Подготовка автомобиля к форсированию двигателя

1. Форсировка двигателя

Приступая к форсировке готового двигателя, никогда не следует предполагать, будто конструктор упустил возможность получить от двигателя дополнительных 20—30 л. с. и вам остается только произвести несколько магических действии, чтобы извлечь потерянную мощность. Труд форсировщика всегда бывает очень кропотливым и тяжелым. Нет такого узла двигателя, которым можно было бы пренебречь. Каждая отдельная работа по форсировке, будь то регулировка, тщательная подгонка или повышение степени сжатия, возможно, принесет и незначительный эффект, но общие результаты многих часов напряженного труда дадут заметный прирост мощности. Увеличить эффективную мощность двигателя и повысить максимальные обороты его коленчатого вала, что и называется форсировкой двигателя, можно двумя путями:

а) за счет повышения степени сжатия, улучшающего термический к. п. д.;

б) за счет увеличения наполнения цилиндров, повышающих среднее эффективное давление.

Первый способ форсировки ограничивается антидетонационными свойствами существующих топлив, так что пределом для повышения степени сжатия обычно является детонация, которая, создавая ударную нагрузку на детали кривошипно-шатунного механизма, угрожает их механической прочности и вызывает падение мощности. Возможность повышения степени сжатия двигателя, кроме того, в значительной мере зависит от формы камеры сгорания и для разных конструкций неодинакова. Наилучшей формой камеры принято считать полусферическую или шатровую. Ошибочно предполагать, что каждое последующее повышение степени сжатия на определенную величину дает одинаковый прирост мощности. Наибольший выигрыш в мощности можно получить в диапазоне степеней сжатия от 6 до 8; от 8 до 10 эффект будет уже меньшим и т. д. Форсировка за счет улучшения наполнения цилиндров горючей смесью, т. е. повышение коэффициента наполнения, представляет широкое поле деятельности и может достигаться различными конструктивными мероприятиями. В первую очередь следует указать на следующие:

— изменение фаз газораспределения в сторону увеличения продолжительности тактов впуска и выпуска при наибольшем перекрытии тактов за счет опережения начала впуска и запаздывания конца выпуска;

— увеличение размера тарелок у впускных клапанов и расширение подводящих каналов в блоке для получения наименьшей скорости потока горячей смеси в них, а также соответствующее увеличение тарелок выпускных клапанов;

— установление длины впускного трубопровода для получения резонансного подпора смеси и выбор формы трубопровода, исключающей повороты в направлении потока смеси, вызывающие инерционные потери;

— выбор конструкции и числа карбюраторов, снижение температуры поступающей в цилиндры горючей смеси и другие способы увеличения заряда.

Наименее исследованной областью является влияние формы впускного трубопровода и его длины, хотя значение конструкции трубопровода в работе двигателя весьма велико.

Впускной трубопровод. Выбор наилучшей конструкции впускного трубопровода и формы каналов, подводящих смесь к цилиндрам, является трудной задачей. Она усложняется тем, что иногда приходится удовлетворять самые противоречивые требования, решение которых возможно только опытным путем. Однако форсировка серийного двигателя за счет изменения системы или схемы питания для улучшения наполнения является наиболее доступной спортсменам областью работы. Основными требованиями к впускному трубопроводу являются:

а) длина впускного клапана от карбюратора до поршня для каждого цилиндра должна быть одинаковой и по возможности короткой или специально подобранной для использования инерции входящего потока. На рис. 1 приведена опытная кривая, показывающая длину впускного тракта для различных скоростей вращения коленчатого вала. Длина тракта измеряется от н. м. т. поршня в цилиндре до открытого конца карбюратора;

Рис. 1. Зависимость длины впускного трубопровода от скорости вращения коленчатого вала.

б) форма трубопровода: диаметр, изгибы, углы и внутренняя поверхность каналов должны оказывать наименьшее сопротивление потоку смеси, обеспечивать одинаковое качество по составу и равное распределение смеси по цилиндрам, т. е. исключающее местное обеднение или обогащение;

в) перемены в направлении движения горючей смеси и встречные токи должны быть минимальными, чтобы не вызывать инерционных потерь и отсасывания смеси от клапанов;

г) пульсация потока, вызываемая насосным действием поршней, должна быть по возможности с равномерными интервалами. Полезно, чтобы начало очередного всасывания было в момент инерционного подпора;

д) температура смеси в отдельных отводах трубопровода должна быть одинаковой.

