Способ увеличения мощности серийного 4-тактного двигателя

Приветствую всех водителей, которых не устраивает номинальная мощность серийного двигателя вашего транспортного средства. В этой статье мы рассмотрим один из способов увеличения мощности заводского мотора, с помощью спортивного распредвала, у которого профиль кулачков немного больше. И постараемся разобраться, нужен ли вообще такой распредвал и стоит ли тратить около двух тысяч американских денег, на поднятие мощности примерно на 15 — 18 кобыл из 150-ти л.с (при тех же оборотах).

Вообще, многие знают, что способов поднятия мощности существует несколько, но мы рассмотрим в этой статье только один из способов, с помощью клапанного механизма. И в конце статьи я думаю каждый для себя сделает вывод, нужно ли вам это, ведь большинство способов поднятия мощности любого двигателя, служат для определённых целей (например для достижения спортивных рекордов), но не всегда подходят для машин или мотоциклов, которые эксплуатируются каждый день (в личном пользовании). Но давайте всё по порядку.

Штатный (заводской) распредвал.

В идеале, в двигатель без помех должна поступать топливовоздушная смесь, а после соответствующих тактов и совершённой работы, продукты сгорания должны эффективно удалится — это в теории. И в этом процессе играет главную роль клапанный механизм любого четырёхтактного двигателя. И от этого механизма, во многом зависит эффективность наполнения цилиндров мотора свежим зарядом топливно-воздушной смеси. И чем выше эффективность наполнения, тем бо?льшую мощность выдаст двигатель.

Объём свежего заряда напрямую зависит от расположения и формы кулачков распределительного вала, и они начинают открывать клапаны на впуске чуть ранее, в момент, когда выпускные клапаны ещё не полностью закрылись (в конце такта выпуска). К тому же выпускные клапаны закрываются с небольшим запаздыванием (чуть попозже прохождения поршнем верхней мёртвой точки). Этот момент (фазу) определяют как момент перекрытия клапанов — смотрите участок между 1 и 2, на рисунке слева ( диаграмма фаз газораспределения). То есть получается, в момент перекрытия, оба канала — и впускной и выпускной, одновременно открыты. Для чего это нужно?

Начало открывания впускного клапана чуть ранее, до подхода поршня в ВМТ — эффективно улучшает наполнение цилиндров мотора свежей бензо-воздушной смесью и при этом используется энергия отработанных газов, которые не просто выталкиваются поршнем в выпускной коллектор, но ещё и выталкиваются наружу за счёт разницы давления в атмосфере и в цилиндре мотора. При этом скорость потока огромная и может достигнуть звукового барьера. Ну а если струя потока мощная и направление её сформировано, то значит из начавшего открываться впускного канала, она способно затянуть в цилиндр дополнительную порцию свежей горючей смеси (эффект пылесоса).

А закрывается впускной клапан (и соответственно впускной канал) немного позже прохождения поршнем нижней мёртвой точки — на диаграмме это показано между 3 и 4. И хотя поршень уже уходит вверх на такт сжатия, в этому моменту уже инерция потока свежей горючей смеси, во впускном патрубке, уже успевает загнать в камеру сгорания двигателя дополнительный заряд.

Это был рассмотрен газообмен двигателя серийного мотоцикла Ямаха (Yamaha YZF-R1), в котором установлен обычный заводской распределительный вал с штатным профилем кулачков, высотой 32,6 мм. И при этом этот движок выдаёт примерно 148 — 150 лошадок, при 10500 оборотов в минуту (смотрите график изменения мощности и крутящего момента — синяя линия на графике, см. ниже).

Спортивный распредвал.

Теперь давайте рассмотрим два вопроса: 1 — за счёт чего спортивный распредвал добавляет дополнительных лошадок двигателю; 2 — и тогда почему, если силёнок у мотора прибавляется, этот распредвал не используется на серийной технике ???

1 — Мощность у двигателя прибавляется от того, что высота кулачков у этого распредвала больше (смотрите фото слева — 33,1 мм), и естественно от этого клапан открывается больше обычного. При повышении оборотов мотора более 8 тысяч, возросшее расстояние между тарелкой впускного клапана и его седлом, на впуске ощутимо снижает газодинамическое сопротивление потоку смеси (у более высоко поднятого клапана). От этого эффектнее происходит наполнение цилиндров свежей горючей смесью, и повышается мощность двигателя.

