Мощность двигателя

Сначала азбука. Энергия в двигателе получается при расширении отработавших газов. А они – от сгорания бензина в цилиндрах. Бензин, к сожалению, сам не горит. Поэтому смешиваем его с воздухом (на 1 часть бензина 14,7 частей воздуха) и подаем в цилиндр через впускной клапан. Все просто? Эх, если бы так…

Классика. В 80-х годах самым распространенным инжекторным двигателем был 8-клапанный (4 цилиндра, на каждом впускной и выпускной клапан, итого 8). Как правило, максимальная мощность достигалась при 5000-5200 об/мин, а максимальный крутящий момент при 2600-2800 об/мин. Двигатели были надежными и экономичными. Но всегда хочется чего-то большего: мощности, например. Кстати о мощности. Это всего лишь зависимая величина от крутящего момента. Ибо Р(мощность)=Мкр(крутящий момент)*N(количество оборотов). Поэтому поставим во главу угла именно основу – крутящий момент, и попытаемся его увеличить на всех оборотах. Как? Да просто надо сжечь больше бензина в единицу времени. Хм. Подать в цилиндр бензина от души – не проблема, бензонасос помощнее, и все дела. А вот как дела обстоят с воздухом? Входной клапан открывается и закрывается с периодичностью вращения коленвала (об/мин). Чем быстрее вращается коленвал, тем меньше времени открыт впускной клапан, и, что самое плохое, тем меньше воздуха за такой короткий промежуток сумеет зайти в цилиндр. Пробежим еще раз глазами начало статьи, и вспомним, что максимальный крутящий момент достигается при 2600-2800 об/мин. Стоп. Но ведь это значит, что при более высоких оборотах, например, выше 3000, двигатель начинает «задыхаться»? А при 5000-5200 об/мин величина крутящего момента падает уже быстрее роста оборотов, ибо достигается пик мощности (помните, что Р=Мкр*N?). Конечно, можно уменьшить сопротивление: как при подаче воздуха, так и при выходе отработавших газов (поставить воздушный фильтр «нулевик» и выхлопную трубу «прямоток»), но это уже скорее тюнинг, чем массовый автомобиль. Значит, нам остается следующее:

Модернизация классики. Займемся увеличением подачи воздуха. Первое, и вроде самое простое: увеличить диаметр входного отверстия впускного клапана. Поможет? Конечно. Так и сделаем. Но ведь у нас есть решение и поядренее: поменять фазы работы впускного клапана, пусть он открывается пораньше, а закрывается попозже! Вроде, нам все удается, поток воздуха стал больше. Правда, и расход бензина тоже увеличится: компьютер старается держать соотношение 1:14,7. Самое обидное, что расход стал больше даже на холостых оборотах. Осталось только сравнить характеристики двигателя, есть ли весомые подвижки? Максимальный крутящий момент увеличился маловато, а достигается он теперь при 3000-3200 об/мин. И еще неизвестно: останется ли тяга на низах такой же шикарной, как и раньше? Стоп, это мы уже не в ту степь пошли, ведь мы хотели увеличения мощности. А вот с этим полный порядок: модернизированный двигатель 1.4 (75 л.с.) догнал по максимальной мощности классический 1.6! Ну, или почти догнал: ибо теперь пик мощности приходится на 5600-6000 об/мин (вместо 5000-5200 у 1.6). Еще раз вспомнив о связке мощности и момента, узнаем, что теперь величина крутящего момента уменьшается (с ростом частоты вращения) гораздо медленнее. Хороший результат. Но ведь человеку всегда мало того, что есть. А нельзя ли добиться резкого увеличения?

16 клапанов. Да без проблем! Увеличиваем количество клапанов вдвое. И сразу получаем существенное увеличение максимальной мощности: двигателю стало легче «дышать» на высоких оборотах, отсюда и хорошие показатели крутящего момента на «верхах». Теперь хорошо бы проверить результат сравнением цифр. Вот классический 1.6 8V: 75 л.с. при 5200 об/мин, 125 Нм при 2800 об/мин, а вот новый 1.4 16V: 90 л.с. при 6000 об/мин, 125 Нм при 4000 об/мин, рост по мощности существенный. Но, не все так радужно. Хотя поведение 1.4 на «верхах» способно порадовать многих, тяга на «низах» не столь хороша. Каков желательный стиль езды? Да конечно «газовать» побольше! Иначе к чему мы затеяли все эти изменения в двигателе, мощность специально для вас повышали? А расход бензина все же великоват, нельзя ли его уменьшить? Специалисты Opel решили и этот вопрос. Правда, только частично. Скажем сразу, при высоких оборотах двигатель Twinport от Opel работает так же, как обычный 16-клапанник. Но ведь есть резервы экономии. Где? Да хотя бы на холостых оборотах или при небольшой нагрузке. Впускной коллектор с изменяемым сечением плюс частичная рециркуляция отработавших газов. Вот основные новинки для экономии топлива от Opel. И опять вмешивается «человеческий фактор»: а как бы и мощность увеличить еще больше, и расход топлива уменьшить, да еще и крутящий момент на низах усилить? Тяжела ты ноша автопроизводителя. Но надо, так надо.

