Топливо и степень сжатия

Топливо и степень сжатия

Не думаю, что стоит говорить о том, что современное топливо коренным образом отличается от топлива прошлых лет. Не так уж давно топливо премиум класса с октановым числом 100- 103 было доступно в свободной продаже, позволяя использовать степень сжатия до 11:1. Ситуация резко изменилась в последние годы вследствие появления систем контроля за выпуском отработавших газов и резкого повышения цен на нефтепродукты в начале 80-х годов. В наши дни, высококачественное неэтилированное топливо имеет октановое число не более 97- 98, а содержание свинца снижено от 0,8 г на 1 л до 0,1- 0,2 г на 1 л. В некоторых странах вопрос загрязнения окружающей среды стоит настолько остро, что в новых автомобилях может использоваться только неэтилированное топливо. Во многих странах в свободной продаже имеется только один тип неэтилированного топлива с октановым числом 91-92.

Так как в самой трактовке октанового числа существует много неточностей, предлагаю начать рассмотрение вопроса с определения, прежде чем перейти к способам оптимизации качества топлива. Большинство людей понимает, что можно улучшить КПД и уменьшить расход топлива путем увеличения октанового числа, так как в таком случае можно использовать больший коэффициент сжатия, и, возможно, использовать опережение зажигания, не сталкиваясь с проблемой детонации. Однако многие не осознают, что при простом переходе, например, с топлива с октановым числом 97 на топливо 100/103 Avgas (октановое число выше 110) КПД не обязательно возрастет. В действительности, мощность может даже снизиться, если предварительно двигатель не был модифицирован.

Чтобы объяснить все более доступно, необходимо обратиться к истории, чтобы понять, почему была введена подобная система, и как именно было рассчитано октановое число. Во времена Первой мировой войны авиационные двигатели могли саморазрушаться вследствие детонации. Двигатель мог работать в нормальном режиме при использовании одной порции топлива, но мог начать разрушаться при использовании другой порции. Казалось, что топливо ничем не отличается, его масса одинакова и произведено оно на одном и том же нефтеперегонном заводе.

Нефтеперерабатывающие компании попытались выполнить химический анализ в попытке достичь единства состава топлива, однако, не смотря на интенсивную программу, им не удалось избавиться от примесей, которые приводили к работе двигателя с детонацией. Поэтому были созданы специальные двигатели с изменяемой степенью сжатия с целью оценки и градации типов топлива. Подобные сверхмощные агрегаты с одним цилиндром прогревались до рабочей температуры, работали со стандартной частотой оборотов и нагрузкой, затем степень сжатия топлива повышалась до тех пор, пока двигатель не начинал работать с детонацией. Затем антидетонационные характеристики топлива получили название максимальной рабочей степени сжатия (HUCR).

Однако вскоре обнаружилось, что даже при использовании одного и того же тестового агрегата и типа топлива, максимальная рабочая степень сжатия могла варьироваться при тестировании в различных лабораториях. Поэтому было решено ввести некоторые постоянные, необходимые для калибровки тестового агрегата. Два чистых вещества были выбраны в качестве эталонного топлива. За эталонное топливо с высокой детонационной стойкостью был взят 2-2-4 триметилпентан, также называемый изооктан, а за эталонное топливо с низкой детонационной стойкостью был взят обычный гептан (n-гептан).

Было решено использовать тестируемое топливо в двигателе с изменяемой степенью сжатия для определения его максимальной рабочей степени сжатия. Затем была проведена серия опытов с использованием смеси изооктана и n-гептана в различных пропорциях, пока не была выведена смесь с максимальной рабочей степенью сжатия идентичной тестируемому топливу. В таком случае, качество тестируемого топлива определялось по отношению к содержанию изооктана в смеси эталонного топлива. Например, топливо, с максимальной рабочей степенью сжатия, идентичной смеси 90% изооктана/10% n-гептана, получило октановое число 90. При помощи этой стандартной процедуры стала возможной переработка топлива с постоянными качествами.

С того времени, появилось большое количество тестовых процедур, моделирующие различные рабочие условия двигателя. Автомобильный бензин чаще всего классифицируется по моторному и исследовательскому методу. В обоих методах измерения используется одноцилиндровый двигатель с изменяемой степенью сжатия, однако, как видно по данным таблицы 3.1, в моторном методе используются более высокие обороты двигателя и большая температура смеси на впуске, чем при исследовательском методе. Таким образом, моторный метод является более «строгим» и обычно уменьшает октановое число топлива от 6 до 12 единиц. Эта разница очень важна, так как дает нам понять, что октановое число по моторному методу является более адекватным для современных двигателей, особенно турбированных, рабочая температура на впуске которых очень высокая.

Таблица 3.1. Сравнение моторного и исследовательского методов тестирования.

