Теория и практика форсирования двигателей

Вряд ли можно найти автовладельца, который бы не мечтал в явной или скрытой форме о том, чтобы его четырёхколёсный друг был намного мощнее. Когда мы приобретаем автомобиль, нас в первую очередь интересуют его комплексные характеристики, начиная с цвета и экстерьера и заканчивая экономичностью, функциональностью и ремонтопригодностью. Мощность силового агрегата в этом списке редко стоит на первых позициях.

Но по истечении некоторого количества времени мы начинаем понимать, что было бы неплохо, если бы наша машинка была немного резвее, «лошадок» на 10-30-50-100, в зависимости от аппетитов и стиля вождения.

Если обратиться к статистическим данным, то средний автомобиль, являющийся собственностью такого же рядового россиянина, имеет мотор объёмом 1.6 л при мощности 120 лошадиных сил. А вот болид Формулы при таком же объёме двигателя может выдавать впятеро больше!

Неудивительно, что гонка за лошадиными силами выплеснулась из лабораторий автопроизводителей в многочисленные тюнинговые ателье, специализирующихся на доработке штатных силовых агрегатов с целью существенного улучшения их динамометрических характеристик.

Нужно сразу отметить, что для рядового СТО такая услуга в редких случаях оказывается посильной – в современном автомобиле огромное количество узлов и агрегатов, функционирование которых в той или иной мере связано друг с другом. Поэтому бездумное вмешательство в конструкцию ни к чему хорошему не приводит. Форсирование двигателей как способ изменения их рабочих характеристик как раз и предполагает проведение комплексных мероприятий с учётом взаимного влияния всех систем. И учёт этот основан на глубоком понимании физических процессов, происходящих как в самом моторе, так и узлах, его обслуживающих, от системы охлаждения до выхлопной трубы.

Если быть более конкретным, то существуют только два фактора, определяющие мощностные параметры автомобиля: мощность мотора и обеспечиваемый им крутящий момент. Поэтому львиная доля усилий при форсировании двигателей направлена на увеличение именно этих характеристик.

Какие моторы поддаются форсированию

Многие владельцы бюджетных авто пребывают в абсолютной уверенности, что их машину нельзя форсировать, называя при этом массу невнятных причин. Это полная ерунда – форсировать можно любой, за очень редким исключением, силовой агрегат, бензиновый или работающий на дизтопливе. Если не использовать установку турбины, то поднять планку мощности с использованием «железных» доработок можно, причём на величины порядка 10-20%. С одной стороны, такая прибавка кажется незначительной, но с другой – увеличить мощность со 100 до 120 л. с. вполне можно считать реальным успехом. С учётом того, что при желании этот показатель можно будет поднимать вверх ещё и ещё.

Установка турбонаддува – наиболее затратный, но кардинальный способ решения проблемы, позволяющий однократно увеличить мощностные показатели на 40 и более процентов.

Но что значит форсированный двигатель с точки зрения его ресурса? Снизится он или увеличится? Однозначного ответа на этот вопрос нет. Всё зависит от того, что именно подверглось доработке, а также от индивидуальных особенностей эксплуатации силовой установки конкретным автовладельцем.

Как известно, многие современные производители легковых машин конструируют их таким образом, чтобы иметь возможность в будущем выпускать тюнинговые модификации. Чем и пользуются специалисты многочисленных тюнинговых ателье, как известных, так и работающих в локальном масштабе. И если сравнивать заводское авто и тюнингованное, ресурс последнего может оказаться на 50-100% больше.

Как это можно объяснить? Да очень просто. Процесс массовой сборки, да ещё и на унифицированных шасси (а это тенденция последнего десятилетия) не предполагает индивидуальной настойки каждого автомобиля, весь технологический процесс происходит в строгих рамках существующих допусков и стандартов. Другими словами, возможности улучшения конструкции двигателя и его обслуживающих систем здесь если и присутствуют, то в очень долговременной форме. То есть как минимум при очередном рестайлинге.

