Динамические качества автомобильного двигателя
ПРЕДИСЛОВИЕ
Тюнинг (от английского слова tune - настраивать, приспосабливать) применительно к технике означает ее доработку (доводку) с целью улучшения имеющихся свойств или показателей. Каждая система или узел автомобиля, его внешний вид и интерьер также обладают определенными свойствами и показателями. Сравнивая эти свойства и показатели у разных автомобилей, можно делать выводы о их техническом совершенстве. Из сказанного очевидно, что объектов тюнинга на автомобиле столько, сколько он имеет узлов и систем, не говоря уже об интерьере салона и экстерьере. Описание всего тюнинга автомобиля - задача чрезвычайно трудоемкая уже по причине имеющегося многообразия конструкций эксплуатируемых автомобилей. Современные автомобили оснащаются в основном 4-тактными высокооборотными двигателями, которые по сравнению с 2-тактными имеют больший ресурс, более экономичны и удобнее в эксплуатации. Поэтому в данной книге рассматривается лишь тюнинг 4-тактных автомобильных двигателей. Справедливости ради следует отметить, что тюнинг двигателя встречается гораздо реже, чем другие виды тюнинга.
Чаще всего заказчиком тюнинга выступает заинтересованный в этом владелец автомобиля или, например, спортивный клуб. И в определенной ситуации тюнинг двигателя может оказаться делом выгодным. Такая ситуация, например, имеет место, когда у владельца возникает желание иметь автомобиль с более мощным двигателем. В этом случае затраты на тюнинг оказываются существенно ниже, чем затраты на продажу имеющегося автомобиля и покупку нового. Однако здесь следует отдавать себе отчет в том, что гарантии завода-изготовителя автомобиля на подвергнутый тюнингу двигатель не распространяются.
Имеются и такие примеры, что заказчиком тюнинга двигателя является непосредственно фирма, занятая его серийным производством. Так известная австрийская компания AVL выполняет тюнинг двигателей не менее известных фирм Volkswagen и Daimler Chrysler. В1999 году заказчиком этой фирмы стало и российское предприятие - Уфимское моторостроительное производственное объединение (УМПО). Оно заключило с компанией AVL контракт на модернизацию своих двигателей с рабочим объемом 1,8 и 2,0 л. Австрийская сторона завершила конструкторские работы, и уже в конце 1999 г. усовершенствованные двигатели, отвечающие принятому в странах Евросоюза стандарту "Euro-2", должны были поступить в УМПО для заводских испытаний. После завершения испытаний предполагается запустить эти двигатели в серию и начать оснащение ими новых моделей автомобилей "Москвич" и "Иж".
Если принять во внимание, что работы по модернизации двигателя можно доверить лишь предприятию, оснащенному современной техникой для проведения таких работ и имеющему соответствующее диагностическое оборудование, то это подразумевает, что стоимость предстоящих работ может быть доступна далеко не каждому заказчику. Исходя из сказанного можно объяснить, почему в России предприятия, которым задача тюнинга двигателя по плечу, можно перечислить по пальцам. И тем более очевидно, что далеко не каждое предприятие автосервиса располагает возможностью выполнять такие работы.
Изложенное выше позволяет понять, почему тюнинг двигателя встречается значительно реже, чем тюнинг деталей подвески, аэродинамики, шумоизоляции, дизайна и отделки салона и т.п. К сказанному следует добавить, что двигатель - это наиболее сложный и ответственный агрегат автомобиля, объединяющий в себе несколько различных систем и узлов. Наиболее важными системами двигателя являются система питания, система охлаждения, система смазки и система выпуска отработавших газов. Основные его механизмы - это кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и газораспределительный механизм (ГРМ), расположенные соответственно в блок-картере и головке цилиндров. В силу этого автомобильные фирмы уделяют серьезное внимание совершенству двигателя как на стадии его проектирования, так и в процессе эксплуатации. Однако вносить изменения в конструкцию серийно выпускаемого двигателя достаточно накладно и на это идут лишь в случае крайней необходимости. Как правило, в конструкцию двигателя не вносятся изменения, требующие значительных затрат ручного труда, поскольку это влечет за собой удорожание как самого двигателя, так и автомобиля в целом. И само собой разумеется, что автомобильные фирмы не заинтересованы в том, чтобы информация о возможных резервах совершенствования выпускаемых ими двигателей стала общедоступной. На обнаружение и устранение этих "недоделок" и направлен тюнинг, который выполняется наиболее технически оснащенными предприятиями автосервиса.
