Как уменьшить степень сжатия двигателя для турбо
Изменение степени сжатия
По этой формуле вычисляем объём имеющейся камеры сгорания и вычитаем из него объём желаемой (вычисленный по той же формуле), полученная разница и есть интересующее на значение на которое и нужно увеличить камеру сгорания.
Существуют разнообразнве способы увеличения камеры сгорания но далеко не все из них верные. Камера сгорания современного автомобиля спроектирована таким образом, что при достижении поршнем ВМТ топливо воздушная смесь вытесняется к центру камеры сгорания. Это пожалуй самая действенная разработка препятствующая детонации.
Самостоятельная доработка камеры в ГБЦ под силу далеко не многим. Это обусловлено тем, что вопервых вы можите нарушить спроектированную форму камеры, так же при доработке могут «вскрыться» стенки т.к. не известна их толщина. Так же не рекомендуется «расжимать мотор» толстыми прокладками т.к. Это нарушит процессы вытеснения в камере сгорания. Наиболее простым и правельным способом считается установка новых поршней в которых задан необходимый объём камеры. Для турбо-двигателя сферическая форма считается наиболее эффективной. Лучше использовать для этих целей специально разработанные и изготовленные поршни. Возможен вариант самостоятельной доработки стоковых поршней. Но сдесь нужно учесть что толщина дна поршня не должна быть меньше 6% от диаметра.
Степень сжатия в турбо двигателе
Одной из самых важных и пожалуй самой сложной задачей при проектировании турбодвигателя является принятие решения о степени сжатия. Этот параметр влияет на большое количество факторов в общей характеристике автомобиля. Мощность, экономичность, приёмистость, детонационная стойкость (параметр от которого сильно зависит эксплуатационная надёжность двигателя в целом), все эти факторы в значительной степени определяются степенью сжатия. Также это влияет на расход топлива и состав отработавших газов. В теории, степень сжатия для турбо-мотора рассчитать не составляет большого труда.
Сначала разберём понятие «Сжатие» или «Геометрическая степень сжатия». Оно представляет собой отношение полного объёма цилиндра (рабочий объём плюс пространство сжатия, остающееся над поршнем при положении в верхней мёртвой точки (ВМТ)), к чистому пространству сжатия. Формула имеет следующий вид: Ɛ=(VP+VB)/VB
Эта упрощённая формула будет справедлива при условии, что температура в конце процесса сжатия для двигателей с наддувом и без наддува достигает одинакового значения. Иными словами, чем выше давление наддува, тем меньше возможное геометрическое сжатие. Итак, согласно нашей формуле для атмосферного двигателя со степенью сжатия 10:1 при давлении наддува 0.3 бара степень сжатия следует уменьшить до 8.3:1, при давлении 0.8 бара до 6.6:1. Но, слава богу, это теория. Все современные двигатели с турбонаддувом работают не с такими через мерно низкими значениями. Правильная степень сжатия для работы определяется сложными термодинамическими вычислениями и всесторонними испытаниями. Всё это из области высоких технологий и сложных расчётов, но много тюнинговых моторов собрано на основе некоторого опыта, как собственного, так и взятого за пример, от известных автомобильных производителей. Эти правила будут справедливы в большинстве случаев.
Есть несколько важных факторов влияющих на расчёт степени сжатия и их нужно принимать во внимание при проектировании. Я перечислю наиболее важные. Конечно, это желаемый наддув, октановое число топлива, форма камеры сгорания, эффективность промежуточного охладителя, и, безусловно те мероприятия которые вы в состоянии провести по снижению температурной напряжённости в камере сгорания. Углом опережения зажигания (УОЗ) так же можно частично компенсировать возросшие нагрузки. Но это темы для отдельной разговора, и мы безусловно затронем их позже в следующих статьях.
Конечно одна из замечательных сторон турбонаддува то, что турбонагнетатель может сочетать мощность с «хорошим, серийным» двигателем и давать при этом потрясающие результаты. Некоторые не предполагают, что тщательная подготовка двигателя может не дать результата, соразмерного потраченным усилиям. Делать работу правильно означает подготовку двигателя только до такой степени, которой требуют желаемые рабочие характеристики.
Определение целей
Желаемая мощность переводится в величину давления наддува, требуемого для достижения этой мощности. Подготовку двигателя, необходимую для такого давления наддува, можно разделить на несколько общих пунктов. Конечно, многие двигатели имеют специфические требования и слабости. Поиск в литературе по любому данному двигателю обычно дает богатую информацию, гораздо больше чем необходимо.
Степень сжатия
Приблизительные допустимые давления наддува для различного октанового числа топлива и различной степени сжатия двигателя.