На выпуске тоже ощутимо меняется газообмен, так как более высоко поднятый клапан (а следовательно и увеличившаяся площадь кольцевого прохода между клапаном и седлом) снижает помехи выходящим с большой скоростью продуктам сгорания топлива. От этого в цилиндрах остается меньше шлаков, и значит свежая горючая смесь уже горит намного лучше и полнее сгорает — это всё и прибавляет лошадок двигателю (при более 7500 — 8000 об/мин). При испытаниях на стенде, тот же Ямаховский движок и при тех же 10500 об/мин, но с спортивным распредвалом, выдал уже 168 кобылок (смотрите красную линию на графике выше). Разница в мощности двигателей с штатным и спортивным распредвалом довольно ощутимая, впечатляет не правда ли ?

2 — Так почему же на серийные моторы производители не ставят такие валы, и почему многие не советуют бежать в магазин и выкладывать за «чудо вал» 1900 — 2000 $ (cтолько стоит вал для эрки — Ямахи R1). Да просто нужно обратить внимание на более низкие обороты (до 7500), с которыми приходится ездить постоянно, особенно в городе. И подсевшая кривая мощности на оборотах ниже 7500 (смотрите на график !!!). То есть с спортивным валом, при большинстве поездок (на оборотах ниже 7500), мощность будет меньше, чем с обычным валом. Почему так происходит ? Из-за нарушения законов газообмена. Поясню проще и подробнее:

При низких и средних оборотах коленчатого вала (до 7500), через выпускной тракт за единицу времени, газов прокачивается немного, а значит эффект пылесоса (см. выше) здесь не так уж и значителен. И усилить энергию очищающей струи газов на малых и средних оборотах можно, если наоборот уменьшить проходное сечение между клапаном и его седлом. То есть уменьшить подъём клапана, как и происходит при штатном распредвале, с более низким профилем кулачков (32,6 мм).

Причём малая кольцевая щель между клапаном и седлом, работает как сопло реактивного двигателя и через тонкую щель продукты сгорания эффективнее удаляются в выпускной коллектор. При спортивном вале на малых и средних оборотах такой эффект не получится, так как проходное сечение увеличено, и продукты сгорания выталкиваются только поршнем. А значит шлаков в двигателе остаётся больше, и от этого горение смеси будет хуже — отсюда и подсевшая мощность.

К вышесказанному следует добавить ещё и подсевшую при малых и средних оборотах силу инерции на такте впуска. Ведь скорость горючей смеси в впускном канале прямо пропорциональна оборотам двигателя и при оборотах коленвала ниже 7500, скорость потока горючей смеси незначительна. А раз скорость сквозняка не большая, то и инерция потока очень маленькая. И вот здесь стоит даже немного увеличить подъём клапана, и в зоне перекрытия клапанов горючая смесь может пойти не в цилиндр двигателя. И остатки горячих газов в камере сгорания, двинут смесь в обратную сторону во впускной коллектор к воздушному фильтру.

Вдобавок часть заряда, которая поступила в цилиндр в начале такта сжатия, во время основного впуска, поршень успеет выдавить туда же (назад во впускной коллектор). Ведь впускной клапан закрывается с некоторым запаздыванием. В итоге, если сложить все нюансы, становится очевидным, что наполнение цилиндров, а следовательно и мощность двигателя падают.

Из всего выше описанного, можно понять, почему распределительный вал с более высоким профилем кулачков (33,1 мм) называют спортивным. Потому, что он подойдёт тем водителям, которые ездят постоянно на повышенных оборотах (спортивный стиль), то есть на гоночном треке. А большинство обычных водителей, ездящих по дорогам общего пользования, использую спортивный стиль в поездках очень редко. И поэтому для таких водителей покупать спортивный распредвал и устанавливать его на серийный двигатель — это пустая трата денег и времени.