Конечной целью тюнинга может быть улучшение динамических качеств, экономичности двигателя, увеличение его мощности или уменьшение токсичности отработавших газов. Наиболее часто тюнинг направлен на придание двигателю более совершенных динамических качеств. В этой связи представляется важным рассмотреть подробнее, что включает в себя это понятие.
ДИНАМИЧЕСКИЕ КАЧЕСТВА АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
При покупке автомобиля помимо его дизайна и интерьера салона будущего владельца несомненно интересуют и динамические качества приобретаемого транспортного средства. Последние во многом зависят от технических характеристик двигателя, установленного на автомобиле.
Наиболее объективную оценку динамических качеств автомобильного двигателя можно получить при анализе его внешней скоростной характеристики. Внешняя скоростная характеристика представляет собой зависимость показателей работы двигателя (мощности, крутящего момента, коэффициента наполнения цилиндров, удельного эффективного расхода топлива и др.) от частоты вращения коленчатого вала (KB) при неизменном положении органа управления, обеспечивающем максимальную подачу топлива в цилиндры.
Важным параметром автомобильного двигателя, позволяющим оценить устойчивость его режима при работе по внешней скоростной характеристике, является коэффициент приспособляемости ( 
). Значение определяется отношением максимального крутящего момента к номинальному крутящему моменту, развиваемому двигателем на номинальной мощности при номинальной частоте вращения КВ. Особенно заметно значимость этого параметра проявляется в случае преодоления автомобилем крутых подъемов. Чем больше значение , тем большее сопротивление движению может преодолеть автомобиль без переключения коробки передач на пониженную передачу. Важное значение при этом имеет и диапазон изменения частоты вращения KB, в котором двигатель устойчиво работает: чем больше этот диапазон, тем лучшими динамическими качествами обладает автомобиль, тем легче управление двигателем. Скоростной диапазон устойчивой работы двигателя оценивается скоростным коэффициентом ( 
), представляющим собой отношение частоты вращения KB при максимальном крутящем моменте к номинальной частоте вращения. Отсюда следует, что чем больше диапазон устойчивой работы двигателя, тем меньше значение 
. Это означает, что при прочих равных параметрах сравниваемых автомобилей предпочтение следует отдать автомобилю, двигатель которого характеризуется меньшим значением .
Следует назвать и еще один важный показатель, который достаточно часто применяется для оценки динамических качеств легковых автомобилей, - это приёмистость. Под приёмистостью обычно понимается время разгона автомобиля с места до скорости 100 км/ч. Этот показатель во многом определяется значениями 
и , но, кроме того, он зависит от соотношения номинальной мощности двигателя и массы автомобиля. Чем меньше масса автомобиля, приходящаяся на единицу номинальной мощности двигателя, тем меньше времени требуется автомобилю для достижения указанной скорости. Очевидно, что приёмистость автомобиля с дизельным двигателем той же мощности, что и у бензинового, будет несколько хуже, так как удельная масса такого автомобиля больше. Заметим, что приёмистость отдельных спортивных автомобилей, подвергнутых тюнингу, оценивается временем менее 5 секунд.
Четверть века назад бензиновые автомобильные двигатели имели = 1,25...1,35, тогда как для дизельных двигателей были характерны значения = 1,05...1,15, при этом меньшие значения коэффициента приспособляемости имелись у двигателей с наддувом. Скоростной коэффициент для бензиновых двигателей составлял = 0,45...0,55, а для дизельных двигателей - соответственно = 0,55...0,70, достигая при высоком наддуве значения 0,8.
Для улучшения названных выше параметров автомобильных двигателей выполняют как в отдельности, так и комбинированно следующие основные мероприятия:
· подбор наиболее эффективных фаз газораспределения;
· использование волновых и инерционных явлений во впускном и выпускном тракте для улучшения очистки и наполнения цилиндров при работе двигателя в зоне максимального крутящего момента;
· регулирование давления наддува воздуха или топливо-воздушной смеси на впуске для двигателей с наддувом;
· увеличение цикловой подачи топлива с улучшением наполнения цилиндра при работе дизельного двигателя по скоростной характеристике в зоне максимального крутящего момента.
