Все знают, что распредвалы - это очень важный элемент тюнинга и тем более спортивного мотора. Многие часто слышали о фазах, времени открытия клапанов и т.д. Очень часто, многие могли слушать разговоры, типа: а какой мне лучше поставить распредвал 264 или 272, а может 290. На самом деле, это разговор ни о чем.

Распредвалы бывают разные — сток, тюнинг, тюнинг-спорт, полный спорт (кольцо, драг), турбо… У них разные задачи и цели. У всех у них разный диапазон работы. Грубо, возьмём DOHC мотор. Тюнинговый вал с фазами 25-65/70-20 (duration 270) улучшит характеристики мотора с небольшой потерей на низких оборотах, диапазон работы 2500-7200 оборотов. Более широкий вал, который возможно использовать на машине, не предназначенной только для гонок будет 40-70/75-35 (duration 290) — 4000-8200 оборотов. Если возьмём мотор SOCH, то 280 duration (тюнинг вал) не плохо работает в режиме 2500-6600 оборотов, а 310 duration — 4000-7800 это наверное уже оптимальный максимум для полного спорта.

Те, кто действительно желает в этом вопросе разобраться, предлагаю забыть то что я выше написал.

Чтобы лучше все это понять давайте виртуально увеличим мощность, к примеру, стандартного 2.0 литра Дуратек мотор Форд фокус, который в стоке имеет мощность 145 лошадиных сил.

Представьте, мотор это черный ящик, к которому подведены две трубы, в одну подается топливо, а в другую воздух. В черном ящике топливо смешивается с воздухом, сжимается, поджигается, короче происходит реакция, вследствие чего выделяется энергия и на выходе эта проделанная работа (момент)передается на коленвал.

Количество энергии зависит от массы сгоревшего топлива и его калорийности. Но для повышения мощности мы не можем просто увеличить подачу топлива т.к. для его полного сгорания необходимо 14.6 частей воздуха (на 1 единицу массы топлива 14.6 единиц массы воздуха). У нас нет проблем с увеличением топлива, но вот с подачей воздуха, если мы не собираемся подключить к черному ящику компрессор, есть определенные трудности.

1 ватт определяется как мощность, при которой за 1 секунду времени совершается работа в 1 джоуль, или это равняется 1 Дж = 1 кг•м?/с? = 1 Н•м. С учетом того, что в нашем черном ящике при сгорании топлива выделятся энергия и конечно производится работа — коленвал передает момент, для того, чтобы это перевести в момент (усилие передается через плечо) то мы можем просто работу •на 2Пи (2•3.14159), потом разделим на количество оборотов в секунду и получим момент.

ИЛИ МОЩНОСТЬ (кВ) = МОМЕНТ (N-M) • N (обороты двигателя в секунду) /159.2

ИЛИ

МОЩНОСТЬ = МОМЕНТ • 2Пи • N

ИЛИ

Не пугайтесь этого уравнения, сегодня мы из него рассмотрим только 2 значения (этого будет достаточно для понимания сути), остальное пусть будет неизменным.

Для чего я все это написал. Главное, чтобы вы поняли от чего зависит момент и мощность:

Момент зависит от количества выделенной энергии при сгорании топлива (конечно пока опустим всевозможные потери, эффективность, калорийность, КПД — не в этом суть). А количество топлива напрямую зависит от поступившего воздуха.

Мощность зависит от момента и оборотов двигателя. Если момент останется неизменным, но мы повысим обороты то мощность возрастет.

Есть такое понятие объёмная эффективность VE (Volumetric efficiency), Это значение равняется массе воздуха поступающего в двигатель по отношению к его рабочему объёму. Мотор дюратек, это современный с хорошей ГБЦ (головкой блока цилиндров) DOCH. В стоке, его максимальное VE равняется 95% в точке максимального момента. Это значит, что максимум в двигатель попадает только 95% от объёма 2 литра. Вообще VE оно не постоянно для двигателя, на моторе Дюратек на 2000 оборотах оно равняется 84% потом растёт до своего максимума 95% и начинает опять понижаться, на 6500 уже 88%, а на 7500 всего 75%.