Специалисты по тюнингу такими ограничениями не скованы, и если они находят какое-то решение, позволяющее повысить мощность силового агрегата, то без проблем его реализовывают. Разумеется, с учётом внесения сопутствующих изменений в другие узлы. При этом они имеют возможность учитывать балансировку, развесовку и другие переменные величины, характеризующие совокупный баланс машины, с точностью до миллиметров и граммов.

Разумеется, если всё было бы так просто, на наших дорогах просто не осталось бы тихоходов. Но большинство желающих форсировать мотор своего авто сталкиваются с тем, что такая доработка мотора стоит очень недёшево, поскольку приходится вносить изменения и в конструкцию других узлов: трансмиссии, подвески, тормозов и т. д.

Особенно это актуально в случае монтажа турбонагнетателя (как вариант – механического компрессора). Поэтому подавляющее большинство автолюбителей предпочитает улучшать двигатель без использования такого кардинального средства, как турбина.

Основные методы форсирования мотора

В переводе с английского одно из значений слова force – усиление (чего-либо). В нашем случае речь идёт об автомобильном двигателе. Как правило, его форсирование и понятие тюнинга (tune означает «настройка») – это понятия-синонимы. Таким образом, под форсированием силового агрегата следует понимать проведение целого комплекса мероприятий, направленных на доработку заводского ДВС. Такие работы как раз и есть сфера интересов тюнинговых компаний различного масштаба, узкоспециализированных и широкопрофильных.

И хотя конечная цель одна – увеличение мощности двигателя, способов, как форсировать двигатель, существует почти два десятка. И это количество только увеличивается. Разумеется, их вклад в общее дело неодинаков – некоторые методы предполагают рост мощностных характеристик на величины менее одного процента, которые вряд ли можно назвать ощутимыми. Да и в точности определения этих пресловутых процентов всегда можно засомневаться.

Мы постараемся рассмотреть только те из них, которые доказали свою эффективность сотнями и тысячами примеров реальной эксплуатации, а не только инструментально-лабораторными измерениями и исследованиями.

И ещё один момент: в наши задачи не входит рассмотрения с вариантом установки турбонагнетателя – эта тема, которая заслуживает отдельного рассмотрения. Хотя бы потому, что требует внесения более кардинальных изменений в конструкцию как самого силового агрегата, так и других систем автомобиля.

Механическое форсирование

Каждый автовладелец, задумывающийся о приемлемых способах увеличения мощности мотора, должен задаться вопросами, ответы на которые могут оказаться решающими при принятии окончательного решения.

Основной вопрос – для чего нужен такой тюнинг, насколько он необходим. Из него вытекают и другие, не менее важные – будет ли улучшены характеристики мотора в достаточной степени (чтобы через год не появились идеи о новом улучшении), и будут ли оправданы затраты на форсирование с финансовой точки зрения?

И только если все ответы на отчасти философские, отчасти – рациональные вопросы окажутся положительными, можно задумываться о конкретной реализации. Существует два основных направления форсирования: так называемый чип-тюнинг и механические способы.

Первый вариант предполагает изменения алгоритма работа святая святых современного автомобиля – бортового компьютера. Именно он сегодня отвечает за координацию работы всех систем, руководствуясь показаниями многочисленных датчиков и исполнительных устройств. В данном случае ни о каком самостоятельном изменении управляющей программы не идёт и речи – задача перепрограммирования ЭБУ требует досконального знания алгоритмов работы контроллера, а это закрытая информация, доступ к которой стоит больших денег. И, разумеется, наличия соответствующего багажа знаний. Основным достоинством чип-тюнинга можно назвать невмешательство в конструкцию силового агрегата – увеличение мощности происходит за счёт изменения настроек работы программы, изменения самого кода и/или добавления новых контроллеров.

Напротив, механическое форсирование предполагает внесение изменений в штатные узлы заводского мотора, а зачастую – установку новых, модифицированных, или же дополнительных, делающих работу двигателя более производительной.