Следует заметить, что каждое из названных мероприятий в той или иной степени усложняет конструкцию двигателя, ухудшает его массо-габаритные показатели и увеличивает стоимость. Тем не менее, автомобильные фирмы для повышения конкурентоспособности своей продукции часто идут на увеличение затрат и считают их оправданными.
В таблицах 1.1 и 1.2 представлены расчетные значения и , полученные на основании опубликованных в последнее время данных для автомобилей нескольких ведущих фирм Германии. В табл. 1.1 для сравнения приведены данные также и по некоторым двигателям автомобилей ВАЗ и ГАЗ. В табл. 1.2 данные по отечественным двигателям не приведены по причине крайней скудности опубликованной информации.
Таблица 1.1
Показатели динамических качеств легковых автомобилей с бензиновыми двигателями
| Фирма | Марка автомобиля | Марка двигателя | Номин. МОЩНОСТЬ / частота вращения KB, кВт / (1/мин) | Максим, момент/ частота вращения KB, Н.м/ (1/мин) | | |
| Бензиновые двигатели | ||||||
| AUDI | ADR 1,8 | 92/5800 | 173/3950 | 1,142 | 0,681 | |
| АСЕ 2.0 | 103/5900 | 185/4500 | 1,110 | 0,763 | ||
| ABC 2,6 | 110/5750 | 225 / 3500 | 1,232 | 0,609 | ||
| ААН 2,8 | 128/5500 | 245 / 3000 | 1,102 | 0,545 | ||
| АСК 2,8 | 142/6000 | 280/3200 | 1,239 | 0,533 | ||
| AAN 2,2 | 169/5500 | 350/1900 | 1,194 | 0,345 | ||
| BMW | М43 | 75 / 5500 | 150/3900 | 1,152 | 0,709 | |
| 31 8i | М43 | 85 / 5500 | 168/3900 | 1,138 | 0,709 | |
| 320i | М52 | 110/5900 | 190/4200 | 1,070 | 0,712 | |
| 325i | М50 | 141 /5900 | 245 / 4700 | 1.074 | 0,797 | |
| 328i | М52 | 142/5300 | 280/3950 | 1,094 | 0,745 | |
| MERCEDES | Е200 | 111.945 | 100/5500 | 190/3700 | 1.094 | 0,673 |
| Е240 | 112.911 | 125/5900 | 225/3000 | 1.112 | 0.508 | |
| Е280 | 112.921 | 150/5700 | 270/3000 | 1,074 | 0,526 | |
| Е320 | 112.941 | 165/5600 | 315/3000 | 1,120 | 0.536 | |
| Е430 | 113.940 | 205 / 5750 | 400 / 3900 | 1,175 | 0.678 | |
| Е 55 AMG | 113.980 | 260 / 5500 | 530/3000 | 1,174 | 0,545 | |
| VW | Passat | ААМ1.8 | 55/5000 | 140/2500 | 1,333 | 0.500 |
| AFT 1,6 | 74 / 5800 | 140/3500 | 1,149 | 0,605 | ||
| ADY2.0 | 85/5400 | 166/3200 | 1,104 | 0,593 | ||
| ABF2.0 | 110/6000 | 180/4800 | 1,028 | 0,800 | ||
| Passat VR6 | ААА 2,8 | 128/5800 | 235 / 4200 | 1.115 | 0,724 | |
| ABV 2,9 | 135/5800 | 245 / 4200 | 1,102 | 0.724 | ||
| ВАЗ | BA3-2104 | 2105 1,3 | 47.0 / 5600 | 92/3400 | 1.148 | 0,607 |
| BA3-21051 | 2101 1.2 | 43,2 / 5600 | 85/3400 | 1,154 | 0,607 | |
| BA3-21053 | 2103 1,5 | 52,3 / 5600 | 103,9/3400 | 1,165 | 0,607 | |
| BA3-21083 | 21083 1,5 | 52,6 / 5600 | 106.4/3400 | 1.188 | 0,607 | |
| ГАЗ | ВОЛГА | 4021.10 2,4 | 66,2 / 4500 | 172,6/2400 | 1,228 | 0.533 |
| 402.10 2,4 | 73,5/4500 | 182,4/2400 | 1,169 | 0,533 | ||
| 4101.10 2,9 | 80,9 / 4250 | 225,4/2500 | 1,240 | 0.588 | ||
| 4062.10 2,3 | 110,3/5200 | 206/4000 | 1,017 |
Анализ показывает, что для большинства современных бензиновых двигателей легковых автомобилей зарубежного производства = 1,028... 1,333, тогда как для дизельных двигателей характерны значения = 1,100...1,344. Наблюдается очевидная тенденция уменьшения нижнего предела диапазона для бензиновых двигателей. Такой подход можно объяснить тем, что зарубежные легковые автомобили предназначены преимущественно для движения с высокой скоростью, и их двигатели имеют быстроходную регулировку (см. раздел 2). Применение в этих автомобилях автоматической коробки передач делает для водителя проблему своевременного переключения передач при возрастающем сопротивлении движению не столь актуальной.