Разница значений моторного и исследовательского методов получила название чувствительность топлива. Нам очень важно понять значение этой разницы. Так как температура воздуха на впуске влияет на различные типы топлива по-разному, возможно, октановое число топлива по исследовательскому методу (или по насосному методу) будет составлять 97, хотя при исследовании по моторному методу октановое число данного топлива будет составлять лишь 85. В таком случае, данное топливо не будет подходить для использования в современных турбированных двигателях, где температура на впуске очень высокая.

Таблица 3.2. Сравнение результатов тестирования по различным методам.

Примечание:
Октановые числа, приведенные в таблице, являются приблизительными значениями и могут варьироваться в пределах 2 единиц от одного топлива к другому.

При этом в другом случае, та же нефтеперерабатывающая компания могла использовать смесь других топливных компонентов, в зависимости от их доступности и типа сырья для переработки, получив при этом топливо с октановым числом по исследовательскому методу 97, однако при этом октановое число по моторному методу составляло 89 единиц. Именно поэтому часто можно услышать жалобы на «некачественное топливо». Действительно топливо с высоким октановым числом по исследовательскому методу вследствие чувствительности составляющих компонентов может вести себя как низкокачественное топливо при использовании в турбированных двигателях с высокими температурами на впуске. Раньше, когда высокое содержание свинца в топливе было обычным делом, проблема чувствительности возникала крайне редко, так как свинец «компенсировал» чувствительность топлива. В наше время, при использовании неэтилированного топлива или топлива с низким содержанием свинца, чувствительность топлива продолжает быть проблемой для многих современных двигателей, пока исследовательский метод используется для определения октанового числа топлива.

В США часто используется исследование по насосному методу (PON), значение которого является средним арифметическим данных моторного (MON) и исследовательского методов (RON): (RON+MON)/2=PON

Однако это не полностью решает проблему чувствительности топлива. Например, топливо с октановым числом 92 по насосному методу, может иметь октановое число 88 по моторному и 96 по исследовательскому методу. При этом топливо той же нефтеперегонной компании с тем же октановым числом по насосному методу 92, может иметь октановое число 86 по исследовательскому и 98 по моторному методу, вследствие несколько другого состава компонентов в следующей партии. Следовательно, даже при использовании подобных подсчетов октановое число может варьироваться до 2 единиц.

Температурный метод используется для определения октанового числа авиационного топлива (октановое число больше 100), так как остальные тесты являются бессмысленными при увеличении октанового числа до 100. Показания при использовании температурного метода получаются путем увеличения шкалы за 100. В данном тестировании за эталонное топливо берется изооктан с добавлением свинца. При этом выполняется два тестирования, F3 и F4, что объясняет двойной индекс авиационного топлива, например, 100/130. Первое число является результатом тестирования F3, где имитируется работа турбированного двигателя на топливе с химически верным составом, как при нормальных условиях полета. При тестировании F4 в двигатель подается обогащенная смесь и увеличивается мощность турбонаддува, как например, в условиях взлета или боя.

В наше время в свободной продаже имеется только два типа авиационного топлива Avgas, оба с октановым числом 100/130. Это старое авиационное топливо 100/130 зеленого цвета с высоким содержанием тетраэтилсвинца (примерно 1,3-1,7 г на л) и более новое авиационное топливо с содержанием тетраэтилсвинца (примерно 0,6- 0,8 г на л).

Антидетонационные свойства углеводородного топлива зависят от его молекулярной структуры. Парафины, такие как стандартный гептан и керосин, представляют длинные цепочки углерода и водорода, соединенные слабыми молекулярными связями, легко разрушаемыми под воздействием температуры. Изооктан принадлежит к изопарафинам. Они имеют разветвленную цепочку с более сильными молекулярными связями, поэтому они более устойчивы к детонации. Циклопарафины (или нафтены) также обладают хорошими антидетонационными свойствами, так как связь атомов водорода и углерода в кольцевой цепи очень сильная. Это объясняет их отличные антидетонационные характеристики.

Химический состав определяет скорость сгорания топлива и его устойчивость к детонации при высокой степени сжатия и температуре. Топливо со слабыми молекулярными связями будет распадаться и возгораться самопроизвольно (без участия свечей зажигания) при более низкой температуре и давлении, чем топливо с сильными молекулярными связями. Некоторые топливные присадки, например соединения ароматического ряда, обладают отличной устойчивостью к детонации, так как горят медленно и не окисляются или сгорают полностью, пока давление и температура в камере сгорания будет высокой. Подобные присадки ускоряют или замедляют процесс сгорания. Следовательно, высокооктановое топливо не увеличит мощность двигателя, если только двигатель действительно не будет нуждаться в химически более стабильном топливе при высокой температуре и давлении. По правде говоря, если степень сжатия и опережение зажигания не достаточно велики, чтобы создавать высокую температуру и давление в камере сгорания, в таком случае, высокооктановое топливо не будет полностью перегорать на начальной фазе рабочего хода, что приведет к потере мощности.