И хочу заверить к тому же, что если вдобавок у вас ещё и подуставший мотор, потерявший мощность от естественного износа, или не такой мощный двигатель как на эрке (R1), то приготовьтесь к тому, что работать левой ногой (для переключения скоростей) вам придётся в два раза чаще (чаще переходить на пониженные передачи) — это проверено. К тому же ресурс двигателя немного сокращается, так как ему больше придётся работать на повышенных оборотах.

Для тех, кто всё же хочет оторваться на треке.

Если же вы всё таки решите как следует погонять на треке (есть такие состоятельные водители, у которых два и более мотоцикла или автомобиля, один для каждодневных поездок, а второй для поднятия адреналина на треке), то прислушайтесь к следующим советам.

Установка спортивного распредвала, это конечно главная составляющая форсировки двигателя, но кроме этого нужно будет применить ещё и другие способы форсировки (установка керамических поршней например, или установка жиклеров от Dynojet, о которых чуть ниже, или установка турбонадува, установить выпуск от Arrow и т.д), чтобы получить полный эффект. Если же двигатель вашей машины или мотоцикла пробежал более семи тысяч км., то форсировать мотор не имеет смысла. Потому что от резкого увеличения нагрузок, подуставшая поршневая или подшипники коленвала долго не протянут. Перед форсировкой, замените хотя бы подшипники коленвала новыми и очень авторитетных фирм.

Кстати, более высокие кулачки спортивного распредвала, на некоторых моторах могут подходить к телу головки очень близко. Поэтому обязательно проверьте, чтобы зазоры между вершинами кулачков и телом головки, были не менее 0,35 мм, иначе на нагретом моторе, кулачки и алюминиевый корпус головки могут встретится! Этому не следует удивляться, и на многих моторах спортивный распредвал может не вписаться в штатную головку, и её придётся дорабатывать.

Не забудьте так же проверить, чтобы между полностью открытым клапаном и поршнем в ВМТ был зазор в хотя бы в 1 мм, иначе на оборотах они тоже могут встретится. Так же потребуется установка более жёстких клапанных пружин (200$), иначе на штатных пружинах и повышенных оборотах клапаны будут зависать ( не успевать плотно закрываться). Потому что при более высоком профиле кулачков, инерционные нагрузки ощутимо возрастут (были случаи, когда штатные пружины просто ломались).

Потребуется поколдовать над жиклерами в штатных карбюраторах. В жиклерах главных дозирующих систем потребуется увеличить проходное сечение отверстий примерно на 35 — 40%. Лучше не заморачиваться с рассверливанием штатных, а установить фирменный набор, например от Dynojet (стоимость примерно 300 — 350$). Причом важно, чтобы набор был предназначен для конкретной модели мотоцикла или автомобиля. Установка новых жиклеров, поможет к тому же немного устранить провал характеристик мотора на низких оборотах коленвала.

Заводская выпускная система, заметно ограничит возможности форсированного мотора, так как она не способна без задержек пропускать возросший объём отработанных продуктов горения, и может свести на нет эффект от увеличенного профиля кулачков. Поэтому потребуется потратится (примерно 1300 — 1900 $) на фирменную прямоточую выхлопную систему.

И последнее. Решив для себя всё таки форсировать свой двигатель, определитесь точно с направлением тюнинга и затем найдите возможность ознакомиться с уже проверенными данными стендовых испытаний именно для вашего направления тюнинга, и затем сравнить с другими направлениями и возможностями форсировки. Потому что в итоге (не во всех случаях конечно) может получится прирост мощности всего в 3 — 5 лошадей, чем в заводском варианте. Так стоит тогда выкладывать довольно немалые деньги из-за этих трёх или пяти лошадок, которые в городском потоке будут незаметны.

Кстати совершенствование двигателя с помощью подбора поршня с более короткой юбкой (Т образные поршни), тоже не всегда приводит к отличным результатам и подробнее об этом советую почитать вот в этой статье, в которой так же описываются различные поршни и подборка поршней для определённого двигателя (в зависимости от оборотов).

Надеюсь, прочитав эту статью и сделав для себя определённый вывод, каждый водитель решит, стоит ли использовать способ увеличения мощности четырёхтактного двигателя с помощью спортивного распредвала, или нет; удачи всем!