Не будьте поспешными, чтобы понижать степень сжатия только потому, что большинство производителей любит так делать. Правильная степень сжатия для работы определена длинными термодинамическими вычислениями и всесторонними испытаниями. Все это высокие технологии, но много полезного может быть сделано при некотором опыте и будет подходить для наиболее общих приложений. Два, наиболее влияющих на степень сжатия, фактора это желаемое давление наддува и эффективность промежуточного охладителя. Октановое число топлива, конечно, играет большую роль, но мы обычно ограничиваемся использованием коммерческого бензина.
Приблизительный график давления наддува как функции степени сжатия и КПД промежуточного охладителя.
Двигатель с турбонаддувом нельзя никогда превращать в заготовку с низкой степенью сжатия.
Вычисление изменения степени сжатия.
Чтобы вычислить степень сжатия, мы должны знать рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания (см. глоссарий)
Определение степени сжатия
Преобразовав уравнение можно получить формулу, позволяющую легко вычислить объем камеры сгорания при известной степени сжатия.
Пример: Четырехцилиндровый двигатель с объемом 2000 см 3 со степенью сжатия 11,0
Чтобы уменьшить степень сжатия до 8,5 новый объем камеры сгорания должен быть
Изменение степени сжатия.
Подготовка головки блока цилиндров
Подготовка головки блока цилиндров зависит от назначения двигателя. Хороший уличный двигатель с турбонаддувом обычно прекрасно работает с полностью штатной головкой блока цилиндров. С другой стороны, двигатель гоночного автомобиля с турбонаддувом требует полной подготовки соответствующей виду соревнований.
Впускные и выпускные каналы должны получить обработку соответствующую назначению двигателя. Для обычной уличной системы турбонаддува, шлифовка и совмещение каналов вполне логичны. Подготовка для соревнований имеет свои отличия. Воздушный поток, проходящий через каналы двигателя с турбонаддувом, значительно превышает тот, который проходит через каналы атмосферного двигателя, поэтому несовершенства каналов создают значительно большее сопротивление потоку воздуха. Поэтому турбосистемы, используемые дня соревнований, требуют более тщательной подготовки каналов.
Подготовка блока цилиндров
Блок цилиндров вряд ли будет нуждаться в специальной подготовке, только потому, что на сцену входит турбонагнетатель. Хороший серийный блок будет вполне подходящим для большинства проектов. Но где-то между высокими характеристиками, большим ресурсом и простым желанием мастера существует логичная причина подумать о подготовке блока цилиндров.
Высококачественная многослойная прокладка головки блока цилиндров для двигателя Nissan SR20DET от APEXI
Вымойте блок в горячем растворителе для удобства работы, удалите все заусенцы, и повторно прогоните метчиком все резьбовые отверстия. Сопрягаемые поверхности должны быть плоскими, убедитесь, что все поверхности равноудалены и параллельны относительно геометрической оси коленвала. Отверстия для коленвала должны быть соосными и цилиндричными. Также чрезвычайно важно чтобы цилиндры двигателя были цилиндричными. Вымойте блок снова, когда все выше сказанное выполнено и удостоверьтесь, что он действительно чист. Одна характеристика блока цилиндров могла бы помочь проекту турбонаддува, это жесткость блока.
Усовершенствование прокладки головки блока цилиндра пазом без кольцевого уплотнения
Прокладка головки блока цилиндров, усиленная кольцевым уплотнением
Прокладка головки блока цилиндров, усиленная двойным кольцевым уплотнением
Прокладка головки блока цилиндров
Когда шпилька затянута, ее резьба, действуя на резьбу в отверстии, вызывает сжимающие усилия в окружающем основном металле. Растягивающее усилие, приложенное к шпильке, снижает напряжения сжатия до нуля, при дальней шей затяжке создаются напряжение растяжения, в результате мы имеем более низкие растягивающие напряжения.
Крепление головки блока цилиндров
Первое серьезное усовершенствование состоит в замене болтов высокопрочными шпильками. Должным образом закрепленная шпилька, с хвостовиком, ввинченным до упора в блок, является гораздо лучшим креплением, чем болт, завинченный в блок.
Логично установить шпильки крепления головки блока на размер больше, и при этом получить возможность увеличить стягивающее усилие, при более высоком моменте затяжки. Серьезное внимание нужно уделить деформации верхней части цилиндра, вызванной более высоким моментом затяжки креплений.
Затяжка креплений головки блока
Цель затяжки болта, или гайки на шпильке, состоит в приложении растягивающего усилия к стержню болта или шпильки. Степень, с которой момент преобразуется в растяжение, почти исключительно зависит от трения между резьбой шпильки и резьбовым отверстием и трения между шайбой и гайкой. Чтобы достичь максимального растяжения в стержне для данного момента, трение нужно понизить до минимума.