У многоцилиндровых двигателей для повышения наполнения цилиндров обычно применяют установку нескольких карбюраторов, в количестве часто соответствующем числу цилиндров. В этом случае будет получено равновеликое наполнение каждого отдельного цилиндра, что само по себе уже приведет к увеличению мощности. При замене одного карбюратора несколькими особое внимание надо обратить на качественный состав горючей смеси, подаваемый карбюраторами, так как уменьшение количества воздуха, проходящего через каждый карбюратор, вследствии увеличения их числа, приводит к обеднению смеси. Впускные трубопроводы могут быть с пологими и с прямоугольными изгибами. Пологие изгибы создают меньшие сопротивления течению потока, но на поворотах вызывают смещение неиспарившихся частиц топлива в смеси к крайним цилиндрам, что приводит к обеднению смеси в ближе расположенных цилиндрах. Кроме того, при пологих изгибах не распыленная часть топлива может подтекать в ближайшие каналы, что также может вызывать неравномерное питание. Прямоугольные повороты в трубопроводах с карманами устраняют эти явления, но создают большие сопротивления течению смеси. Поэтому конструкция трубопровода по большей части является результатом компромиссного решения. Последнее время у некоторых двигателей, в целях увеличения наполнения цилиндров, стали применяться насадки, удлиняющие смесительную трубу (наиболее простое средство изменения длины) для создания перед карбюратором инерционного подпора за счет сформированного потока воздуха. Сечение впускных трубопроводов может быть круглым или квадратным. Квадратное сечение применяется для увеличения поверхности испарения осаждающегося топлива, а также для уменьшения склонности потока смеси к завихрениям по спирали (при длинном трубопроводе). Внутренние поверхности трубопровода и впускного капала блока должны быть гладкими, желательно полированными. Диаметр впускного трубопровода выбирается в зависимости от диаметра цилиндров и скорости поршня с таким расчетом, чтобы скорость потока горючей смеси, при работе двигателя на полном дросселе, при максимальной мощности, не превышала 50 м/сек. Чтобы увеличить плотность заряда, воздух, подводимый к впускным патрубкам карбюраторов, должен быть достаточно холодным. Для этого рекомендуется устраивать специальную вентиляцию подкапотного пространства.

Выпускной трубопровод. Конструкция выпускного трубопровода, влияя на степень очистки цилиндров от отработавших газов, также оказывается связанной с наполнением цилиндров горючей смесью. Конструкция выпускного трубопровода должна отвечать следующим требованиям:

а) скорость отработавших газов в выпускной трубе не должна быть выше 30—35 м/сек, для чего диаметр трубы делают равным 0,5—0,6 диаметра цилиндра или 1,5 сечения впускного трубопровода;

б) выходящие отработавшие газы одного цилиндра не должны создавать противодавления для газа другого (соседнего) по работе цилиндра, что может иметь место у многоцилиндровых двигателей, имеющих такты большой продолжительности.

Наиболее приемлемым для многооборотных двигателей скоростных автомобилей является выпускной трубопровод с отдельными трубами для каждого цилиндра. При этом желательно, чтобы непосредственно у блока цилиндров трубы имели прямое направление и изгибались для соединения в общую трубу на некотором отдалении от блока. Расположение выпускного трубопровода на двигателе должно исключать возможность подогрева стенки блока.

На рис. 2 дана кривая зависимости длины отдельной выпускной трубы от скорости вращения коленчатого вала двигателя. Длина трубы отсчитывается от в. м. т. поршня в цилиндре, а число оборотов соответствует максимальной мощности.

Рис. 2. Зависимость длины выпускного трубопровода от скорости вращения коленчатого вала.