Так как же нам повысить мощность на этом моторе? Если вы просто будете крутить ваш мотор, то мощность от этого только уменьшится т.к. VE (Volumetric efficiency) уменьшатся и после 6000 оборотов падение коэффициента наполнения составляет ниже 88% — это как объём вашего мотора с повышением оборотов уменьшится.

Да, конечно, можно установить нагнетатель воздуха, можно физически увеличить размер мотора (рабочий объём), но сегодня будем делать по-другому. Давайте для начала просто передвинем VE (Volumetric efficiency) с точки максимального момента, скажем на 6500 оборотов. Раньше у нас там было значение 88%, следовательно, оно станет 95%. В результате мы без проблем получим 170 сил на 6500 оборотах (не плохо).

Вообще какие бывают максимальные значения объёмной эффективности у атмосферных моторов? Современные 4 клапана на цилиндр моторы: 92-95%. Тюнинг легкий до 105%. NASCAR — 110%. Моторы со свободным впуском (Weber карбюраторы, заслонка на каждый цилиндр) отличный выпускной коллектор -110-115%. Гоночный мотор — 120-125%.

Что влияет на VE (Volumetric efficiency)? почему она на сток машинах такая не большая (2 клапана на цилиндр максимум 80-85%) на сток моторах:

— Потери в системе впуска, чем больше всевозможных препятствий, изгибов тем больше потери. На турбо моторах (из-за интеркулера, пайпинга) нормальное явление потери в пределах 0.2 бара, если сравнить эффективность турбо мотора 4 клапана на цилиндр, без учета избыточного давления, то она будет не более чем на моторе с 2 клапанами на цилиндр.

— Повышение температуры поступающего воздуха, и, как следствие, уменьшение плотности воздуха и конечно его массы.

— Цилиндры не полностью очищаются от отработанных газов, их объём может составлять более 5%. Соответственно уменьшатся в таком же количестве и поступление свежего воздуха.

— Обратное давление в системе впуска.

Если сложить все эти потери, то они составят намного больше чем 5%, которых нам не достает до 100% на моторе форд фокус. А вот за это и отвечает настройка системы впуска/ выпуска и распредвал. На сток моторах она настроена на режим круиз и максимального момента. Поэтому именно там обычно и есть максимальные значения VE (Volumetric efficiency).

Ну вот, теперь поговорим о распредвалах. Что и зачем вообще распредвал в моторе делает? делает он простую и не сложную работу — открывает и закрывает в нужный момент клапана. Чтобы лучше понять его работу давайте вспомним что такое 4 тактный мотор.

Все очень просто: 1 такт — впуск, 2 такт — сжатие, 3 такт — рабочий ход и 4 такт — выпуск.

Теперь добавим к этим 4 тактам еще 4 очень важных процесса:

Впускной клапан открыт — ВКО

Выпускной клапан открыт — ВыКО

Впускной клапан закрыт — ВКЗ

Выпускной клапан закрыт — ВыКЗ

Но, чтобы понять, как добиться 125% VE (Volumetric efficiency) на атмосферном моторе этого нам мало. Поэтому рассмотрим 7 тактов (событий) которые связаны между собой, которые отвечают за наполняемость цилиндров, за все процессы, связанные с воздухом и газами.

ПРОЦЕСС 1 — ВПУСК (ВСАСЫВАНИЕ) (INTAKE PUMPING)

Начинается сразу после того как выпускной клапан закрывается (ВыКЗ) в момент перекрытия клапанов (overlap) несколько градусов после верхней мертвой точки ВМТ цилиндра. Впускной клапан (ВК) уже частично открыт и, быстро двигающийся вниз, поршень начинает всасывать топливо-воздушную смесь через впускной канал. Поршень набирает скорость и где-то около 75* после ВМТ достигает своего максимума и поэтому в цилиндре создается разряжение. ВК полностью открывается около 108* (градусов) после ВМТ. Процесс впуска (всасывания) заканчивается когда поршень останавливается в своей нижней мертвой точке (НМТ). В это момент ВК все еще полностью открыт.

