Какой поршень выбрать при тюнинге (форсировке) двигателя?
Решив форсировать двигатель, механики обычно начинают с облегчения его деталей и естественно поршней (правильно облегчить поршни можно только их заменой на кованые, и о таких поршнях подробно читаем вот здесь). Этим мастера нередко только вредят двигателю, так как лёгкость деталей нужна только до определённого предела. И почему — разберёмся в этой статье.
Существует несколько способов прибавки мощности двигателю, и один из них — поднять крутящий момент. Тут важны два основных параметра — ход и диаметр поршня. И чем дальше вынесены от продольной оси коленчатого вала шатунные шейки (длиннее колено коленвала), тем больше сила с которой шатун толкает коленвал. А это значит, что двигатель разовьёт большую тягу. В таком случае вес поршня не имеет особого значения, и такие двигатели тихоходны, максимальные обороты у них всего 6 — 8 тысяч в минуту, и инерционные нагрузки на коленчатый вал и шатуны невысоки.
Массивные поршни требуют другого: когда такой поршень меняет направление движения при прохождении мёртвых точек, то возникает перекладка сил, которая прижимает боковую поверхность поршня к стенке зеркала цилиндра. И вот для этого прижима и нужна поршню юбка. К тому же шатун постоянно давит на поршневой палец и поршень под углом к оси цилиндра, и этот угол каждый раз меняет ориентацию на противоположную, когда поршень минует мёртвую точку. То есть при движении вверх поршень прижимается к одной стороне зеркала цилиндра, а при ходе вниз к другой стенке. И перекладка поршня должна происходить мягко, иначе он долго не протянет и треснет.
Рассмотрим, что есть длинно- и короткоходный коленвал. Принято следующее деление: длинноходная конструкция — когда диаметр цилиндра меньше хода поршня; короткоходная — наоборот диаметр поршня больше его хода; и среднее решение — так называемая квадратная конструкция, когда диаметр поршня равен его ходу. Большинство современных дорожных моторов делают квадратными, они компромисно сочетают в себе достоинства тягавитого и быстроходного двигателей. Короткоходную конструкцию применяют на спортивных оборотистых двигателях, с узким диапазоном мощностных оборотов.
У двигателей с длинными плечами (коленом) коленчатого вала сила прижатия поршня к зеркалу цилиндра выше чем у короткоходных моторов, так как эта сила растёт по мере увеличения угла наклона шатуна. Поэтому на таких двигателях юбка поршня должна быть «макси» — то есть достаточно длинная как на старых двигателях. Она равномерно распределяет нагрузку на большой площади, и поршень проходит мёртвые точки без разрывов масляной плёнки и ударных нагрузок.
Долголетний опыт создания таких двигателей породил определённое отношение длины юбки поршня к его диаметру, и обозначается — hю/D. Это отношение для различных моторов подбирается разное. Так для тяжело нагруженных двигателей — около 0,2 л.с. на килограмм веса транспортного средства оно составляет не менее 0,7. На более мощных машинах — от 0,5 л.с. на кг эта величина уже другая — примерно 0,6. Объясняется это просто: чем меньше лошадиных сил приходится на единицу массы автомобиля или мотоцикла, тем больше нагрузка на поршень и особенно на его юбку. Особенно когда поршень проходит самую напряжённую ВМТ — в такте рабочего хода.
Теперь представьте — со стороны камеры сгорания на днище поршня давят газы продуктов горения топлива, а с другой стороны перемещению поршня сопротивляется шатун, сильно нагруженный весом машины. К тому же в большинстве движений шатун упирается в поршень под углом и значительно затрудняет передачу усилия. И если двигатель слаб, а мотоцикл или машина тяжелы, то естественно короткая юбка от такого двойного удара не выдержит и деформируется. И при работе будет вгрызаться в зеркало цилиндра вытесняя масляную плёнку и обрастая задирами.
Форсирование моторов по увеличению крутящего момента было популярно в 50- 70-е годы двадцатого века. Но затем произошёл кризис этого способа, так как в габариты компактных двигателей спортивных машин и мотоциклов не впишешь ни коленвал с большим ходом поршня, ни цилиндры паровозного хода и диаметра.
Не помогли и кованные поршни. Естественно они легче и прочнее обычных литых, что при равных условиях позволяет увеличить диаметр поршня процентов на 10 -15, не опасаясь перекладки, способной разрушить поршень. Но высокая цена кованных поршней не очень то и компенсируется приростом мощности двигателя всего на 5 — 8 процентов. Это можно увидеть в графике справа.
Затем наступила эра оборотистых моторов — механики принялись за второй способ поднятия мощности за счёт увеличения оборотов коленвала. Естественно обороты можно поднять уменьшив плечо (колено) хода шатуна и поршня. И длина пути, то есть сумма расстояний при перемещении поршня за четыре такта при этом сокращается. И вполне естественно, что за один и тот же отрезок времени поршень такого двигателя совершит больше рабочих ходов, чем двигатель такого же объёма, но с длинноходным валом. Значит и работу совершит большую и мощность двигателя возрастёт. А также ещё и габариты мотора уменьшатся, ведь у короткоходных моторов меньше и габариты и масса.
Но вот поршни для таких моторов задали конструкторам задачу. Инерционные нагрузки, создаваемые поршнями на шатунах и шейках коленвала, в зависимости от оборотов и скорости перемещения поршней растут в геометрической прогрессии. И простейший способ снизить инерцию поршня — это снизить его вес, уменьшив диаметр. Но для сохранения общего литража двигателя придётся делать большее количество цилиндров (вспомните первые спортивные мотоциклы Беннели, Агусту или шестицилиндровую Хонду СВХ).