В заключение данного раздела приводятся рекомендуемый порядок и последовательность действий по улучшению работы и форсировке двигателя. Перед началом работ с двигателем необходимо установить его начальное состояние и определить внешние показатели. Для этого надо произвести предварительное испытание. Удобнее всего это сделать на стенде, так как без предварительного испытания всякая работа по улучшению и форсировке двигателя будет носить характер попыток. По окончании работ по улучшению и форсировке двигателя каждый автомобиль, подготавливаемый для гонок, безусловно должен быть испытан на дороге. Перед испытаниями необходимо провести ряд определенных проверок и регулировок с помощью простейших измерительных приборов. Проверить зазоры в клапанах, убедиться в правильности фаз газораспределения, проверить идентичность компрессии у всех цилиндров (точность в пределах 5%), замерить зазор в распределителе зажигания и установить надлежащий угол опережения зажигания. Слово «регулировка» для некоторых мастеров звучит слишком обыденно. Однако без хорошей регулировки любая форсировка—пустая трата времени. Распространенное среди спортсменов мнение, что 90% форсировкн заключается в точной регулировке и только 10% бывает получено благодаря самой форсировке, не далеко от истины. Выполнив все работы по регулировке, можно браться за мероприятия, способствующие повышению мощности. Имеется в виду полировка каналов на тракте впуска и выпуска и полировка поверхностей камер сгорания, установка большого размера клапанов, повышение степени сжатия и применение нескольких карбюраторов, отрегулированных для совместной работы на одном двигателе. Свечи мало влияют на мощность двигателя и большей частью подбираются из соображений степени сжатия и сорта топлива. Завершающими работами по форсировке двигателя является устройство настроенных систем впуска и выпуска на определенное число оборотов.

2. Выбор передаточного числа главной передачи

Одной из трудоемких и важных работ при подготовке скоростного автомобиля к состязаниям является подбор передаточного числа для главной передачи. Передаточное число главной передачи должно обеспечивать автомобилю максимально возможную скорость движения и высокую приемистость при разгоне, сохраняя при этом допустимое превышение номинальных оборотов коленчатого вала двигателя. Динамические качества скоростного автомобиля задаются в зависимости от назначения автомобиля для кольцевых гонок или для рекордного заезда и от характера предполагаемых состязаний, т. е. на короткую или длинную дистанцию. Если автомобиль подготавливается к шоссейно-кольцевым гонкам, которые будут проводиться в условиях пересеченной местности или на горных дорогах, то в этом случае автомобиль должен располагать большим запасом тяги для быстрого разгона, что очень важно для получения высокой средней технической скорости движения. У автомобиля, предназначаемого для заездов на установление рекордов скорости на прямолинейном коротком участке дороги, когда способность быстро разгоняться не имеет первостепенного значения, следует обеспечить только возможно высокую скорость движения и надежную работу двигателя на этой скорости и оборотах в течение продолжительного времени. В зависимости от того, к какому из перечисленных состязаний готовится автомобиль, и выбирается то или иное передаточное число главной передачи. Выбор необходимого передаточного числа главной передачи требует проведения расчетной работы и экспериментов на дороге. Теоретически передаточное число главной передачи должно быть таким, чтобы суммарная кривая мощности, идущей на преодоление всех сопротивлений движению автомобиля, пересекала кривую мощности двигателя в точке наивыгоднейшего значения последней, т. е. на перегибе скоростной характеристики (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма запаса мощности по оборотам.

Однако практически в связи с тем, что даже на пути в один километр сопротивления движению не строго одинаковы (качество покрытия дороги, порывы ветра и др.), то и для скоростных состязаний на короткие дистанции необходимо обеспечивать некоторый запас тяги при движении автомобиля с максимальной скоростью. Это достигается выбором такого передаточного числа главной передачи, при которой пересечение кривой сопротивлений с кривой мощности двигателя происходит при скорости вращения коленчатого вала несколько большей чем та, которая соответствует максимальной мощности. В зависимости от вида состязания и дорожных условий указанное превышение номинальных оборотов может достигать от 5 до 15%, причем больший процент для автомобилей, работающих с переменным режимом. Последнее условие необходимо для того, чтобы при движении автомобиля с максимальной скоростью случайные повышения сопротивления, снижая скорость движения и обороты двигателя, не приводили к падению мощности, а наоборот, увеличивали ее, приближая к максимальной, т. е. выводили работу двигателя на перегиб мощности. Практика подбора передаточных чисел для главных передач показывает, что достаточно изменить величину, даже на одну или две десятых, как заметно изменятся динамические качества автомобиля. Поэтому изменять число при подборе следует постепенно. Влияние величины передаточного числа на динамические качества автомобиля и работу двигателя можно проследить по свободному графику. Он наглядно показывает зависимость максимальной скорости от передаточного числа, изменение оборотов вала и динамического фактора, т. е. тяги, отнесенной к весу автомобиля (рис. 4).

Рис. 4. График зависимости максимальной скорости, тяги и числа оборотов от передаточного числа главной передачи.