ПРОЦЕСС 2 — ВПУСК (УТРАМБОВКА) (INTAKE RAMMING)

Начинается в момент, когда поршень меняет свое направление, начинает двигаться вверх, но при этом ВК начинает закрываться. Топливно-воздушная смесь продолжает поступать в цилиндр (утрамбовываться). С движением поршня вверх, давление в цилиндре начинает возрастать, но смесь продолжает поступать. Около 60* после НМТ ВК закрывается и на этом этот процесс заканчивается. Это одно из важнейших событий благодаря которому удается увеличить VE (Volumetric efficiency) до 110% в современных гоночных моторах.

Необходимо этот процесс обсудить более подробно.

Здесь важны два момента:

Вовремя закрыть впускной клапан, пока возрастающее давление в цилиндре не начало превышать давление в впускном канале и, как следствие, выталкивать свежепоступившую топливо-воздушную смесь обратно.

Организовать давление как можно больше и дольше во впускном тракте цилиндра.

Это называется инерционный тюнинг или organ pipe tuning, Принцип работы органа (музыкальный инструмент). Для доходчивости я воспользуюсь не совсем верным методом объяснения, но зато очень понятным. Надеюсь все помнят, что такое слинки, это такая игрушка.

Вот примерно так ведут себя и газы, жидкости в трубах, это как бы пневмопружина. Воздух, газ или топливо-воздушная смесь имеет массу, а значит и кинетическую энергию. Если мы потянем за один край этой игрушки, то со временем импульс дойдет и до другого края. Так и воздух, он разгоняется во впускном канале, соответственно имеет инерцию, он не может сразу остановиться, за волной разряжения обязательно последует волна давления. Чем быстрее мы организуем скорость потока в канале, тем больше воздуха поступит в цилиндр т.к. будет больше давление. Воздух будет поступать в цилиндр до тех пор, пока давление в канале будет выше чем в цилиндре и вот тут опять главное вовремя закрыть канал, чтобы поршень, идущий вверх (при этом повышающий давление в цилиндре) не начал выталкивать воздух.

На скорость потока заряда влияет скорость поршня (обороты двигателя), проходное сечение впускного тракта (канал и ранер) и тормозящие процессы вызванные сопротивлением. Теперь становится понятно, что если мы увеличим канал, установим большего размера клапан то скорость потока уменьшится, кинетической энергии будет меньше — меньше давление, меньше поступит воздуха — меньше мощность. Но если мы увеличим скорость поршня за счет увеличения оборотов двигателя, то тем самым добьемся компромисса. Закон простой — уменьшаем диаметр или увеличиваем обороты двигателя — повышаем скорость потока (воздушного заряда) НО ПРИ ЭТОМ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ СОПРОТИВЛЕНИЕ и наоборот.

Длина определят момент, когда процесс должен произойти. Длиннее ранер с канала-дольше будет идти волна — меньше обороты двигателя и наоборот.

ПРОЦЕСС 3 — СЖАТИЕ

Здесь все просто. Начинается после закрытия ВК в то время пока поршень продолжает двигаться вверх сжимая при этом топливо-воздушную смесь в цилиндре. Заканчивается в момент, когда свеча зажигает смесь — где-то 30 градусов перед ВМТ. Для постройки гоночного мотора — ваша задача добиться наименьшего оптимального угла опережения зажигания. Для этого есть много способов, о которых поговорим в другой раз.

ПРОЦЕСС 4 — ЗАЖИГАНИЕ И РАСШИРЕНИЕ

Fuel Burning and Expansion. Процесс начинается сразу после зажигания, поршень продолжает двигаться вверх. Температура и давление повышается. пик приходится на 12-15 градусов после ВМТ. Это большое давление давит на верх поршня и толкает его вниз, газы продолжают расширяться. Процесс заканчивается сразу после того как выпускной клапан начинает открываться (exhaust valve cracks open) где-то 120* после ВМТ.