В таблице 3.3 показаны результаты тестирования топлива, выполненные на двигателе автомобиля Buick объемом 4,1 л. Двигатель данного автомобиля был разработан для использования неэтилированного топлива с октановым числом 92, а степень сжатия была установлена на уровне 8.8:1. Использовался распредвал с профилем III кулачка с фазой открытия впускного и выпускного клапанов 210° и высотой подъема клапана 10,8 мм. При каждом тестировании было установлено опережение зажигания для достижения максимальной мощности при частоте оборотов двигателя 5000 об/мин. в общем было использовано 6 различных типов топлива: две различных марки (производитель А и В) неэтилированного топлива с октановым числом 92 для летнего периода (американский стандарт), неэтилированное топливо с октановым числом 92 для зимнего периода (американский стандарт), неэтилированное топливо с октановым числом 97, этилированное топливо с октановым числом 97 (содержание свинца 0,5 г на 1 л) и авиационное топливо зеленого цвета Avgas.

Таблица 3.3. Сравнительное тестирование различных типов топлива на автомобиле Buick с двигателем объемом 4,1 л.

Тестирование 1 – тепло подается во впускной коллектор.

Тестирование 2 – подача тепла во впускной коллектор заблокирована.

В первой серии тестов впускной коллектор подогревался, чтобы проверить чувствительность топлива, а во второй серии тестов подача тепла во впускной коллектор была заблокирована. Учтите, что данная модификация может быть неэффективной при эксплуатации автомобиля в холодных климатических условиях, так как это может стать причиной увеличения расхода топлива и ухудшения технических характеристик пуска холодного двигателя. Можно заметить, что высокооктановое неэтилированное топливо оказалось чувствительным к термическому воздействию, так же как и неэтилированное топливо с низким октановым числом того же производителя. Оба типа топлива работали хорошо только при пониженной температуре при впуске. Как и предполагалось, авиационное топливо 100/130 Avgas позволяло вырабатывать большую мощность, но требовало большего опережения зажигания. Как только опережение зажигания было отключено, мощность снизилась.

Топливо с октановым числом 92 для зимнего сезона было использовано для демонстрации влияния летучести топлива на технические характеристики работы двигателя. В летний сезон (или высоко над уровнем моря) мы не хотим, чтобы топливо быстро испарялось, что могло бы привести к образованию паровой пробки. Однако зимой топливо должно легко испаряться и оставаться в таком состоянии, чтобы обеспечить более легкий пуск и нормальные технические характеристики вождения, пока двигатель не достиг рабочей температуры. Для достижения данной цели некоторые нефтеперерабатывающие компании используют различные топливные смеси для зимнего и летнего сезона. С риском чрезмерного упрощения, производители добавляют более летучие молекулы «переднего ряда» (также называемые «легкими фракциями»), которые испаряются и воспламеняются легче. Это ставит перед производителями другие проблемы: сокращение срока годности и понижение октанового числа топлива. Чем более легкие фракции используются, тем короче срок годности, и тем быстрее уменьшается октановое число топлива (на 2-4 единицы). Эта проблема также касается и высокооктанового неэтилированного топлива, поэтому, если вы живете далеко от больших городов, в местах, где топливо поставляется не регулярно, вы можете постоянно использовать «старое» топливо или топливо, не предназначенное для данного сезона, поэтому придется снизить степень сжатия, чтобы компенсировать снижение октанового числа.

Степень сжатия всегда вызывала большой интерес у любителей тюнинга, и стоит заметить, что в наши дни этот интерес увеличился вместе с потребностью снижения расхода топлива и увеличения мощности при использовании неэтилированного топлива с низким октановым числом. Я согласен, что степень сжатия должна быть как можно выше (в пределах разумного, конечно же), но стоит учесть, что производитель автомобиля уже рассчитал оптимальную степень сжатия. В таком случае, остается лишь убедиться, что производственные допуски не снизили это значение.