А это увеличивает стоимость производства двигателя в несколько раз. И инженеры пошли на рискованный шаг: юбку поршня стали изготавливать «миди» — hю/D = 0,6-0,55, ну а затем и «мини» — и hю/D уменьшили до 0,5 — 0,45. Такие поршни (см. фото слева) стали называть Т-образными, так как если направить взгляд перпендикулярно оси поршневого пальца, то поршень имеет форму буквы Т.
И самое интересное, что поршни, даже не кованные, а литые выдержали нахальное укорачивание юбки, так как инженеры воспользовались полезным свойством гидродинамического эффекта смазки.
Но юбка поршня должна не только сглаживать момент перекладки. Ещё боковому профилю юбки придаётся особая форма, поддерживающая устойчивый слой смазки, так называемый масляный клин между поршнем и стенкой зеркала цилиндра (см. фото). Здесь наиболее выгодна бочкообразная юбка, так как обычная конусная юбка не скользит по плёнке смазки, а разрывает её.
Отечественная техника до сих пор оснащается поршнями с конусной юбкой и при одинаковых размерах поршней, конус, не имеющий загнутого носка (кромки) хуже удерживает на поверхности масляный клин. Выгода в изготовлении конусных поршней есть только для производителя, так как изготовление такого поршня обходится в несколько раз дешевле бочкообразных.
А работать без задиров конусным поршням помогают во первых не большие обороты отечественных двигателей, а во вторых — очень макси (длинная) юбка — hю/D 0,70 — 0,75. Ведь давление боковой поверхности поршня на масляную плёнку убывает по мере увеличения площади контакта поверхностей юбки и зеркала цилиндра. Что и ограничивает применение таких поршней, так как они тяжёлые и им место в тихоходных древних двигателях, с оборотами коленвала всего до 5 тысяч.
Но опять же и бочкообразная юбка не панацея от трения. Такую юбку можно без проблем укоротить относительно конуса процентов на 10 — 15 и не нарушить условий смазки. Но при таком укорачивании поршень станет не на много легче. Но почему же в современных оборотистых моторах вполне надёжно работают Т-образные поршни, почти не имеющие юбки — hю/D около 0,4 ? Да потому, что масляный клин отталкивает юбку поршня от зеркала цилиндра с силой, которая возрастает пропорционально квадрату скорости перемещения поршня.
Это легко понять на примере водных лыж. Если прицепиться тросом к тихоходной барже, то скользить по воде на маленькой скорости будет невозможно, даже на лыжах большой длины и ширины. А вот если прицепиться к мощному и скоростному катеру, то скользить по воде можно будет даже на пятках. И благодаря этому эффекту, у высокооборотных моторов, в которых поршень движется с огромной скоростью, появляется возможность кардинально сократить размер юбки, и в результате сократить вес поршня на четверть. И вот здесь проявляется преимущество кованных поршней — их малый вес, при одинаковых условиях тюнинга, позволяет дополнительно облегчить шатуны и коленвал и динамика двигателя возрастает, без ущерба для его ресурса.
На графике справа можно увидеть как грамотно подобрать длину юбки при тюнинге (форсировке) двигателя. Но не торопитесь высматривать в магазинах подходящий «кит»(тюнинговый вал и поршни или что то одно) и браться за форсирование двигателя по оборотам. Не пришлось бы расплачиваться за удовольствие.
Ведь такой мотор однобок — максимум его мощности сосредоточенно в довольно узком интервале и ближе к высоким оборотам. На средних оборотах и ниже, двигатель просто перестаёт тянуть (особенно если сядет пассажир) и водители спортбайков это прекрасно знают. Но некоторые могут возразить, что узкость тяги по оборотам вполне исправима, например установить устройства изменяющие фазы газораспределения.
Но здесь всё не так просто, как кажется. Установить устройство, изменяющее фазы конечно можно, но юбки поршней, спроектированные на поддержание устойчивой масляной плёнки в зоне высоких оборотов, бессильны против трения на низких оборотах. Это можно увидеть на графике. Коэффициент трения при показателе hю/D =0,45 у Т-образного поршня при 8 — 10 тысячах об/мин коленвала очень мал.
Но при понижении оборотов двигателя с таким поршнем до 3 — 5 тысяч об/мин коэффициент трения заметно увеличивается и стабильность смазки падает. Если ещё чуть понизить обороты, то металл поршня пойдёт работать в сухую по зеркалу цилиндра. И если двигатель будет работать долго на малых оборотах, то мини-юбка просто не удержит масляный клин. Тогда можно стереть в дым поршневую и немалые деньги, или просто значительно сократить ресурс поршневой. Так что инженеры-конструкторы не зря запретили таким двигателям установки для эластичности тяги, свойственной тихоходным моторам.
Теперь прочитав эту статью, я надеюсь вы не купитесь на рекламу продавцов : «Установи Т- образные поршни и полетишь.» Установить их конечно можно, но с соблюдением необходимых оборотов двигателя, иначе развалите мотор, или значительно сократите его ресурс. К тому же нужно быть готовым к тому, что прибавка мощности двигателя с такими поршнями, будет ощущаться только на высоких оборотах и придётся для этого чаще крутить мотор и интенсивнее маслать лапкой переключения передач.
Вот вроде бы и всё, надеюсь прочитав эту статью, новички теперь более адекватно ответят на вопрос — какой поршень выбрать, для какого мотора и для каких целей, успехов всем!