Тюнинг атмосферного бензинового двигателя.

По своей сути задача форсирования двигателя внутреннего сгорания сводиться к увеличению количества воздуха, прокачиваемого через двигатель в единицу времени. Эта задача имеет многовариантность решения, что и обуславливает многообразие решений по форсированию двигателя.

Увеличение рабочего объема.

Начнем с самого понятного - увеличения рабочего объема. В целом все просто: чем больше рабочий объем двигателя, тем больший объем воздуха он прокачивает через себя при одинаковых оборотах.

Рабочий объем двигателя равен V раб. 1 цил. Умножить на число цилиндров. V раб. 1 цил = (3.14*D²/4)*h. Где D диаметр цилиндра, а h ход поршня.

С увеличением рабочего объема тоже все просто: есть диаметр цилиндра, есть рабочий ход поршня, увеличиваем любой из этих параметров, или оба сразу и тем самым увеличиваем рабочий объем.

Для простоты понимания рассмотрим пример увеличения рабочего объема двигателя M50 до 3,4 л.

Двигатель	Диаметр цилиндра	Ход поршня	расчет	Рабочий объем
M50TUB25	84 мм.	75 мм.	(3,14x842/4)x75x6	2493 см3
M50TUB34	87 мм.	93,8 мм.	(3,14x872/4)x93,8x6	3344 см3

Итак, при таком тюнинге увеличили диаметр цилиндра на 3 мм, а ход поршня на 18,8 мм. В результате рабочий объем двигателя был увеличен на 0,85 л. или на 34%.

Поскольку в качестве примера был выбран реальный двигатель BMW – Alpina B3S, то мы знаем и его технические характеристики – крутящий момент 362 нм и мощность 305 лс. Что превышает исходные параметры по моменту на 45% по мощности на 59%. Как мы видим в процентном отношении мощность и крутящий момент выросли даже больше, чем рабочий объем. И ответ на вопрос: как это возможно, надеюсь вы поймете, прочитав эту статью.

Технологии увеличения рабочего объема.

Начнем с увеличения диаметра. Традиционно производитель закладывал некий запас в конструкцию блока цилиндров, который позволял продлить производить капитальный ремонт. Именно благодаря этому запасу и можно было увеличивать диаметр цилиндра.

Увеличивать диаметр цилиндра можно лишь в рамках, которые позволяет толщина стенки цилиндра, которая должна быть не менее 3-4 мм, а также межцилиндровое расстояние.

Для двигателей BMW критическим будет именно расстояние между центрами цилиндров, от него отнимаем 5-7 мм и получаем максимальный теоретический диаметр цилиндра.

Если это литой чугунный блок, то допустимая межцилиндровая стенка для атмосферного бензинового двигателя 5 мм. Тоже самое касается и полностью алюминиевых блоков цилиндров. Например, мотор BMW S62 имел межцилиндровую стенку 4 мм, и это серийно без всякого тюнинга. (межцилиндровое расстояние 98 мм, диаметре цилиндра 94 мм).

Если же речь идет о гильзованном алюминиевом блоке, то даже с тонкостенными гильзами для надёжной работы нужно что бы межцилиндровая стенка была 6 мм (1,3 мм гильза и 3,4 мм тело блока)

Таким образом можно обозначить максимальные диаметры цилиндров для моторов BMW:

Тип двигателя	Максимальный диаметр цилиндра	Индекс мотора
Малые шести цилиндровые двигатели с чугунным блоком.	87 мм	M20, M50, S50, S52, S54
Малые шести цилиндровые двигатели с алюминиевым блоком	85 мм	M52, M54, N52, N53
Большие шести цилиндровые двигатели с чугунным блоком	94 мм	M30, S38
Большие восьми цилиндровые двигатели с алюминиевым блоком	94 мм	M62, N62, S62

Кроме того, существует технология установки мокрых гильз из чугуна, которая применяется при недостаточной толщине стенки цилиндра, однако это уже существенное изменение конструкции блока цилиндров, что не всегда идет на пользу общей надежности мотора.

Теперь об увеличении хода поршня.