Действительное значение степени сжатия, которая может использоваться в любом двигателе, зависит от формы и размера камеры сгорания, фаз газораспределения, периода перекрытия клапанов и октанового числа используемого топлива. Если ваш автомобиль оснащен турбированным двигателем, необходимо также учитывать давление и температуру наддува. В общем, конусообразные и полусферические камеры быстрого сгорания и распредвал с продолжительным перекрытием клапанов допускают использование большей степени сжатия, чем камеры сгорания прямоугольной и клиновидной формы и распредвалы с кратковременным перекрытием клапанов. Например, автомобиль Toyota Corolla, оснащенный двигателем объемом 1,6 л с 4 клапанами, диаметром цилиндра 81 мм и камерой сгорания конусной формы будет нормально работать со стандартным распредвалом при степени сжатия 9,4:1, только на неэтилированном топливе с октановым числом 92. При установке распредвала с кулачками закругленной формы степень сжатия можно увеличить до 10:1. Обратимся к другому примеру. В автомобиле Holden, оснащенном двигателем 5 л с открытой клиновидной камерой сгорания и объемом цилиндра 101,6 мм, допустимая степень сжатия не должна превышать 8,8:1, даже при использовании распредвала с кулачками закругленной формы. Использование топлива с большим октановым числом (например, 97) позволяет увеличить степень сжатия до 9,3:1.

Исследования показали, что увеличение степени сжатия с 8,5:1 до 10,5:1 приведет к снижению расхода топлива примерно на 10-12%, при этом улучшится крутящий момент и увеличится ускорение. К сожалению, подобная оптимизация просто невозможна с современными типами топлива. Некоторые автолюбители считают, что степень сжатия можно увеличить, а затем использовать задержку зажигания, чтобы остановить детонацию. В таком случае, двигатель утратит быстроту реакции. В таблице 3.4 приведены результаты подобных модификаций на двигателе объемом 5 л автомобиля Holden. Для всех проверок использовался распредвал с профилем IV кулачка с фазой открытия клапанов 212º и подъемом клапана 11 мм.

Во время первого тестирования использовалась стандартная степень сжатия. Согласно заявке производителя она должна была составлять 8,5:1, однако в действительности степень сжатия составила 8,2:1. Мощность и крутящий момент двигателя были хорошими при опережении зажигания 30°. При выполнении тестирования № 2 степень сжатия была увеличена до 10,8:1, однако двигатель не мог работать на полную мощность без детонации, поэтому опережение зажигания не использовалось, пока детонацию не удалось устранить на 19° опережения. После должной настройки распределителя зажигания, были получены следующие результаты. Тестирование показало падение мощности при любой частоте оборотов двигателя. К тому же во время тестирования на динамометрическом стенде звуки свидетельствовали о наличии неисправностей, дребезжащие звуки, которые были слышны ранее, отсутствовали. Возможно, дребезжание во время настройки опережения зажигания свидетельствовало о повреждении поршней и колец, что могло привести к снижению мощности и плохим результатам тестирования. Перед разборкой двигателя для выяснения причин, была приготовлена смесь в пропорции 50/50 неэтилированного топлива с октановым числом 97 и авиационного топлива Avgas 100/130 (октановое число по исследовательскому методу примерно 106), чтобы проверить, будет ли работать двигатель на высококачественном топливе. Тестирование № 3 показывает результаты настройки распределителя зажигания на 35° опережения. Двигатель действительно отреагировал на изменения и доказал влияние качественного топлива и увеличения степени сжатия на увеличение мощности двигателя. Во время тестирования № 4 степень сжатия была снижена до 9,3:1 распределитель зажигания был настроен на 27° опережения. При этом максимальная мощность увеличилась на 8 л.с. при частоте вращения двигателя 5000 об/мин по сравнению с результатами тестирования № 1. В свою очередь это привело к уменьшению расхода топлива при движении по шоссе примерно на 5-6%. Данные проверки четко показывают, что увеличение степени сжатия в разумных пределах и использование подходящего для этой степени типа топлива помогает улучшить технические характеристики. Однако переоценка возможностей двигателя не решит проблему. В результате мощность двигателя уменьшится, а расход топлива резко возрастет.

Таблица 3.4. Сравнение степени сжатия на двигателе объемом 5 л автомобиля Holden.

Тестирование № 1 – степень сжатия 8,2:1, опережение зажигания 30°, топливо с октановым числом 97.

Тестирование № 2 – степень сжатия 10,8:1, опережение зажигания 19°, топливо с октановым числом 97.

Тестирование № 3 – степень сжатия 10,8:1, опережение зажигания 35°, топливо с октановым числом примерно 106.

Тестирование № 4 – степень сжатия 9,3:1, опережение зажигания 27°, топливо с октановым числом 97.

Хотя во время тестирования и использовалась смесь топлива, я не рекомендую смешивать различные типы топлива при использовании автомобиля в стандартных дорожных условиях по множеству причин, а именно: неудобство, отсутствие гарантий доступности всех компонентов смеси, возможное повреждение каталитического нейтрализатора и кислородного датчика, угроза здоровью при смешивании компонентов, опасность возгорания.

