Изменим положение фаз у двигателя

Что хочет владелец автомобиля? Высокая мощность, приемистость, комфорт, малый расход топлива и т.д. Но жизнь вводит свои коррективы и наши желания, не совпадают с действительностью. Все начинается с конструкторского бюро завода производителя, которое находит компромисс между себестоимостью, технологичностью производства, потребительскими желаниями клиента и его способностью оплатить конечный продукт. Вот и выезжает из ворот завода некий компромисс на колесах наделенный свойствами неудовлетворяющими конечного потребителя.

Дачника не устраивает крутящий момент на низких частотах вращения 1500–2500 об/мин чтобы увезти рассаду, навоз и тещу в придачу. Горожанину нужен приемистый двигатель в среднем диапазоне 2500–4000 об/мин чтобы реже переключаться, драйверу высокая отдача в верхнем 4000–6500 об/мин.

Мощность и крутящий момент двигателя определяются его механической частью:
•  рабочим объемом;
•  проходными сечениями каналов и длиной систем впуска и выпуска;
•  фазами газораспределения (ФГР) — периодами открытого и закрытого состояния клапанов.

ФГР выражаются в градусах поворота коленвала относительно верхней и нижней мертвых точек хода поршня. Верхняя мертвая точка (ВМТ) точка максимального подъема поршня, а нижняя мертвая точка (НМТ), соответственно, точка самого нижнего положения поршня.

За характер двигателя в конечном итоге отвечает «механический мозг» — распредвал, т.к. поменять рабочий объем двигателя, сечения каналов и т.д. затратно и порой невыполнимо. Значит, меняя характеристики распредвала можно менять поведение автомобиля.

Теория

ФГР обычно изображают в виде круговых диаграмм. Для простоты рассмотрим ФГР двигателя ВАЗ 21083 объемом 1500 см³ со стандартным распредвалом 2108 и зазорами 0,2±0,05 мм впускных и 0,35±0,05 мм выпускных клапанов.

За один рабочий цикл в цилиндре двигателя происходит четыре такта (на рисунке выделены цветом и промаркированы римскими цифрами) — I впуск горючей смеси, II сжатие, III рабочий ход и IV выпуск отработавших газов. Эти такты осуществляются за два оборота коленчатого вала, т.е. каждый такт происходит за пол-оборота (180°) коленчатого вала.

Впускной клапан начинает открываться с опережением, т.е. до подхода поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) на расстояние, соответствующее 33° поворота коленчатого вала до ВМТ. Это необходимо для того, чтобы клапан был полностью открытым, когда поршень пойдет вниз, и через полностью открытое впускное отверстие поступило по возможности больше свежей горючей смеси.

Впускной клапан закрывается с запаздыванием, т.е. после прохождения поршнями нижней мертвой точки (НМТ) на расстоянии, соответствующем 79° поворота коленчатого вала после НМТ (угол дозарядки). Вследствие инерционного напора струи всасываемой горючей смеси она продолжает поступать в цилиндр, когда поршень уже начал движение вверх, и тем самым обеспечивается лучшее наполнение цилиндра. Таким образом, впуск практически происходит за время поворота коленчатого вала на 292°.

Выпускной клапан начинает открываться еще до полного окончания рабочего хода, до подхода поршня к НМТ на расстояние, соответствующее 47° поворота коленчатого вала до НМТ. В этот момент давление в цилиндре еще довольно велико, и газы начинают интенсивно истекать из цилиндра, в результате чего их давление и температура быстро падают. Это значительно уменьшает работу двигателя во время выпуска и предохраняет двигатель от перегрева.

Выпуск продолжается и после прохождения поршнем ВМТ, т.е. когда коленчатый вал повернется на 17° после ВМТ. Таким образом, продолжительность выпуска составляет 244°.

Из диаграммы фаз видно, что существует такой момент (50° поворота коленчатого вала около ВМТ), когда открыты одновременно оба клапана — впускной и выпускной. Такое положение называется перекрытием клапанов. Из-за малого промежутка времени перекрытие клапанов не приводит к проникновению отработавших газов во впускной трубопровод, а наоборот, инерция потока отработавших газов вызывает подсос горючей смеси в цилиндр и тем самым улучшает его наполнение.

Исходя из теории и практики, можно сделать выводы:
1. чем выше (кулачек распредвала) подъем клапана тем лучше наполнение;
2. чем меньше угол перекрытия клапанов тем лучше наполнение на низких частотах так как свежая смесь не перетекает в выпускной коллектор через открытый выпускной клапан и соответственно отработанные газы не попадают во впускной, с увеличением угла моментная характеристика сдвигается в зону высоких оборотов;
3. чем больше угол дозарядки, тем лучше наполнение на верхах, и тем хуже момент на низких частотах за счет выталкивания поршнем свежей смеси обратно во впускной коллектор;
4. чем острее кулачек, тем меньше время максимального подъема клапана, тем хуже наполнение;
5. как правило, верховой вал (отдача в диапазоне 4000–7000 об/мин) для маленького объема, становиться низовым (отдача в диапазоне 1500–3000 об/мин) для большего объема и наоборот;
6. низовой распредвал — узкая фаза открытия, не высокий подъем клапана, острый кулачек;
7. верховой распредвал — широкая фаза открытия, высокий подъем клапана, не острый кулачек.