Это возможно только с заменого коленчатого вала. А изготовить мелкосерийный коленчатый вал экономически вряд ли оправдано. Поэтому в этом вопросе наша фантазия не только ограничена геометрическими размерами картера двигателя, но и номенклатурой стандартных запасных частей. К нашему счастью производители автомобилей выпускают несколько типоразмеров двигателей и как правило есть возможность выбрать коленчатый вал от старших моделей.

Однако опять же есть нюансы.

Однако опять же есть нюансы. Начнем с такого параметра как степень сжатия, и если увеличение диаметра незначительно увеличивает этот параметр, то вот ход поршня напрямую влияет на величину степени сжатия. С учетом коммерческих сортов бензина степень сжатия мотора не должна превышать величину 11:1. (За исключением моторов с непосредственным впрыском топлива)

Решается эта проблема поршнями с меньшим расстоянием от оси поршневого пальца до днища поршня и большей впадине в днище поршня. Так же можно изменять длину шатуна, но опять же, при прочих равных, делать это уменьшением высоты поршня правильнее.

И если поршня можно изготовить на заказ, то вот размер поршневых колец будет определяющим, ибо опять же мелкосерийное изготовление поршневых колец вряд ли оправдано экономически.

Таким образом проблема увеличения рабочего объема сводиться с одной стороны к запасу, который оставил производитель в плане увеличения геометрических объемов двигателя, а с другой стороны к подбору подходящих по размерам и характеристикам деталей.

Наконец мы увеличили рабочий объем двигателя и удивились - крутящий момент вырос адекватно увеличению рабочего объема, а вот мощность нет. Оказывается, что настройка фаз газораспределения и коллекторов, которые остались от прежнего рабочего объема не позволяет двигателю полноценно «дышать». Теперь нам надо увеличивать время открытия клапанов (ставить распределительные валы с широкими фазами) и изменять настройку впускного и выпускного коллектора.

Таким образом, мы подошли к следующему этапу настройки двигателя.

Настройка фаз газораспределения двигателя.

Для того что бы понять, как это работает нужно углубится в теорию рабочих процессов двигателя. Начнем с общего понимания, что реальные процессы в двигателе существенно отличаются от того чему нас учили в школе.

В реальности рабочее тело (воздух) над которым совершают всевозможные воздействия — это некая упругая субстанция, в которой происходят колебательные процессы.

Скорость этих процессов такова, что локальные уплотнения и разряжения не успевают выравнивать давлении как положено газам при статических процессах. Таким образом рабочие процессы внутри ДВС это динамические колебания упругого тела под воздействием механических воздействий и высоких температур.

На первом такте под действием разницы давлений во впускном коллекторе и цилиндре возникает тенденция к движению воздуха из впускного коллектора в цилиндр через отрытый клапан. На рабочих частотах в 3000 об/мин этот процесс занимает всего 0,01 с. и за это время в цилиндр должно попасть 0,5 л воздуха при давлении порядка 0,6-0,9 атм.

Теперь мы можем себе представить себе скорость потока, которая возникает в впускном канале ГБЦ (порядка 200-500 км/ч).

Затем впускной клапан закрывается и поток воздуха, движущийся по этому каналу, упирается в закрытый клапан. А частицы воздуха в коллекторе продолжают «напирать» . Таким образом около клапана образуется некая зона уплотнения (локального повышенного давления).

А поскольку процесс колебательный и растянутый во времени, то теоретически существует возможность, при которой впускной клапан откроется вновь в тот момент, когда давление в этой зоне уплотнений будет максимальным. Не сложно понять, что в этом случае наполнение цилиндра будет значительно выше. Этот эффект называется динамический или резонансный наддув.

Так вот, за воплощение этой возможности в жизнь отвечают фазы газораспределения и геометрия впускного коллектора (длина и диаметр).

Так же можно рассмотреть и такт выпуска. На такте рабочий ход рабочее тело отдало часть энергии для совершения полезной работы и получило тенденцию к движению от клапанов в сторону поршня. В этот момент открывается выпускной клапан и прилегающее к клапанам рабочее тело начинает получать тенденцию к движению в сторону выпускных клапанов. То есть центральной части цилиндра рабочее тело как бы растягивается: основная часть по инерции продолжает двигаться в направлении поршня и завершает такт рабочего хода, а часть уже начинает выполнять такт выпуска. Важно еще понимать, что поршень движется не равномерно, а соответствии с вертикальной проекцией вектора движения шатунной шейки коленчатого вала. И уже около отметки 500 гр. угла поворота коленчатого вала с начала цикла скорость поршня начинает приближаться к нулю. А рабочее тело по инерции продолжает двигаться в сторону поршня, создавая над ним зону локального повышенного давления.