В районах, где доступно только этилированное топливо (с октановым числом 91-93 по исследовательскому методу), автолюбители пытаются добавлять высокооктановое неэтилированное топливо (октановое число 96-98 по исследовательскому методу), пытаясь улучшить качество топлива. Однако, даже в двигателях, разработанных только для неэтилированного топлива, используется добавление свинца: как минимум 0,05 – 0,1 г на 1 л при стандартных условиях эксплуатации, или 0,1-0,2 г свинца на 1 л топлива для улучшения показателей эксплуатации и предотвращения повреждения седла клапана. Таким образом, если в этилированное топливо с октановым числом 92, содержащее 0,2 г свинца на 1 л, добавить неэтилированное топливо с октановым числом 98 в пропорции 1:2, в результате полученная топливная смесь будет содержать почти 0,07 г свинца на 1 л топлива и будет иметь октановое число 96. Подобное топливо подойдет для стандартных условий эксплуатации при средней частоте оборотов двигателя и редких случаев работы двигателя с повышенной нагрузкой. Если смешать данные типы топлива в пропорции 3:2, данная топливная смесь подойдет для получения высоких показателей эксплуатации, при этом содержание свинца будет примерно составлять 0,12 г на 1 л, а октановое число увеличится до 94,4.

Если двигатель вашего автомобиля предназначен только для работы на этилированном топливе, не используйте чистое неэтилированное топливо, в противном случае, клапаны и седла могут быть повреждены. Если во время одной из заправок вы зальете неэтилированное топливо, это не станет причиной серьезных повреждений, при условии, что в следующий раз будет использоваться этилированное топливо. Использование этилированного топлива в автомобилях, предназначенных только для неэтилированного топлива, может со временем повредить каталитический нейтрализатор и кислородных датчик.

Для тех, кто предпочитает участвовать в любительских гонках, рекомендуется использовать топливную смесь иного состава, при условии, что компоненты двигателя способны обеспечить соответствующий турбонаддув и большее опережение зажигания, чтобы извлечь пользу из использования высокооктанового топлива. В настоящее время в свободной продаже имеется большое количество топливных присадок, увеличивающих октановое число топлива. Благодаря данным присадкам, топливо с заправочных станций, этилированное и неэтилированное, можно использовать для участия в любительских гонках. При подборе правильной пропорции, данные присадки могут увеличить октановое число топлива до 4 единиц; при увеличении концентрации вдвое, октановое число может возрасти до 6 единиц. Некоторые компании производители заявляют, что их топливные присадки могут увеличить октановое число топливо до 108-110, делая топливо эквивалентным авиационному топливу Avgas 100/130, но я убедился, что это не так. В действительности, большинство топливных присадок увеличивают октановое число лишь на 0,5- 1 единиц при добавлении в низкооктановое неэтилированное топливо. Топливные присадки 104+ и 104+ Super действительно увеличивают октановое число. При стандартной концентрации присадка 104+ увеличит октановое число на 3-4 единицы, а присадка 104+ Super – на 4-6 единиц. При добавлении данных присадок в высокооктановое неэтилированное топливо, октановое число может снизиться на 0,5- 1 и 1,5- 3 единиц соответственно. Я выяснил, что увеличение октанового числа на 4-5 единиц позволит увеличить опережение зажигания на 4°.

При использовании концентрированных присадок необходимо правильно приготовить смесь. Нужно не просто вылить содержимое емкости в топливную канистру, надеясь, что компоненты смешаются должным образом. Рекомендуется смешать топливную присадку с 8-10 л топлива, тщательно взболтать емкость, затем добавить смесь в топливных бак.

Авиационное топливо Avgas 100/130 тоже является отличной присадкой, увеличивающей октановое число топлива, например, для участия в любительских гонках. Однако учтите, что если Ваш автомобиль оснащен каталитическим нейтрализатором, он может быть поврежден. Смесь в пропорции 50/50 увеличит октановое число до уровня, необходимого для участия в любительских гонках: примерно 106 при добавлении в неэтилированное топливо с октановым числом 98 и 104 при добавлении в этилированное топливо с октановым числом 97.

Многие годы автолюбители использовали толуол, бензол и ацетон для увеличения октанового числа топлива. Этот прием срабатывал раньше, когда октановое число топлива увеличивалось путем добавления большого количества свинца. Однако в настоящее время неэтилированное топливо и низкооктановое этилированное топливо могут содержать достаточное количество толуола, или бензола для увеличения октанового числа. Таким образом, дальнейшее добавление данных веществ не гарантирует увеличение октанового числа. Порой, использование толуола и бензола в пропорции 1:4 может увеличить давление турбонаддува с 69 кПа до 97 кПа, но при этом иногда, это может привести к повреждению поршней, так как октановое число не увеличится. Это зависит от того, что именно использовалось нефтеперегонным заводом для увеличения октанового числа топлива. Например, если более доступными были бензол и толуол, производитель мог использовать их. Однако если бензол и толуол не были доступны, производитель будет использовать более тщательную перегонку для получения необходимого значения октанового числа.