Выбор

При проектировании стандартного распредвала и двигателя в целом разработчикам приходится учитывать, что на будущем автомобиле будут ездить дачник, горожанин, и драйвер, исходя из этого, разрабатывается усредненный распредвал для удовлетворения желаний каждого. Соответственно характеристики вала размазаны по всему диапазону оборотов. Покупая тюнинговый распредвал, его можно выбрать и настроить на тот диапазон оборотов, который нужен конкретно вам.

Выбирая распредвал необходимо четко знать, где вы хотите получить отдачу! Тюнинговые распредвалы это тоже некий компромисс, в том смысле, что конкретный вал раскроет свои возможности только в определенном диапазоне оборотов. Следует также отметить, что чем уже диапазон оборотов, в котором раскрывает свои возможности распредвал, тем ярче получается эффект (отдача).

Например, вам нравится так называемая «паровозная тяга» в диапазоне 2000–3000 об/мин. Заузить или расширить этот диапазон мы не можем. Он конструктивно заложен в «железе» (профиль кулачка). Однако шкивом распредвала (разрезной шестерней) мы легко можем сместить этот диапазон вверх или вниз. При замене распредвала настоятельно рекомендуем установить разрезную шестерню. Стоимость самой шестерни невелика, но она позволяет добиться существенно прироста мощности именно в купе с валом.

Основные моменты, почему рекомендуется монтаж разрезанной шестерни:
1. При крупносерийном производстве двигателей отклонения размеров деталей от заданных чертежей неизбежны. За счет отклонения размеров деталей механизма газораспределения и кривошипно-шатунного механизма фактические ФРГ двигателя одной модели могут отличаться от номинальных до ±10o по коленвалу, что составляет погрешность в пределах одного зуба на распред шестерне. Для компенсации такой погрешности практикуется установка разрезанной шестерни, позволяющей изменить положение ее зубчатого венца относительно ступицы с шагом 0,1 градуса в отличие от заводской сплошной шестерни, которая фиксируется только в одном положении и отойти от него можно лишь на зуб вперед или назад с шагом 17o по коленвалу. Как следствие — заметная потеря в мощности и моменте вместо предполагаемой прибавки.
2. Применение тюнинговых и спортивных распредвалов с увеличенным подъемом кулачков и измененным профилем. Установка такого вала со стандартной шестерней дает прибавку по мощности и моменту. Настройка такого на эффективные ФГР при помощи разрезанной шестерни добавляет еще 3% по мощности.

Например. Максимальную отдачу среднеоборотистого распредвала «работающего» в диапазоне 3000–5000 об/мин, можно сместить вниз, после чего отдача будет в диапазоне 2000–4000 об/мин. Характеристики валов в виде графиков.

Низовые распредвалы. «Классика»

80 вал — моментный, низовой. Хорошая отдача в диапазоне до 3500 об/мин. После 5000 об/мин мощность падает в сравнении с серийным распредвалом (двигатель «скисает»). Оптимальный вариант для тех, кто не крутит выше 5000.

03 вал — среднеоборотистый. В сравнении со стандартным валом он лучше работает во всем диапазоне оборотов. Наиболее ярко раскрывает свои возможности с 3000 до 5000 об/мин. После 5500 об/мин в мощности проигрывает стандартному распредвалу, как и 80-й вал. Зато внизу до 3500 об/мин — 80 распредвал лучший.

37 вал — среднеоборотистый. Стандарту ни проигрывает ни где. Хотя и выигрыш по моменту и мощности не значительный. Увеличивает крутящий момент преимущественно на низких и средних оборотах. Наиболее хороший подрыв с 3500 до 5000 об/мин (там, где у стандартного вала провал).

Верховые распредвалы. «Классика»

48 вал — мощностной, верховой. Максимальная мощность при 5000 об/мин. До 4000 об/мин. крутящий момент хуже, чем у стандартного вала.

71 вал — мощностной, верховой. Максимальная мощность при 6000 об/мин. До 3500 об/мин. крутящий момент хуже чем у стандартного вала.

72 вал — мощностной, верховой. Максимальная мощность при 6500 об/мин. Кривая мощности по сравнению с 71 распредвалом незначительно сдвинута в зону высоких оборотов.

Валы М3, М4 — верховые спортивные валы. Эти распредвалы просыпаются после 5000 об/мин. Установка этих валов требует доработки ГБЦ, применения цельных механических толкателей, специальных клапанных пружин и т.д. Но это уже не «гражданский», а «спортивный» тюнинг. О ресурсе двигателя здесь говорить не принято, здесь нужна победа.