Если вы хорошо владеете слесарным инструментом, техническая сторона задачи может оказаться вам вполне по силам. Но при форсировании обладания такими навыками явно недостаточно, ибо любое внесение изменений в конструкцию автомобиля, будь то мотор, подвеска или даже тюнинг салона, требует тщательного расчёта необходимости внесения изменений в другие узлы, влияющие на поведение транспортного средства на дороге при различных режимах и нагрузках.

Тюнинговые ателье, специализирующиеся на форсировании моторов, имеют собственные апробированные наработки, направленные на увеличение оборотов силового агрегата, такая работа требует тщательного просчёта увеличенной нагрузки на поршневую группу. В частности, нужного эффекта достигают за счёт замены шатенов на детали, изготовленные из титановых сплавов – они намного прочней и легче, хотя сам по себе титан нельзя назвать идеальным материалом из-за его высокой пластичности – это важно там, где рабочие размеры измеряются с точностью до микронов. Увеличиваются требования по нагрузке к нижней головке шатуна, что в свою очередь, ставит задачи по усилению болтов и шпилек, и такие детали обычно стоят на порядок дороже оригинальных.

Усиление поршневой группе неизменно сказывается на работе других узлов двигателя. Например, на требованиях, предъявляемых к ГРМ. Если верхний предел оборотов вырос, необходимо позаботиться о соответствующем изменении упругости клапанных пружин – они должны успевать справляться с задачей закрытия тарелок при возросших скоростях, поскольку изначально они на это не рассчитаны. Достигается это за счёт уменьшения веса клапанов, и/или посредством снижения их теплоотдачи, что с точки зрения физических процессов – задача нетривиальная, решаемая посредством использования новых материалов и их комбинаций (металлокерамики, того же титана, высокопрочных марок стали).

Увеличение оборотов требует усилий по предотвращению резонансных явлений во впускном/выпускном трактах силового агрегата. Реализуется это внесением изменений в конструкцию распредвала, впускного коллектора и его выпускного аналога, использованием более точного многодроссельного впуска, когда каждый цилиндр комплектуется собственной заслонкой.

Скорее всего, потребуется оптимизировать и форму каналов, и не только в ГБЦ, но и в некоторых частях впускного тракта. Достигается это использованием весьма специфических алгоритмов – продувкой мотора с целью выявления точек, обладающих увеличенным сопротивлением потоку воздуха. Отметим, что тюнинговая доработка впускного тракта по сложности ничуть не уступает внесению изменений в поршневую группу. Более того, если выполняется лёгкое форсирование, впуск берёт на себя основную часть ресурсов, включая финансовых.

Увеличение рабочего объёма

Если рассуждать чисто теоретически, то самым удачным вариантом улучшения отдачи мотора следует признать увеличение его совокупного рабочего объёма. Технически это можно реализовать разными способами – ростом количества цилиндров, увеличением их диаметра, изменением хода поршня.

Конечно, добавление цилиндров – задача, решить которую может только автопроизводитель, так что его сразу можно отбросить. А значит, реальных изменений можно добиться, корректируя только два последних параметра.

Но и здесь не всё просто. Диаметр цилиндра изменить можно, причём именно в сторону увеличения, но при этом следует подвергнуть соответствующей обработке блок цилиндров (такая операция называется расточкой, она часто применяется при выполнении капремонта двигателей).

Остаётся только подобрать новые поршни с увеличенным диаметром, после чего нанести на их поверхность микронеровности для улучшения сцепных свойств с масляной плёнкой.

Проще всего вносить подобные изменения в силовые агрегаты, имеющие алюминиевые блоки и мокрые вставные гильзы. В этом случае подобрать новый комплект с увеличенным диаметром не составит труда – в розничной сети они представлены в обширном ассортименте. Более сложной задачей является увеличение хода поршней, поскольку для этого придётся вносить изменения в коленвал. Конкретнее – увеличивать радиус кривошипа. К счастью, автоиндустрия и здесь приходит на помощь: в продаже имеется огромное количество разновидностей коленчатых валов, предназначенных, в том числе, для применения на тюнингованных моторах.