Это нужно сделать, убедившись в отличном состоянии резьбы и гладкости поверхности гайки. Число использований болта или шпильки ограничено, потому что поверхности становятся шероховатыми, грубыми или иначе поврежденными. Вероятно, их можно использовать три раза.
Поршни для турбонаддува
Материал для поршней.
Ковка имеет такую нежелательную особенность как необходимость в немного большем зазоре между поршнем и цилиндром. Большие зазоры могут разрушить поршень за короткое время в течение прогрева двигателя. Если используется слишком большой зазор, предполагаемый срок службы может быть равен ресурсу перегруженного литого поршня. Некоторые из производителей кованых поршней победили проблему увеличенного зазора, и мы имеем превосходные поршни. Проблема, конечно, в том, чтобы знать точно, что Вы имеете.
Хороший поршень для турбонаддува будет иметь толстые, прочные площадки для колец. Кованый поршень для двигателя Toyota 3S-GTE
Не нужно бежать сломя голову в магазин за коваными поршнями, каждый раз, когда необходимо подготовить двигатель для установки турбонагнетателя.
Решение должно быть основано на трех пунктах: увеличение максимальных оборотов, давление наддува, и наличие эффективного промежуточного охладителя. Имейте в виду, что инерционные нагрузки в поршнях взмывают вверх с увеличением оборотов, большее давление производит большее количество теплоты, а хороший промежуточный охладитель забирает теплоту. Это и есть критерии выбора. Если условия не слишком необычные, уличному автомобилю, со штатными максимальными оборотами, больше подойдут литые поршни. Ковка должна использоваться для высоких оборотов, в то время как заэвтекти-ческие сплавы Тб отвечают почти всем предъявляемым требованиям.
Конструкция.
Отвод тепла.
Впрыск масла на днище поршня понижает рабочую температуру поршня, увеличивая его ресурс.
Хотя установка форсунок и не является простой, распыление масла должно бьггь первой модификацией. Установка форсунок должна сопровождаться установкой масляного насоса увеличенной производительности, или, по крайней мере, более жесткой пружиной в редукционном клапане насоса. Может потребоваться подбор диаметра сопла форсунок, диаметр 0,8 мм должен быть хорошим выбором для начала.
Балансировка деталей
Турбонагнетатель имеет некоторое отношение к механическому совершенству двигателя. Совершенно понятно, что любой двигатель, предназначенный для эффективной подготовки, должен подвергаеться полной и точной балансировке. В противном случае конечный пользователь просто несерьезен.
Распредвалы
Известно, что распредвалы для турбонаддува значительно отличаются от распредвалов для форсированных атмосферных двигателей. Характеристики с широкой фазой и длительным перекрытием для распредвалов форсированных атмосферных двигателей, не подходят дня системы турбонаддува, уличный двигатель с небольшим турбонагнетателем, работает с давлением в выпускном коллекторе, которое несколько выше, чем давление наддува на впуске. При установке распредвалов с широкой фазой и длительным перекрытием, создается сильный обратный выброс газов. Таким образом «распредвал для турбонаддува» должен иметь узкую фазу и достаточно ограниченное перекрытие.
Перекрытие распредвала турбодвигателя должно быть минималъным.
Трудно найти распредвал для турбонаддува, который работает лучше, чем штатный.
Другие элементы двигателя
Выбор таких деталей как клапанный механизм, шатуны, подшипники, и шатунные болты не зависит от наличия турбонагнетателя. Эти детали должны быть выбраны на основании предполагаемых максимальных оборотов двигателя. Вообще, штатное оборудование полностью подходит фактически для любой системы турбонаддува, которая имеет максимальные обороты двигателя, установленные производителем.
Итоги главы
Какова лучшая степень сжатия для двигателя с турбонаддувом?
Нет такого понятия как лучшая или идеальная степень сжатия. Есть простые основные принципы:
• Чем ниже степень сжатия, тем легче обеспечить высокий наддув без детонации
• Чем выше степень сжатия, тем больше топливная экономичность и реакция двигателя при отсутствии давления наддува
При высокой степени сжатия борьба с детонацией достаточно сложное дело. Для всех практических целей, обычно приходится использовать степень сжатия стандартного двигателя. Серьезные усилия, направленные на промежуточное охлаждение, делают это практически возможным.
Необходимо ли заменить распредвал?
Нет. Штатные распредвалы обычно вполне подходят. При высоком давлении наддува ( более 1 бара) на турбоавтомобиле с высокими характеристиками, замена распредвала будет необходима, но это также касается и некоторых других вещей. Оставьте штатный распредвал, и Вы будете вполне довольны.
Необходимо ли модифицировать головку блока цилиндров или переделывать каналы клапанов?
Нет в обоих случаях.