ПРОЦЕСС 5 — EXHAUST BLOWDOWN (ПРОДУВКА)

Начинается сразу после того, как выпускной клапан начинает открываться (exhaust valve cracks open) как раз в этот момент и происходит этот звук (который мы потом заглушаем). Температура и давление в цилиндре все еще высокое, часть смеси продолжает гореть. В данный момент, при таком высоком давлении система выпуска не настраивается (продувка все снесёт на своем пути).

Процесс важный (поговорим позднее), раньше открыл-меньше мощность (эффект как от настройки опережения зажигания)… Заканчивается в момент когда поршень достигает НМТ.

ПРОЦЕСС 6 — EXHAUST PUMPING (ОТКАЧКА)

Процесс 6 очень похож на ПРОЦЕСС 1. только газы движутся в обратном направлении. Начинается в момент, когда поршень меняет свое направление и начинает двигаться вверх. Выпускной клапан продолжает открываться и достигает своего максимума где-то 70* после НМТ. Поршень набирает свою максимальную скорость около 105* после НМТ. Выпускные газы благодаря процессу продувки уже не имеют такого высокого давления. Поршень выталкивает через выпускной канал и при этом разгонят отработанные газы, они опять начинают набирать кинетическую энергию. Процесс заканчивается в момент, когда впускной клапан начинает открываться где-то около ВМТ.

ПРОЦЕСС 7 — перекрытие (OVERLAP)

Процесс начинается, когда ВК открывается, а выпускной еще не закрыт. Очень важный процесс (рассмотрим внимательнее позднее). Процесс заканчивается в момент, когда выпускной клапан полностью закрывается.

В этот момент настраивается два процесса для очищения и наполнения цилиндра. Цель: создать давление на впуске и разрежение на выпуске.

Поршень разогнал выпускные газы, они набрали энергию и поэтому даже когда поршень начинает свое движение вниз, в выпускном коллекторе давление меньше чем в цилиндре и поэтому продолжается процесс высасывания, очищение камеры сгорания, цилиндров. Также это низкое давление помогает всасывать свежий заряд через открывающейся ВК. Часть этого заряда остается в цилиндре, а часть выходит с отработанными газами (очищение, ну и правда повышенный расход вам будет обеспечен).

Выпуск здесь необходимо настроить — организовать скорость потока в выпускных каналах, раннерах. Пик разрежения (и как следствие точка максимального момента или мощности) определяется длиной. С пиком здесь можно поиграть. Можем его сделать очень сильным или " размазать". За это отвечает коллектор, точнее его размер, длина, да или просто наличие. Скажем на драгстерах часто можно встретить просто трубы от каждого цилиндра в воздух.

Но на этом настройка в 7 процессе не заканчивается. Здесь появляется еще один вид — резонансный тюнинг в момент открытия впускного клапана.

Как только выпускной клапан закрывается, нам необходимо добиться чтобы во впускном канале образовалось давление. Поймать, настроиться на одну из волн, амплитуд с положительным экстримом. Это похоже на эхо, вот его нам и надо настроить.

Если все сделать правильно, то можно добиться эффективной наполняемости до 130%.

К ПРИМЕРУ: если мы продолжим делать наш мотор форда дюратек. ГБЦ у него не плохая, впускной клапан 35 мм (это с потенциалом до 8200 оборотов двигателя). Нет, не будем сильно модернизировать. Заводская поршневая позволят крутить мотор до 7200 оборотов. Но для безопасности поменяем только шатунные болты на усиленные и тем самым сдвинем порог до 7700 оборотов. Теперь установим хорошие дросселя (свободный впуск), скажем проверенный и хорошо себя зарекомендовавший кит от Jenvey. Изготовим выпускной, специально настроенный коллектор и конечно поменяем всю систему выпуска. Установим новые распредвалы. И без проблем получим 220 сил на 7200 оборотах на обыкновенном бензине, можно и больше, но для этого нужно еще повышать обороты.