Форсированный режим двигателя посредством увеличения его объёма требует использования так называемых длинноходных или, напротив, короткоходных вариантов, в зависимости от изменения диаметра цилиндра или хода поршня. В некоторых случаях корректировке подвергаются оба параметра, но тогда подбор требуемых компонентов усложняется ввиду уменьшения количества подходящих вариантов.

Не следует забывать о том, что изменение объёма мотора оказывает влияние как на параметр мощности, измеряемый в лошадиных силах, так и на величину оборотов, при которых достигается пик мощности, а также на величину крутящего момента – это взаимосвязанные характеристики. Причем эта зависимость носит вполне определённый характер: увеличение мощности и крутящего момента соответствует уменьшению оборотов вращения коленвала.

Увеличение степени сжатия

Мощность ДВС – это по существу, сила, с которой поршень давит на коленвал, заставляя его вращаться. Один из способов ей увеличения заключается в изменении степени сжатия в цилиндре. Увеличив этот показатель в камере сгорания, можно добиться от мотора и большей отдачи при неизменном объёме.

Теоретически это означает, что прирост мощности не повлияет на экономичность двигателя, в отличие от предыдущего способа.

Но если это так, почему автопроизводители сами не делают такого улучшения, ведь увеличения степени сжатия до максимального показателя можно добиться ещё на этапе проектирования?

Оказывается, имеются ограничения, связанные с необходимостью придерживаться определённых стандартов. В данном случае речь идёт о бензине. Увеличение степени сжатия связано с появлением вредных детонационных процессов, но здесь имеется прямая зависимость. Чтобы избежать негативных последствий, нужно просто использовать горючее с более высоким октановым числом. Автопроизводители на такой шаг пойти не могут, ибо это связано с высокой стоимостью премиальных марок бензина. Для среднестатистического автомобилиста такой вариант заведомо неприемлем.

Между тем для тех, кто хочет добиться увеличения мощности, невзирая на рост сопутствующих расходов, этот способ не выглядит таким уж плохим. Дело в том, что переход на более высокооктановое топливо даже без увеличения степени сжатия гарантирует рост эффективности, заключающийся в уменьшении расхода бензина, так что рост в цене будет в значительной степени нивелирован увеличением экономичности.

При этом востребованы два способа, как можно форсировать двигатель посредством увеличения степени сжатия в цилиндрах:

Первый предполагает установку между БЦ и ГБЦ более тонкой прокладки. Однако здесь существует вероятность, что из-за изменения расстояния хода поршня клапан может столкнуться с поршнем, что чревато большими неприятностями. Так что на практике тонкую прокладку используют крайне редко, и если применяют, то тщательно всё рассчитывают.

Ситуацию можно исправить, установив модернизированные поршни, у которых имеется более глубокая выемка. Такое усовершенствование обойдётся вам дороже, к тому же придётся заниматься настройками фаз газораспределения из-за изменения его параметров.

Второй способ требует расточки цилиндров и, соответственно, использования поршней с увеличенным диаметром. Хотя этот вариант и можно отнести к форсированию посредством увеличения объёма мотора, степень сжатия при этом тоже вырастет, поскольку объём самой камеры сгорания остаётся неизменным, а изменения затрагивают только объём цилиндра.

Если соотношение этих двух объёмов изменяется, то и уровень сжатия вырастет. Но здесь нужно учесть ещё один нюанс: при стандартных настройках силового агрегата чем ниже степень сжатия, тем большего прироста мощности можно добиться, увеличив сжатие данным способом.