В последние годы некоторые используют впрыск воды для подавления детонации. Производители автомобилей не рекомендуют выполнять подобные действия, и я полностью с ними согласен. Вода не способствует процессу сгорания, скорее она забирает тепло и, следовательно, энергию при горении и превращает ее в пар. Это замедляет процесс горения, поэтому, если только впрыск воды не происходит во время большой нагрузки на двигатель, мощность упадет, а расход топлива увеличится. Многие системы впрыска, которые я видел, поставляют большое количество воды, она не испарятся полностью и подается при неподходящем уровне нагрузки на двигатель. Некоторые автолюбители используют смесь воды и спирта в пропорции 50/50, так как спирт, по крайней мере, способствует процессу горения. Однако в этом способе также есть свои недостатки. Спирт, смешанный с водой, может стать причиной коррозии в цилиндрах и на поршневых кольцах, что значительно сократит срок службы двигателя.

Я не буду отрицать, что сейчас появились различные сложные системы, оснащенные специальными устройствами, превращающими воду в пар, электронными системами управления, чтобы обеспечить подачу необходимого количества воды (обычно впрыск производится под давлением 551 кПа). Однако стоит заметить, что данные системы стоят очень дорого. Поэтому возникает вопрос о целесообразности данных затрат, если можно установить впрыск толуола, потратив меньше денег и получив лучший результат. Во многих гоночных автомобилях использование впрыска воды является вынужденным, так как правила гонок строго регламентируют тип топлива. Во всяком случае, данные ограничения не относятся к легковым автомобилям, использующимся в стандартных дорожных условиях, поэтому стоит подумать обдумать установку впрыска толуола на двигатели высокой компрессии.

В простейших системах впрыска толуола пятый инжектор распыляет чистый толуол в поток воздуха, если двигатель подвергается сильным нагрузкам. Пятый инжектор может быть активирован мембранным выключателем, расположенным во впускном коллекторе, или выключателем, подключенным к дроссельной заслонке. Вся система впрыска толуола состоит из маленького топливного бака 5-10 л для толуола, топливного насоса с впрыском под высоким давлением, топливного инжектора, топливопровода и трубопровода возврата топлива. Чтобы поддерживать соответствующее давление топлива, может использоваться специальный регулятор давления системы впрыска или «таблетка», также может быть установлен ограничитель на топливопровод возврата топлива.

Если необходимо установить четкое управление пятым инжектором, используется более сложная система, в которой инжектор толуола будет регулироваться системой распределенного впрыска. При использовании подобной системы количество впрыскиваемого толуола будет варьироваться в зависимости от турбонаддува, частоты оборотов двигателя нагрузки на двигатель и температуры воздуха на впуске.

Так как толуол испаряется очень быстро, необходимо обдумать месторасположение пятого инжектора. В турбированных двигателях пятый инжектор может быть установлен около выпускного отверстия промежуточного охладителя воздуха. В противном случае, пятый инжектор лучше всего устанавливать перед дроссельной заслонкой.

Так как большинство современных двигателей оснащено датчиком детонации, непосредственно связанным с процессором зажигания, что позволяет использовать задержку зажигания при необходимости, некоторые любители тюнинга огульно увеличивают турбонаддув и степень сжатия. Они считают, что раз уж подобная система установлена, это поможет избежать работы двигателя с детонацией в любом случае. Это уж точно не выход из ситуации. Вы, конечно, можете поразить нескольких людей, рассказав с какой степенью сжатия может работать двигатель вашего автомобиля, но думаю, большей выгоды из данной модификации вы не извлечете. Как было показано ранее в таблице 3.4, слишком высокая степень сжатия снижает мощность, не зависимо от того, как хорошо работает система задержки зажигания. Некоторые производители также допускают слишком высокую степень сжатия, полагаясь на датчик детонации. Обычно это делается с целью снижения расхода топлива, что является очень удобным рекламным трюком.

Насколько степень сжатия и наддув сочетаются с типом топлива? Как указывалось ранее, существует большое количество факторов, влияющих на точность ответа, однако данные, приведенные в таблице 3.5, могут подсказать наиболее подходящую степень сжатия для безнаддувных двигателей с эффективной камерой сгорания, распределительными валами с профилем кулачков III и IV, установленным на 3°-5° опережения и зазором периферийной области камеры сгорания не более 1,14 мм. В турбированном двигателе хотелось бы получить степень сжатия 8,5:1, чтобы достичь необходимого уменьшения расхода топлива и приемлемых технических характеристик при отключенном наддуве. При использовании степени сжатия 8,5:1 в турбированном двигателе наддув должен быть ограничен до значений, указанных в таблице 3.6. Имейте в виду, что промежуточный охладитель наддува является эффективным блоком, понижающим температуру на впуске примерно на 50°-60°. Однако некоторые промежуточные охладители будут не настолько эффективными, понижая температуру всего на 25°-30°.