Модерн. Вспомним, увеличить подачу воздуха (с бензином-то вообще нет проблем) можно, если впускной клапан будет открыт более продолжительное время. Так мы увеличиваем крутящий момент, ну и расход топлива в придачу. Для экономии топлива, наоборот, надо уменьшить время открытия. Так и будем делать! Причем непрерывно, в зависимости от стиля езды. Вот у нас и получился двигатель с изменением фаз газораспределения. Первое, и очень существенное улучшение в поведении двигателя: увеличение величины крутящего момента на «низах». Плюс увеличение максимальной мощности. И самое приятное – уменьшение расхода бензина. Но мы не останавливаемся на достигнутом, и применим еще парочку доработок. Сначала поставим впускной коллектор с изменяемой геометрией. Теперь мы можем создать давление чуть выше атмосферного перед самым открытием впускного клапана (эдакий микро-компрессор). Еще лучше получится результат, если независимо управлять как впускными, так и выпускными клапанами (так называемое двойное изменение фаз). Максимальный крутящий момент вырастает на 3-5%, а максимальная мощность – еще больше. Например, у Toyota Corolla 1.6: 110 л.с. при «одинарном» и 124 л.с. при двойном изменении фаз. Кстати, если перед закрытием выпускного клапана открыть впускной (это называется перекрытие фаз), то вентиляция цилиндра улучшится. И самые хорошие результаты получаются, если подавать бензин прямо в цилиндр (непосредственный впрыск). Особенно впечатляет экономия на холостых оборотах (где смесь может быть и очень обедненной – 1:40!!). Пока мы говорили только об «атмосферниках». А если принудительно нагнетать воздух?

Самые сильные. Есть простое решение – компрессор: его лопасти прекрасно справляются с нагнетанием воздуха. А энергию для работы компрессора возьмем (через приводной ремень) от двигателя. Что получим в итоге? Крутящий момент на «низах» увеличится. А вот повысить максимальную мощность практически трудно. Почему? Слишком много энергии забирает от двигателя работа компрессора при высоких оборотах. А если попытаться использовать «бесплатную» энергию выхлопных газов, и заставить их крутить лопасти? Вот мы и получили турбину. Ага. Подумаем. Увеличить мощность можно, если мы уменьшим сопротивление на входе и выходе («прямоток» и фильтр «нулевик»). Естественно, что поставив на пути выхлопных газов преграду, мы несколько уменьшим КПД турбины. Помимо чисто технических проблем (например, слишком высокая температура этих газов), мы столкнемся и с другим: размеры турбины. Большая турбина обладает хорошей производительностью. Но она большая: на малых оборотах объема и силы потока отработавших газов не хватает, чтобы хорошо раскрутить лопасти. Поэтому резкий скачок тяги происходит при оборотах 3500-4000. Плюс к этому, большая турбина достаточно инертна. Отсюда и «турбояма»: запаздывание между резким нажатием на «газ» и получением хорошего ускорения. Можно поставить турбину поменьше, и раскрутить ее будет гораздо легче. Но тогда и ее производительность при высоких оборотах будет недостаточной. Ага, ведь у нас же есть шикарное решение для малых оборотов – компрессор! Значит, делаем так. На малых оборотах работает компрессор, а отработавшие газы выходят свободно, в обход турбины. На высоких оборотах отсоединяем приводной ремень компрессора, и одновременно направляем «отработку» на лопасти турбины. Сложновато? Давайте попробуем «упростить». Поставим две турбины: малую и большую, получим хорошее увеличение крутящего момента на всех оборотах. Нет предела совершенству. Мы очень коротко, без излишних технических подробностей пробежались по новейшей истории улучшения двигателей. Ясно, что инженерам приходилось решать много сложных проблем, даже не затронутых в этой статье. Одно понятно: прогресс на сегодняшнем дне не остановится. И автопроизводители обязательно порадуют нас новыми разработками: увеличив мощность и уменьшив расход бензина.

В. Садыков

Автоклуб-Казань

Метки:

Похожие

Яндекс.Метрика