Уменьшение механических потерь

Идеальных, «вечных» двигателей не существует – эту истину мы усваиваем с молоком матери…пардон, со школьной скамьи. ДВС в этом плане – далеко не самый эффективный вид моторов: его средний КПД не превышает 30%, и вполне очевидно, что потолок здесь ненамного выше. Если оставить в стороне потери горючего из-за скоротечности циклов воспламенения и горения (по этой причине теряется порядка 30% горючего), остаётся уповать на уменьшение механических потерь. Их источники известны:

• насосные потери;
• трение в ЦПГ;
• потери при работе многочисленного вспомогательного оборудования.

Основной проблемой принято считать трение поршней о стенки цилиндров – здесь мы имеем и большую площадь соприкосновения, и высокую скорость поступательного движения. Каким же образом можно уменьшить потери? Здесь тоже имеется несколько вариантов:

• применение сборных маслосъёмных колец;
• конструктивное увеличение рабочего зазора между трущимися деталями;
• использование шатунов меньшего веса.

Все три способа реализуемы, но они требуют тщательного выполнения процедуры балансировки и развесовки, то есть подбора всех деталей КШМ по весовым показателям.

Если говорить о насосных потерях, то здесь основная доля снижения эффективности силового агрегата приходится на трение в шейках коленвала. Уменьшить потери удаётся за счёт установки распредвала, характеризующегося более широкими рабочими фазами. Если дополнить это применением системы под названием «сухой картер», можно добиться значительного уменьшения насосных потерь в районе коленвала (моторное масло, как ни странно, предотвращая перегрев, тормозит вращение коленвала).

Наконец, немалая доля потерь мощности приходится на работу дополнительного оборудования. В качестве примера можно привести кондиционер (один из самых затратных потребителей), помпу, генератор, а также рулевой гидроусилитель – все они приводятся в движение от приводного ремня коленвала. Но поскольку отказаться от их использования нельзя, решить проблему, хотя бы частично, можно за счёт увеличения придаточного отношения помпы и генератора, что, конечно же, скажется на их характеристиках, и не в лучшую сторону.

Оптимизация процесса сгорания ТВС

Как ни странно, но для использования этого метода можно обойтись без детального изучения теории, объясняющей особенности процесса горения смеси в камере сгорания. Достаточно понимать, что объём КС должен быть минимизирован, что позволит избежать возникновения излишних тепловых потерь и уменьшить вероятность возникновения детонационных процессов, оказывающих огромное влияние на процесс горения ТВС. Существенного улучшения можно добиться и за счёт более эффективного приготовления смеси.

Уменьшение камеры сгорания и более тщательная её очистка – мероприятия вполне осуществимые, направленные на оптимизацию процесса воспламенения и сгорания смеси. Увеличения наполняемости КС можно добиться, уменьшив показатель аэродинамического сопротивления потоку воздуха во впускном и отработанным газам в выпускном трактах двигателя. Ещё одно направление работ – уменьшение аэродинамического сопротивления в каналах ГБ. Оптимизации также подлежит конструкция выхлопной системы, особенно резонатора. Имеет значение и его форма, и местоположение, помогает добиться желаемого монтаж многодроссельной системы, предполагающей установку выпускной трубы с индивидуальным подключением к цилиндрам.

Ещё раз о ресурсе форсированных двигателей

Этот вопрос необходимо «разжевать», поскольку многие автовладельцы пребывают в уверенности, что форсирование – процедура исключительно односторонняя, приводящая к уменьшению ресурса мотора и его систем.

Здесь не всё так однозначно. Факторов, оказывающих влияние на моторесурс, предостаточно: это и уровень форсирования силового агрегата, и степень увеличения нагрузки, и условия эксплуатации, и такой субъективный фактор, как качество используемых технических жидкостей (горючего и масла).