В то же время для дизельных двигателей произошло увеличение как нижнего, так и верхнего предела диапазона до значений, характерных для бензиновых двигателей и даже превосходящих последние. Это стало возможным благодаря коррекции топливоподачи, совершенствованию смесеобразования и применению регулируемого турбонаддува.
Таблица 1.2
Показатели динамических качеств легковых автомобилей с дизельными двигателями
| Фирма | Марка автомобиля | Марка двигателя | Номин. мощность / частота вращения KB, кВт/ (Шин) | Максим, момент / частота вращения KB, Н.м /(1/мин) | | |
| Дизельные двигатели | ||||||
| AUDI | А4, А6, 100 | 1.9TDI | 66 / 4000 | 202/1900 | 1,282 | 0,475 |
| 1.9TDI | 81/4150 | 225/1700 | 1,207 | 0,41 | ||
| 2.4 D | 60 / 4400 | 164/2400 | 1,259 | 0,54 | ||
| 2.5 TDI | 103/4000 | 290/1900 | 1,179 | 0,475 | ||
| BMW | 318tds | M41 | 66/4400 | 190/2000 | 1,327 | 0,455 |
| 325td | M51 | 85/4800 | 222/1900 | 1,313 | 0,396 | |
| 325tds | M51 | 105/4800 | 260/2200 | 1,245 | 0,458 | |
| MERCEDES | Limousine, T-Modell | E220 Diesel | 70/5000 | 150/3100 | 1,122 | 0,62 |
| E290Turbo-D | 95/4000 | 300/1800 | 1,323 | 0,45 | ||
| E300 Diesel | 100/5000 | 210/2200 | 1,100 | 0,44 | ||
| E300Turba-D | 130/4400 | 330/1600 | 1,170 | 0,364 | ||
| VW | Passat | 1Y1.9 | 48 / 4400 | 140/2200 | 1,344 | 0,500 |
| AAZ1.9 | 55/4200 | 140/2200 | 1,200 | 0,524 | ||
| RA/SB1.6 | 59 / 4500 | 155/2600 | 1,241 | 0,578 | ||
| 1Z1.9 | 66 / 4000 | 202/1900 | 1,282 | 0,475 | ||
| AFN1.9 | 81/4150 | 235/1900 | 1,261 | 0,458 |
Значения скоростного коэффициента для современных бензиновых двигателей находятся в диапазоне 
= 0,345 ... 0,800, а для дизельных соответственно = 0,364 ... 0,620. Сравнивая эти цифры с данными 25-летней давности, можно констатировать, что как для бензиновых, так и для дизельных двигателей удалось добиться почти одинакового расширения скоростного диапазона устойчивой работы (уменьшение нижнего предела ). Верхний предел скоростного коэффициента дизельных двигателей также понизился, тогда как для наиболее высокооборотных бензиновых двигателей отмечено сужение скоростного диапазона с возрастанием значения до 0,8. На основании приведенных данных можно констатировать, что современные дизельные двигатели легковых автомобилей по своим динамическим качествам фактически не уступают бензиновым.
Сказанное выше позволяет сделать вывод о том, что наметившиеся тенденции к расширению скоростного диапазона устойчивой работы автомобильных двигателей, а также применение на значительной их части быстроходной регулировки, сохранится и в ближайшем будущем. А это значит, что автолюбителей ждут встречи с новыми и интересными инженерными решениями, направленными на дальнейшее совершенствование динамических качеств автомобильных двигателей.