборотов она едет на порядок лучше, чем 1.6 литра 16 клапанов.

Главное, вы должны понять, что для достижения, повышения мощности, момента не достаточно просто увеличить наполняемость цилиндров (увеличив, расточив каналы). Как я уже много раз писал, на малых оборотах скорость потока поступающего заряда в каналах не высокая, и конечно в связи с этим сильно страдает наполняемость. Есть две составляющие на которые следует обратить внимание для увеличение момента на малых оборотах:

А. Улучшение наполняемости при малом подъеме впускного клапана (скажем в момент его закрытия). Об этом говорилось в предыдущих постах (седло клапана, улучшение анти реверса потока, проходное сечение канала…)

Б. Организовать как можно более эффективное горение смеси. В этом вопросе нам поможет хорошо организованные завихрения.

Существует два вида завихрений (смотри иллюстрацию в части 2) Swirl и Tumble. Swirl – завихрение вокруг вертикальной оси (как стрептизерша вокруг своего шеста крутится). ГБЦ с 2 клапанами на цилиндр имеет конструктивную тенденцию к этому виду завихрения, а как это улучшить мы уже рассмотрели.

С другой стороны, ГБЦ с 4 клапанами на цилиндр не любит вообще стриптиз, кручение вокруг вертикальной оси (нет конструктивной тенденции к swirl), но имеет склонность к tumble – завихрениям вокруг горизонтальной оси (это как гимнаст крутится на турнике)

Слева ГБЦ с 4 клапанами, справа с 2 клапанами на цилиндр.

На первый взгляд, влияние обоих видов завихрения должно быть одинаковым, это так и есть, Но до момента, когда поршень достигает верхней мертвой точки ВМТ, здесь ситуация меняется кардинально. Горизонтальное завихрение (tumble) которое используется в ГБЦ с 4 клапанами прекращается, а вот вертикальное (swirl) нет. К тому же, наш гимнаст на турнике (tumble) отказывается вращаться, когда степень сжатия выше 11/1. Все это приводит к замедлению процесса горения. В дополнение к недостаткам ГБЦ с 4 клапанами имеет склонность к выпуску свежего заряда через выпускные каналы в режиме оверлап (когда открыты впускные и выпускные клапана) перепродувка цилиндров (over scavenging) – что в свою очередь ухудшает момент на низких оборотах и увеличивает расход топлива. (эта проблема элементарно решается при доработке ГБЦ)

Если вкратце, то хорошие ГБЦ с 2 клапанами на цилиндр с адекватным соотношением размера клапанов (каналов) к диаметру цилиндра и ходу поршня всегда выдаст больше мощности на малых и средних оборотах (1000 - 3500 оборотов) в сравнении с 4 клапанами на цилиндр при одинаковом объеме двигателя. Но при этом, 4 клапанный двигатель ощутимо выигрывает на оборотах выше 4000. Если посмотреть исторически, то 4 клапанные головы изначально были сконструированы для гоночных моторов с возможностью выдавать максимальную мощность на значительно более высоких оборотах и только впоследствии стали популярными у производителей гражданских автомобилей. Такие моторы в стоке ОБЫЧНО показывают пик мощности где-то на 6000 - 6500 (есть много исключений). Но только вдумайтесь 90% времени, обычный водитель использует свой мотор в диапазоне 1500 - 3500 оборотов.

К чему я все это пишу, раньше я рассказал о преимуществах 4 клапанных ГБЦ, теперь мы рассмотрели их недостатки, а так же преимущества ГБЦ с 2 клапанами. Тот факт, что 2 клапана на цилиндр ГБЦ более эффективна в диапазоне малых и средних оборотов неоспорим. Именно поэтому производители гражданских автомобилей стали уже давно внедрять различные системы Изменение фаз газораспределения (VVT variable valve timing) что в свою очередь реально ситуацию улучшило, но и сделало такую систему дороже.

Я предлагаю рассмотреть варианты, кроме изменение фаз газораспределения, что или как возможно улучшить ГБЦ с 4 клапанами на цилиндр, используя преимущества которые присутствуют у двигателей с 2 клапанами. Как совместить, ведь очевидно, что один из факторов, это вертикальное завихрение, которое отсутствует в данных моторах. Или просто, надо добавить стриптиза в 4-х клапанные ГБЦ, помочь гимнасту – совместить swirl и tumble.

Я знаю, что многие мои знакомые будут смеяться (у меня всегда ФОРД самый лучший), но факт остается фактом. Автором изобретения является Douglas David, а патентообладателем (первоначальным) Ford Global Technologies, Inc. Данное изобретение является прародителем всех современных систем Variable Swirl Control System. Не надо эту систему путать с TUMBLE GENERATOR VALVE (TGV) которая используется в Субару (и ее многие удаляют)

Идея заключается в установке регулируемой заслонки в один из впускных каналов, а не в ранер, как у Субару. Variable Swirl Control System получила широкое признание у всех производителей, они имеют различные названия, но принцип один – добавить завихрений вокруг вертикальной оси — Swirl.

Привожу примеры — Mercedes 2004: V6 CDI (справа) и BMW Diesel Technology 3.0-litre Diesel (слева)

Это одна из причин, почему современные турбодизели имеют такие потрясающие показатели на низких, малых оборотах (с учетом того, что имеют ГБЦ с 4 клапанами на цилиндр). Конструкторы BMW добавили не просто стриптиза (swirl) они создали шедевр вращения потока вокруг вертикальной оси (swirl).

Из рисунка очень хорошо видно, что при закрытой заслонке, расположенной в одном из ответвлений впускного канала, происходит закручивание поступающего заряда, далее с повышением оборотов и нагрузки заслонка открывается для достижения максимальной наполняемости.

В свое время, при постройке гоночных моторов с 16 клапанными ГБЦ для организации дополнительного завихрения и как следствие улучшения низов, я использовал кастом распредвалы, в которых были разные впускные кулачки. Вариантов много, но лучше всего работает, когда один кулачок имеет на 5 - 7 градусов меньше полную фазу (duration) и при этом имеют одинаковый Lobe separation angle (LSA) — общий развал кулачков.

В таком варианте существенно улучшался момент на низких оборотах и незначительно срезалась верхушка.

Многие могут подумать, а причем здесь портинг, доработка ГБЦ? Все вышеприведенные варианты, используемые производителями, доказывают эффективность организации вертикального завихрения в моторах с 4 клапанами на цилиндр. Значит при портинге необходимо всегда об этом думать. Как улучшить на 8-ми клапанном моторе (2 клапана на цилиндр) я уже в предыдущем посте рассказал. Теперь стоит рассмотреть некоторые варианты с 16 клапанными головками (4 клапана на цилиндр).

David James Martin автор следующего изобретения

С виду обычная головка, но вот почему здесь присутствует swirl вертикальное завихрение? Ответ – все элементарно, разный размер клапанов и каналов, причем, как впускных, так и выпускных. Данная процедура достаточно сложная и дорогая, но очень эффективная.

Так же, при таком подходе оптимизации каналов, камеры сгорания, желательно уделить внимание и высоте расположения седел клапанов. Выше, мы рассматривали проблему — перепродувки цилиндров (overscavenging) на данном типе головок в режиме оверлап. Для улучшения необходимо выпускной клапан посадить глубже.

В таком случае, образовавшаяся ступенька ограничит, уменьшит выход, утечку свежего поступающего заряда через выпускной канал.