Некоторые любители тюнинга советуют не концентрировать внимание на размерах промежуточного охладителя, при этом, рекомендуя увеличить объем наддува и установить водный распылитель на промежуточный охладитель. Нужно отметить, что это очень опасно по нескольким причинам. Если заводские установки предусматривали давление наддува не более 48 кПа, центральная часть промежуточного охладителя может взорваться без соответствующего усиления крепления при увеличении давления, например, до 90 кПа.

Таблица 3.5. Степень сжатия для безнаддувных двигателей.

Таблица 3.6. Давление турбо наддува/степень сжатия.

Чтобы быть действительно эффективным, водный распылитель должен доставлять большое количество воды на промежуточный охладитель, однако, если данная система не настроена должным образом или если промежуточный охладитель слишком холодный вода не будет испаряться, а будет стекать под днище кузова (под шины), что приведет к значительному уменьшению коэффициента сцепления шин с поверхностью. Гоночные автомобили оснащены стационарным 30 литровым баком с водой, которого хватает примерно на 50 км гонки. Однако большая часть подобных механизмов, установленных на обычные легковые автомобили, представляла собой крошечные 3 или 4 литровые пластиковые резервуары. В таком случае, когда резервуар опустеет, агрегаты могут быть повреждены.

Действительная степень сжатия представляет собой отношение общего объема цилиндра, прокладки головки блока цилиндров и камеры сгорания к нижней мертвой точке поршня и объему пространства между днищем поршня, прокладкой головки блока цилиндров и камерой сгорания в верхней мертвой точкой. Это можно выразить в следующей формуле:

где CV – объем цилиндра, CCV – объем камеры сгорания.

Естественно CV – это объем двигателя в см³ разделенный на количество цилиндров. Однако со значением CCV не все так просто. Данное значение получено из объема камеры сгорания, объема пространства, которое остается, когда поршень находится в верхней мертвой точке, объема, образованного толщиной прокладки головки блока цилиндров, а также объема камеры сгорания в днище, если используются поршни с камерой сгорания в днище, или минус этот объем, если днище поршня выпуклое.

Если мы знаем необходимую степень сжатия и затем хотим рассчитать объем CCV, можно использовать следующую формулу.

Предположим, что объем двигателя составляет 500 см³, а необходимая степень сжатия равна 9,2:1, в таком случае:

³

Объем камеры сгорания измеряется при помощи бюретки. В легковых автомобилях объемы могут слегка варьироваться.

Чтобы определить точное значение CCV для нашего двигателя, необходимо сначала физически измерить объем камеры сгорания при помощи бюретки, заполненной керосином. Между прочим, объем камер сгорания легковых автомобилей должен быть практически одинаковым, с вариациями степени сжатия не более 0,1 от цилиндра к цилиндру. Это значит, что если поршни находятся на одном и том же уровне в блоке цилиндров относительно, скажем, верхней мертвой точки, тогда в двигателе объемом 300 см³ разница в объемах цилиндров может составлять не более 0,5 см³ между наибольшей и наименьшей камерой сгорания. Для двигателя объемом 500 см³ разница в объемах не должна превышать 0,8 см³, и в двигателях объемом 800 см³ - 1 см³.

Если установлены поршни с выпуклым днищем или с камерой сгорания в днище, а также, если в клапанах есть углубления, необходимо измерить рабочий объем, чтобы обеспечить правильное определение степени сжатия.

Если двигатель вашего автомобиля оснащен поршнями с выпуклым днищем или с камерой сгорания в днище, или с углублениями в клапанах, тогда необходимо измерить увеличение или уменьшение рабочего объема, к которому они приводят.

Например, если диаметр цилиндра составляет 90 мм, а днище поршня находится на расстоянии от крышки блока, при помощи формулы получим следующее:

где π = 3,1415926; D – диаметр цилиндра (мм), H – расстояние между днищем поршня и крышкой блока (мм).

Данный объем будет составлять:

Если при измерении объема при помощи бюретки вы получили результат 27,2 см³, выпуклость на поршне уменьшит значение CCV на 11 см³ (38,2 – 27,2=11).

Если в данном примере поршень имел камеру сгорания на днище, а объем, измеренный при помощи бюретки, был равен 52,7 см³, в таком случае значение CCV увеличится на 14,5 (52,7 – 38,2 = 14,5).

Формула, указанная выше, также используется для определения объема образованного прокладкой головки блока цилиндров, путем измерения толщины использованной, и, следовательно, сжатой прокладки. Если верхняя часть поршня плоская, и он расположен под крышкой блока в верхней мертвой точке, используется та же формула для определения объема.