Если говорить о режимах работы двигателя на максимальных нагрузках, то они непродолжительны, независимо от того, форсирован мотор или нет. Это позволяет утверждать, что тюнинг двигателя не оказывает заметного влияния на его совокупный ресурс. Более того, если форсирование производилось качественно, то мотор будет исправно работать даже больше, чем без тюнинга. Дело в том, что доводка силового агрегата – это всегда продуманная индивидуальная работа, выполняемая с применением максимально точных методов развесовки, подгонки деталей, балансировки двигателя. Чем опытнее команда специалистов, тем больше знаний таких тонкостей в работе ДВС, которые зачастую неизвестны даже автопроизводителям, и это не голословное утверждение. В любом случае качество работ при форсировании нельзя сравнивать с конвейерной сборкой – там стандарты совсем другие.

Понятно, что такой квалифицированный тюнинг мощности – удовольствие дорогостоящее, поскольку, кроме мероприятий, связанных с улучшением работы мотора, приходится колдовать над корректировкой конструкции подвески, КПП, тормозов.

Мы уже говорили, что форсированию подлежат практически любые моторы. Но методы, используемы для автомобилей разного класса, могут существенно отличаться.

Так, для увеличения мощности малолитражного ДВС объёмом менее 1500 «кубиков» потребуется раскручивать мотор до запредельных величин, порядка 6-9 тысяч оборотов. Впрочем, существует множество других способов решения проблемы. Например, на малолитражку можно установить 1.6-литровый мотор, но при этом использовать распредвал от более слабого двигателя, у которого подъём клапанов будет меньшим. Такая переделка потребует регулировки шестерни распредвала с опережением на 3-4 градуса. Такой силовой агрегат будет иметь хорошую динамику уже с низовых оборотов. Если взять ВАЗовский мотор объёмом 1.7 л. (у которого поршень имеет ход 82.40 мм., а коленвал — 78.00 мм.), то здесь можно попробовать установить распредвал с ходом клапанов от 10.92 мм. Такая форсировка считается очень перспективной, поскольку тюнингованный мотор обладает приличным крутящим моментом практически на всём диапазоне оборотов, при этом способен раскручиваться до 8 тысяч оборотов/минуту.

Другие подходы следует использовать для двигателей средней мощности. Так, 1.8-литровый мотор можно тоже форсировать настолько удачно, что водитель сможет переключаться на высокие передачи на относительно небольших оборотах двигателя.

Для этого достаточно установить на такой мотор распредвал, у которого подъём клапанов превышает 12 мм. Расплачиваться придётся холостыми оборотами, которые станут неустойчивыми, но не критически. А самым устойчивым будет режим на 1000-1100 оборотах. Но следует признать, что такой тюнинг приведёт к уменьшению моторесурса, причём особенно осторожным нужно быть на максимальных оборотах – нагрузка будет настолько высокая, что может треснуть коленвал – такие случаи известны.

Считается, что решающую роль в доработке мотора играют изменения, вносимые в конструкцию ГБЦ. Если всё сделать правильно и аккуратно, то можно рассчитывать на прибавку мощности в пределах 20%, а при сочетании с другими методами – то и на все 30%.

Это достигается благодаря целому рядку улучшений: более качественной подготовке ТВС, улучшению наполняемости камеры сгорания смесью, оптимизации самого процесса сгорания и снижению потерь в выпускном тракте.

Тем же целям служит установка «фильтра нулевого сопротивления» (и тоже за счёт снижения ресурса мотора), использование паука (выпускного коллектора с множественными отводами), прямоточного глушителя. Правда, эти усовершенствования обеспечивают незначительную прибавку мощности, но их аккумулирующий эффект тоже не стоит игнорировать. Отметим, что тюнинг выпускного/впускного тракта заметно удорожает процедуру форсирования двигателя, совершенно не соответствуя итоговому результату, но это уже дело вкуса, желания и возможностей.

Таким образом, форсирование двигателя представляет собой весьма ресурсоемкий и дорогостоящий процесс, но если этим занимаются профессионалы, полученный результат окажется вполне удовлетворительным. Но не следует забывать, что изменениям подвергаются и другие системы, что влечёт за собой соответствующие корректировки при их эксплуатации, техобслуживании и ремонте.