Наконец поршень проходит точку 540 гр. начинает двигаться в соответствии с тактом выпуска в направлении клапанов. И в этот момент складываются три тенденции: движения поршня, движение рабочего тела из локального уплотнения в зону локального разрежения и движение рабочего тела по выпускным каналам ГБЦ. Таким образом происходит быстрая очистка цилиндра от отработавших газов.

Но на этом все не заканчивается, поскольку канал в ГБЦ и выпускной коллектор образуют некую трубу значительной длинны, то выпуск образует в ней некую зону локального уплотнения, которая движется с высокой скоростью.

А дальше клапан закрывается и сразу за ним образуется зона локального разрежения, которая, так же как и на впуске начинает работать уже на следующем такте выпуска.

Как понятно из вышеизложенного, процессы, происходящие в двигателе не ограничены рамками границ тактов и поэтому фазы газораспределения даже для малооборотистых моторов существенно шире 180 гр. И вот тут мы переходим к спортивным распределительным валам.

Спортивные распределительные валы.

Существуют компании, которые изготавливают такие распределительные валы, кроме того существуют и серийные распределительные валы с различными фазами газораспределения.

В чем же отличие различных распределительных валов?

А отличаться они фазами газораспределения. Бывают валы с узкими фазами это 200-220 гр., средними 228-250 и широкими 250-300. Ширина фазы измеряется в угле поворота коленчатого вала. Так же валы отличаться высотой подъема клапана.

Теперь мы переходим к самому интересному – как же ширина фаз влияет на характеристику двигателя.

Есть общее правило: узкие фазы дают хороший момент снизу (1000-2500 об/мин), а широкие как раз наоборот сверху (4500-6000 об/мин). Соответственно валы со средней шириной фаз дают хороший момент по середине (2500-4500 об/мин)

Длиноходные и короткоходные двигатели.

В зависимости от отношения диаметра цилиндра к ходу поршня бывают моторы короткоходные h/D <1 и длиноходные если это отношение больше 1. Тут тоже есть некое правило, короткоходные двигатели имеют высокооборотистую характеристику, а длиноходные моментную.

Теперь все вышеизложенное мы можем сложить в общую картину:

Поскольку возможность увеличение диаметра цилиндра обычно не значительна, то основной прирост рабочего объема получается за счет увеличения хода поршня. В результате увеличивается длиноходность двигателя, что приводит к смещению пика крутящего момента в зону низких оборотов.

Нечто похожее происходит и с впускным коллектором: отношение объем ресивера и впускных патрубков к рабочему объему двигателя уменьшается и это так же смещает настройки эффективного динамического наддува в зону низких оборотов.

А поскольку трансмиссия настроена под стандартный мотор, то этот большой момент снизу получается излишним и при максимальном разгоне особого выигрыша не дает. При такой характеристике такой момент отработает только на первой передаче, и то, если сцепление с дорогой позволит, а на всех последующих передачах, в момент переключения на них, обороты уже будут выше зоны, где увеличился крутящий момент.

Как решить эту проблему?

Нам нужно увеличить ширину фаз газораспределения и по возможности усилить газообмен на высоких оборотах.

И здесь нам на помощь приходят спортивные распределительные валы и настроенные впускные и выпускные коллектора.

Конечно, начинать нужно с впускного коллектора. Если есть возможность поставить таковой с старшей модели с большим рабочим объемом, то это нужно делать. Изготовить новый индивидуальный впускной коллектор, конечно, можно, но вот экономическая целесообразность этого в рамках обычного тюнинг проекта сомнительна.

Затем нам нужно установить спортивные распределительные валы, которые увеличат время и высоту открытия клапанов.

За счет изменения этих настроек нам удается сместить пик крутящего момента в зону более высоких оборотов и тем самым увеличить мощность.

Но здесь важно помнить об экономичности и гибкости мотора, ибо если увлечься шириной фаз, то можно удивиться насколько мотор снизу стал вялый. А уж как в этом случае удивит его прожорливость, даже не хочу говорить.