На скоростные автомобили, готовящиеся к шоссейно-кольцевым гонкам, трассы которых обычно пролегают в пересеченной местности с большим количеством подъемов, спусков и поворотов, вызывающих необходимость в частых снижениях скорости и разгонах, рекомендуется устанавливать коробки передач с четырьмя или пятью передачами. Число промежуточных ступеней в коробке и их передаточные числа оказывают большое влияние на способность автомобиля разгоняться, а также на получение наивысшей скорости на подъемах. Выбранные передаточные числа ступеней должны обеспечивать автомобилю достижение максимальной скорости в наикратчайшее время. При этом, в движении на каждой передаче желательно использование наибольшей мощности двигателя (в среднем). Иначе говоря, обороты двигателя, с которых начинается разгон на любой передаче, должны быть по возможности ближе к оборотам максимальной мощности. Обычно зависимость между передаточными числами у промежуточных передач в быстроходных автомобилях выражается геометрической пропорцией, с некоторым отклонением для высоких ступеней—близких к прямой передаче, величины которых бывают сближены. Особенно большое значение для скоростного автомобиля имеет подбор передаточного отношения для передачи, следующей за прямой (четвертой или третьей), так как именно эти передачи чаще всего используются при разгонах после частичного замедления или на подъемах. В большинстве случаев эти передаточные отношения бывают в пределах 1,25—1,35 не более, а при наличии в коробке пяти передач для переднего хода четвертая имеет еще более близкое значение к прямой, например 1,09—1,20. Работая над контролем и подготовкой агрегатов силовой передачи скоростного автомобиля, надо помнить, что главные потери в коробках передач и редукторах задних мостов составляются из сил, идущих на взбалтывание масла. Следовательно, чем масла больше и чем оно гуще, тем выше потери. Это, однако, не означает, что можно снижать уровень масла против нормы, заданной конструкцией агрегата.