Чтобы уровнять давление сжатия и горения, днище каждого поршня должно подниматься примерно на одну и ту же высоту в каждом из цилиндров. Это называется зазором днища головки блока цилиндров. Я считаю, что зазор периферийной области не должен превышать 1,14 мм, в таком случае, это будет способствовать процессу сгорания и продувке цилиндров. Следовательно, если сжатая толщина прокладки головки блока цилиндров составляет 0,8 мм, тогда зазор днища головки цилиндров будет составлять примерно 0,1 – 0,4 мм.

Маленький зазор периферийной области от 0,8 до 1 мм будет ускорять процесс сгорания. Зазор периферийной области представляет собой сумму сжатой толщины прокладки головки блока цилиндров и зазора днища поршня.

Обычно, чтобы получить данный результат, головку блока цилиндров необходимо обработать. Имейте в виду, что для двигателя, использующегося в стандартных дорожных условиях не обязательно, чтобы все поршни поднимались на одинаковую высоту в каждом из цилиндров, отклонение может составлять до 0,1 мм.

Большинство автолюбителей находят простой выход из ситуации, фрезеруя головку блока цилиндров, чтобы изменить степень сжатия. Однако я считаю, что подобные действия необходимо выполнять только при необходимости, если зазор днища головки блока цилиндров был изменен. Как говорилось ранее, целесообразнее увеличить периферийную область, подняв поршень над поверхностью головки блока цилиндров на 0,8 – 1 мм. Это поможет поршню сжимать топливовоздушную смесь по краям цилиндра, направляя ее к свече зажигания. Летучие газы под воздействием свечи зажигания способствуют быстрому горению, предотвращая, таким образом, детонацию.

Со временем, преимущества периферийной области стали более очевидными. Топливовоздушная смесь, продуваемая в камере сгорания из зон завихрения, становится более однородной. К данной смеси примешиваются также отработавшие газы, оставшиеся с прошлого цикла. Это помогает ускорить процесс сгорания, препятствуя образованию газовых карманов. Данные карманы замедляют и в некоторых случаях препятствуют распространению процесса горения.

Турбулентность, вызванная эффектом завихрения, также ускоряет передачу тепла. Без соответствующего распространения тепла снопы пламени будут стремиться к краям камеры сгорания, подогревая окружающие газы, что приведет к детонации.

Если вы можете увеличить степень сжатия, фрезеруя блок и головку блока цилиндров, в таком случае, не устанавливайте поршни с выпуклым днищем. Они не уместны в двигателях, использующихся в стандартных дорожных условиях. Я также не рекомендую устанавливать их в двигателях гоночных автомобилей.

Периферийная область поршня должна быть такой же широкой, как и периферийная область головки блока цилиндров, чтобы обеспечить нормальное горение. Дополнительное опережение зажигания обычно компенсирует мощность, потерянную вследствие слишком узкой периферийной области поршня, однако при этом увеличивается расход топлива и количество отработавших газов.

Давление, вызванное выступом на днище поршня, закрывает свечу зажигания и замедляет распространение пламени после зажигания, затем очень часто препятствует полной продувке цилиндра во время такта выпуска. После зажигания, необходимо чтобы пламя распространилось вокруг всего поршня и затем вернулось в зону завихрения. Любой выступ на поршне будет мешать распространению пламени вокруг поршня, оставляя «карманы» топливовоздушной смеси, воспламененные лишь частично и полностью не сгорающие. В некоторых полусферических камерах сгорания необходимо использовать низкий 2-3 мм в высоту купол, плоский или круглый, чтобы увеличить степень сжатия. Низкие купола не будут причинять много неприятностей, если не будут блокировать свечи зажигания, и не будут иметь острых краев.

Если установлен поршень с камерой сгорания в днище или вогнутые поршни устанавливаются с целью понижения степени сжатия, контур выемки должен быть точным зеркальным отображением контура камеры сгорания. Это значит, что периферийная область поршня должна быть идентичной периферийной области головки блока цилиндров. К сожалению, изготовленные в точном зеркальном отражении камеры сгорания будут стоить намного дороже, так как для их производства необходимо использовать сложные механизмы. Следовательно, производители автомобилей склонны использовать более дешевые поршни с выемкой в центре и узкой периферийной областью, или с выемкой, смещенной в одну сторону, что приводит к увеличению периферийной области с одной из сторон днища поршня. Если периферийная область поршня такая же широкая, как и периферийная область головки блока цилиндров, создается необходимый эффект завихрения. Однако, периферийная область на некоторых поршнях гораздо уже, чем периферийная область головки блока цилиндр, поэтому некоторые любители тюнинга, понижая степень сжатия турбированных двигателей, делают периферийную область поршня слишком узкой.