Низовые распредвалы. ВАЗ 21083

80 вал — моментный, низовой. Хорошая отдача в диапазоне 2000–3000 об/мин. После 4200 об/мин мощность падает в сравнении с серийным валом (двигатель «скисает»). Максимальный крутящий момент на 2500 об/мин.

03 вал — среднеоборотистый. В сравнении со стандартным валом он лучше работает во всем диапазоне оборотов. Наиболее ярко раскрывает свои возможности с 2500 до 4000 об/мин. После 4700 об/мин в мощности проигрывает стандартному валу.

26 вал — среднеоборотистый. Стандарту не проигрывает ни где. Отпадает необходимость частого переключения передач. Хотя и выигрыш по моменту и мощности не значительный. Наиболее хороший подрыв с 3500 до 5000 об/мин (там, где у стандартного вала провал).

Верховые распредвалы. ВАЗ 21083

49 вал — мощностной, верховой. Максимальная мощность при 4000 об/мин. До 3000 об/мин. крутящий момент хуже, чем у стандартного вала.

14 вал — мощностной, верховой. До 3500 об/мин. момент хуже, чем у стандарта. С 3500 до 5000 ведет себя также как и стандартный вал. И только после 5500 об/мин. начинает просыпаться, да так что показывает себя в этом диапазоне лучше чем 49 вал.

52 вал — мощностной. До 4000 об/мин. момент хуже, чем у стандарта. С 5500 до 6500 об/мин — хороший подхват. Кривая мощности по сравнению с 14 валом сдвинута в зону высоких оборотов.

54 вал — мощностной, верховой. До 3500 об/мин. момент хуже, чем у стандарта. С 3500 до 7000 — хороший подхват. Более мощностной, чем 52 вал.

62 вал — мощностной, верховой. До 5000 об/мин. момент хуже, чем у стандарта. С 5000 до 7500 — хороший подхват. Более мощностной, чем по 54 вал.

Распредвалы. ВАЗ 2112

32/38 валы — моментные, низовые. Хорошая отдача в диапазоне 2000–3500 об/мин. С 3500 об/мин. до 5000 незначительные рост крутящего момента. После 5000 об/мин по мощности ни сколько ни хуже стандарта.

38/44 валы — cреднеоборотистые. До 4200 об/мин 32/38 валы показывают себя лучше по моменту, зато после мощность у 38/44 значительно выше. Во всех диапазонах нет провалов.

44/50 валы — мощностные, верховые. До 4500 об/мин. момент хуже, чем у стандарта. С 5500 до 6000 — хороший подхват. Кривая мощности по сравнению с 38/44 распредвалами сдвинута в зону высоких оборотов.

Испытания

Для того чтобы на «своей шкуре» испытать результаты мы поставили на мой автомобиль — ВАЗ 2115 разрезную шестерню и 54 мощностной, верховой распредвал.

Работы по разборке двигателя:
1. снятие крышки с двигателя и остужение его до температуры примерно 40°;
2. снятие постели распредвала;
3. снятие шестерни и самого распредвала.

Работы по установке деталей в двигатель:
1. установка подпятников на шейку клапана под стакан;
2. установка измененного распредвала;
3. установка постели распредвала;
4. установка разрезной шестерни;
5. регулировка зазоров;
6. установка крышки двигателя.

Установка подпятников необходима в том случае если распредвал не полнобазный т.е. базовый диаметр вала меньше диаметра стандартного распредвала.

Выполнение указанных выше работ заняло чуть более 4-х часов. Еще пару часов заняла регулировка фаз газораспределения разрезной шестерней. Путем смещения шестерни мы сместили максимальную мощность двигателя на низкий диапазон оборотов, т.к. хотелось получить большую тягу на низах.

В результате доработки получили следующее:
1. изменился звук двигателя, он стал более звонким — лязгающим, на мой слух более приятным, чем звук стандартного двигателя;
2. пропал провал в разгоне, который наблюдается у переднеприводных ВАЗов при разгоне на второй передаче, т.к. она более длинная;
3. автомобиль стал более резвым и «легким на подъем», но только в среднем диапазоне оборотов 2000–4000, как и прогнозировалось, после 4000 интенсивность разгона снижается и сравнивается со стандартной.

В результате мы получили то, что хотели, на низких оборотах 2000–4000 двигатель стал более мощным. Однако в нашем случае была намерено допущена ошибка в выборе вала. Ошибка заключается в следующем: для увеличения мощности на низах мы взяли верховой, мощностной вал, а затем с помощью разрезной шестерни сдвинули максимальную отдачу мощности с верхних оборотов в низы. Для нашего случая идеально подходит 03 вал, но сделав эту ошибку мы показали гибкость процесса настройки.