3. Работы по повышению устойчивости автомобиля

Устойчивость гоночного автомобиля, участвующего в гонках по кольцевой трассе, имеет решающее значение для успеха. Устойчивый автомобиль позволяет гонщику полнее использовать всю мощность двигателя, развивать наибольшую скорость на поворотах, применять более интенсивное торможение, подходя к препятствию, и тем самым увеличивать среднюю скорость прохождения круга. Хорошая устойчивость автомобиля упрощает управление им, снимая излишнее напряжение у спортсмена во время гонки. К качеству «устойчивость» тесно примыкает качество «управляемость», т. е. способность автомобиля держать заданное гонщиком направление. Устойчивость и управляемость автомобиля в большой степени зависят от конструкции узлов ходовых механизмов, а также и от общей компоновки всего шасси. Однако и спортсмен, подготавливающий к скоростным состязаниям серийный автомобиль, имеет возможность улучшить его устойчивость и управляемость. Возможными работами в данном случае являются: снижение высоты расположения центра тяжести автомобиля, регулировка углов наклона шкворней, иначе говоря создание лучшей стабилизации управляемых колес; контроль за давлением воздуха в шинах передних и задних колес. Снижение высоты расположения центра тяжести является одним из действенных способов повышения устойчивости автомобиля для прохождения поворотов с большей скоростью. Снизить центр тяжести готового автомобиля без больших конструктивных изменений можно следующим образом: постараться разместить как можно ниже такие тяжелые детали и агрегаты, как аккумуляторная батарея, бензиновый бак и другие предметы вспомогательного оборудования. Но это не должно привести к неправильному распределению общего веса автомобиля по осям. Для получения хорошей устойчивости распределение общего веса должно быть равным для передних и задних колес. В крайнем случае можно допустить некоторое увеличение веса на переднюю ось. Перемещение центра тяжести назад увеличит на повороте боковую силу, действующую на задние колеса. От этого увеличится угол увода задних колес по сравнению с углом увода передних, а это приведет к снижению устойчивости. Однако вес, приходящийся на задние колеса, должен обеспечивать необходимое тяговое усилие для интенсивного разгона без пробуксовки колес. В последнее время в целях увеличения сцепного веса и обеспечения высокого тягового усилия на гоночных автомобилях устанавливаются двигатели сзади. В этом случае оптимальным распределением веса по осям считается 55% на заднюю ось и 45% —на переднюю. Стабилизация управляемых колес достигается за счет наклонов шкворней в сторону и назад. Особенно полезным для скоростного автомобиля надо считать наклон шкворня назад. Действие стабилизирующего момента, т. е. стремление колес занять нейтральное положение, в этом случае происходит от центробежной силы, возникающей при поворотах и возрастающей от увеличения скорости движения и крутизны поворота, чем облегчается управление на повороте. К тому же изменение угла наклона шкворня назад более доступно спортсмену при подготовке готового автомобиля. Для этого нужно применить соответствующие подкладки в рычажный механизм передней подвески. При действии на автомобиль боковой силы, возникающей, например, при повороте автомобиля или при боковом ветре, качение его колес вследствие их упругости не будет происходить в плоскости их вращения, а сместится на некоторый угол, называемый углом увода. Величина угла увода зависит от величины боковой силы на колеса, от вертикальной нагрузки на колесо, конструкции шины и от внутреннего давления воздуха в шине. Надо сказать, что занимаясь подготовкой скоростного автомобиля к состязаниям, спортсмен не всегда имеете возможность изменять соотношение весов, приходящихся на передние и задние колеса автомобиля, не всегда он может выбирать и конструкцию шин. Иначе говоря, ему трудно внести усовершенствования, которые влиял бы на величины углов увода колес. В распоряжении водителя остается только регулировка давления воздуха в шинах. И это он может делать в очень узких пределах, ограничиваемых техническими требованиями шинных заводов. Чем больше давление воздуха в шине, тем меньше, при прочих равных условиях, будет угол увода колеса. Установлено, что лучшая устойчивость автомобиля на повороте и на прямой будет в том случае, когда угол увода у передних колес больше, чем угол увода задних. Следовательно, для лучшей устойчивости желательно, при равном распределении веса автомобиля по осям, применять давление в шинах передних колес ниже, чем в шинах задних колес. При такой регулировке давления, из-за большего увода передних колес, при повороте автомобиля возникает так называемое «недостаточное поворачивание», которое и обеспечит большую устойчивость и лучшую управляемость его. В заключение приведем некоторые сведения о специальных работах с автомобилем, предназначаемым для заездов на установление рекордов скорости, которые могут проводиться и при подготовке гоночного автомобиля, располагающего высокой максимальной скоростью свыше 200 км/час. Создавая автомобиль для рекордных заездов, большие работы и "средства потребуются для исследований, направленных на снижение сопротивления воздуха, заключающиеся в опытной продувке моделей кузова в аэродинамической трубе. Модели выполняются в уменьшенном масштабе. В редких случаях продувается модель в натуральную величину. Выбор размера модели зависит от диаметра аэродинамической трубы, имеющейся в распоряжении, а также от производственных возможностей. Величина сопротивления воздуха зависит от величины лобовой площади автомобиля и формы кузова, которая оценивается коэффициентом обтекаемости. Для ориентировочных расчетов этот коэффициент можно принимать в пределах 0,015 (идеальный случай) до 0,025, имея в виду хорошую форму кузова. Величина лобовой площади может быть получена по замеру площади силуэта поперечного вида автомобиля или, что достаточно точно, как произведение колеи на высоту.

Рис. 5. График, показывающий, какую мощность двигателя и тягу на колесах необходимо иметь автомобилю для получения заданной скорости движения при определенном коэффициенте сопротивления воздуха.

На графике (рис. 5) даны значения мощности двигателя, необходимые для получения заданной скорости в зависимости от сопротивления воздуха, последнее в данном случае дано как произведение лобовой площади на коэффициент обтекаемости. Аэродинамические исследования должны содержать не только поиски формы, дающей низкое сопротивление воздуха, но и такой формы, которая придаст автомобилю устойчивость и надежную управляемость при движении с максимальной скоростью, т. е. - обеспечит надежный контакт передних колес с полотном дороги. Непрерывный контакт между колесами автомобиля и полотном дороги зависит в большей степени от конструкции подвески автомобиля, высоты и места расположения центра тяжести и центра парусности. Центром парусности называется точка приложения равнодействующей от сил сопротивления воздуха, создаваемых отдельными элементами формы кузова. Так как форма кузова автомобиля всегда симметрична то центр парусности обычно находится в плоскости симметрии автомобиля. Расположение центра парусности оказывает большое влияние на устойчивость и управляемость автомобиля на высоких скоростях движения. Чем выше центр парусности, тем на большую величину и при большей скорости уменьшается давление передних колес на дорогу, что может привести к потере управляемости.