Особо хочется отметить нюанс, связанный со степенью сжатия. Степень сжатия это геометрическая характеристика двигателя – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Это довольно важная характеристика для двигателя, которая с одной стороны определяет его эффективность (чем выше расширение рабочего тела, тем большую энергию оно отдаст) а с другой определяет тип топлива. (чем выше степень сжатия, тем выше октановое число топлива).

Как показала практика на коммерческих сортах бензина (91-98 ROZ) степень сжатия может быть не выше 12. При тюнинге с увеличением рабочего объема мотора желательно всегда отталкиваться от стандартной степени сжатия до тюнинга и стараться ее уменьшить на 0,2-0,5 ед. В случае широких фаз газораспределения можно ее слегка поднять, так как в наиболее опасной зоне для детонации 1500-3000 об/мин наполнение слегка упадет, что снизит риск детонации.

В любом случае правильный подбор степени сжатия — это эмпирическая величина, требующая испытаний. Поэтому по возможности надо находить заводские аналоги и брать их за основу. Понятно, что завышенную степень сжатия можно компенсировать более поздними углами зажигания и более богатой смесью, однако это не всегда оптимально с точки зрения мощности и экономичности мотора.

Теперь мы можем вернуться к нашему примеру в начале статьи и понять, почему же при росте рабочего объема на 34%, крутящий момент и мощность получили существенно большую прибавку.

Мы видим, что если до тюнинга мотор был короткоходным h/D=0,89, то после тюнинга он стал длиноходным h/D=1,08. А это существенно увеличило крутящий момент с низу. Но как мы знаем, на легковом автомобиле в этом диапазоне оборотов нет особого смыла существенно увеличивать крутящий момент. Поэтому можно поставить распределительные валы, а так же коллектора настроенные на существенно более широкие фазы. Если родные валы имели фазы порядка 228 гр., то после тюнинга ширина фаз выпуска уже составила 272 гр, а выпуска порядка 246 гр.

Собственно вот и ответ: за счет относительного снижения крутящего момента снизу, наверху мотор получился очень живой. Что и дает такие выдающиеся результат по мощности и крутящему моменту.

Итак, мы собрали мотор, теперь надо правильно настроить систему управления двигателем.

Настройка системы управления двигателем.

Настройка системы управления двигателем производиться посредством изменения корректировочных значений. Обычно эту процедуру называют Чип-тюнингом. В рамках данной статьи мы не будем рассказывать о технологиях, а просто рассмотрим принципы такой настройки.

Начнем с того, что заводская настройка программы управления двигателем это довольном кропотливый труд на испытательном стенде, а потом на дороге. И даже в этом случае в течении периода выпуска автомобиля происходит коррекция программы посредством ее обновления.

Естественно в рамках тюнинг проекта нет таких технических возможностей, да и вряд ли это экономически целесообразно. (ну если только речь не идет о создании некого суперкара). Поэтому при возможности за основу нужно брать наиболее близкую готовую программу и уже ее корректировать под требуемые задачи. Сначала корректируют состав смеси, пропорционально внесенным изменениям и увеличивают лимитеры крутящего момента (если таковые есть). Затем уже занимаются картами углов зажигания, если в этом есть необходимость.

Поскольку современные блоки управления адаптивные, то с помощью диагностики можно истечении некоторого пробега посмотреть значения коррекций и по топливу и по зажиганию . В идеале эти параметры должны быть максимально близки к 0.

Ну и естественно важно достигнуть заданных параметров по максимальному крутящему моменту и мощности. Для ориентира можно отталкиваться от удельных значений - момент должен вырасти пропорционально увеличению рабочего объема, а мощность должна соответствовать литровой мощность мотора до тюнинга умноженной на новый рабочий объем.

Как вы уже догадались, столь длинный текст написан не просто так. Мы лишь хотим напомнить о нашей высочайшей компетенции в этом вопросе, основанной более чем на 15 летнем опыте тюнинга и настройки атмосферных моторов BMW.

Хотя в нынешних условиях это уже и не столь актуально, ибо все современные моторы BMW теперь с турбонаддувом.

С особенностями тюнинга моторов с турбонаддувом вы может прочитать в следующей статье.