Как правильно форсировать поршневой двигатель по объёму.

Увеличение объема двигателя внутреннего сгорания является самым простым способом поднять моментные (в большей степени) и мощностные характеристики мотора.

Существует несколько возможных вариантов по увеличению объема двигателя ВАЗ-21083 ( и его производных – ВАЗ 2111, 2112, так как все они используют практически одинаковые блоки цилиндров, за исключением применения масляных форсунок в 16-ти клапанных моторах ВАЗ-2112):

Второй способ (более дорогой) – замена штатного коленчатого вала на другой, имеющий больший радиус кривошипа – больше ход поршня – больше объём . Затратная часть – коленчатый вал (диаметр кривошипа от 74,8 мм до 80 мм), комплект специальных поршней под данный коленчатый вал (т.к. блок цилиндров имеет определенную конечную высоту), поршневые кольца, ну и работы по расточке блока под заданный комплект поршней.

На удивление, рост рабочего объема поршневого двигателя не всегда самый выгодный способ форсировки – иногда, в зависимости от того, что вы хотите получить от мотора, выгоднее доработать головку блока цилиндров с установкой подходящего распределительного вала и после этих операций «снять» большую мощность с вашего силового агрегата.

Естественно, чтобы возможности распределительного вала раскрылись в полную силу, необходима доработка ГБЦ – зачастую довольно серьезная – вплоть до перепрессовки седел и установку клапанов бОльшего диаметра (на 8-ми клапанные моторы хорошо подходят клапаны от BMW , а на 16-ти клапанные – от различных VW и Opel ). Кроме того, нельзя забывать про впускные и выпускные каналы, по которым топливно-воздушная смесь поступает в цилиндры, а отработанные газы «вырываются» с большой скоростью – их необходимо дорабатывать, увеличивая до определенных пределов их сечение, производя внутреннюю полировку и изменяя их профиль.

Кроме ГБЦ, достаточно большое влияние на характер мотора оказывает содержимое и «геометрия» блока цилиндров. Мы не будем обсуждать разные типы поршней и их форму, весовые характеристики коленчатых валов, хотя бесспорно они вносят определенный вклад в характер будущего мотора.

Существует такое понятие, как отношение длины шатуна к ходу поршня, эта характеристика и сам диаметр кривошипа коленчатого вала (ход поршня) существенно влияют на «дыхание» мотора: ведь по своей сути, ДВС – это насос, который прокачивает через себя определенный объем смеси воздуха с топливом за определенный промежуток времени.

В данной статье мы рассмотрим влияние соотношения длинны шатуна и диаметра кривошипа коленчатого вала на «характер» мотора двигателей семейства ВАЗ-2108. В англоязычной литературе это соотношение именуется R / S – rod to stroke ratio , и ему уделяется достаточно серьезное внимание при доработке моторов. Многие источники считают, что «золотой серединой» является величина R / S , равная 1,75.

В Интернете вы сами можете при желании найти достаточно много выкладок и расчетов по геометрии моторов Honda . Отчасти все они будут справедливы и для моторов ВАЗ, так как в обоих случаях речь идет о двигателях относительно небольшого рабочего объема (моторы Honda серий В16А - В20В с объемом соответственно от 1,6 до 2,0 литров, что вполне соотносится с литражом моторов ВАЗ 21083 (2112), получаемым при форсировании путем увеличения рабочего объема). Вот для примера геометрия легендарного мотора В16А (объем 1587 см. куб., мощность 160 л.с.; это первый «гражданский» мотор, имеющий удельную мощность 100 лслитр):

Длина шатуна: 134 мм
Ход поршня: 77 мм

Соотношение R / S : 1,74:1 (что как видим практически близко к «золотой середине»)
Посмотрим какая обстановка с отечественными двигателями (берем только ВАЗ 8-го семейства, т.к. другие не столь актуальны)

21081 – объём 1099 куб. см
-         ход 60,6 мм
-         диаметр поршня 76 мм
-         длина шатуна 121 мм
-         R/S = 1,996

2108 - объём 1288 куб. см
-         ход 71 мм
-         диаметр поршня 76 мм
-         длина шатуна 121 мм
-         R/S = 1,7

21083 - объём 1499 куб. см.
-         ход 71 мм
-         диаметр поршня 82 мм
-         длина шатуна 121 мм
-         R/S = 1,7

21084 - объём 1580 куб см.
-         ход 74,8 мм
-         диаметр поршня 82 мм
-         длина шатуна 121 мм
-         R/S = 1,61

Нестандартные конфигурации двигателя 21083 (табл. 1) :

Шатун 132 мм могут устанавливаться в стандартный блок цилиндров ВАЗ 21083 только при использовании 2-х колечных поршней.

ЗА: Позволяет поршню дольше находиться в ВМТ, что обеспечивает лучшее горение топливной смеси, т.е. более полное сгорание топливной смеси, более высокое давление на поршень после прохождения ВМТ, более высокая температура в камере сгорания. В результате хороший момент на средних и высоких оборотах. Длинный шатун уменьшает трение пары «поршень-цилиндр», а это особенно важно при рабочем ходе поршня.

ПРОТИВ: Мотор, собранный с достаточно большим значением R / S не обеспечивает хорошее наполнение цилиндров на низких и средних частотах вращения КВ, из-за снижения скорости воздушного потока (из-за уменьшения скорости движения поршня после ВМТ, в момент открытия впускного клапана). Большая вероятность появления детонации из-за высокой температуры в камере сгорания и длительного времени нахождения поршня в ВМТ.

ЗА: Обеспечивает очень хорошую скорость наполнения цилиндров на низких и средних частотах вращения КВ, так как скорость движения поршня от ВМТ больше, разряжение нарастает быстрее, что улучшает наполнение цилиндров, более высокая скорость движения топливовоздушной смеси делает смесь более гомогенной (однородной) что способствует лучшему сгоранию. Преимущества: более низкие требования к доработке и диаметрам каналов ГБЦ, чем на моторе с высоким соотношением R / S.

ПРОТИВ: Малая величина RS означает, больший угол наклона шатуна. Это значит, что большая сила будет толкать поршень в горизонтальной плоскости. Для мотора это означает следующее:

1. Большая нагрузка на шатун (особенно на центр шатуна), что делает разрушение шатуна более вероятным. Разрушение шатуна само по себе мало вероятно, кроме случаев обрыва, при заклинивании и гидроударе, как правило, шатун рвется у верхней или
   нижней головки под углом приблизительно 45 градусов к оси шатуна.
2. Увеличение нагрузки на стенки блока цилиндров, большая нагрузка на поршни и кольца, увеличение рабочей температуры вследствие повышенного трения, как результат, более быстрый износ стенок цилиндра, колец, и ухудшении условий смазки. Износ этого участка зависит от величины смещения оси пальца отн. оси поршня и от значения максимального угла наклона шатуна, т.е. при применении "кованных" поршней со смещенным пальцем, износ будет меньше чем при применении стандартных поршей.
3. Более короткий шатун также увеличивает скорость движения поршня, что влияет на износ и увеличение трения. Максимальная скорость поршня приходится на угол около 80 градусов поворота коленчатого вала от ВМТ, для мотора с коленвалом 74,8 мм при 5600 оборотов в минуту она равна  22,92 м/с при шатуне 121 мм., и 22,80м/с., при шатуне 129 мм.

По вполне понятным причинам, АВТОВАЗ комплектует свои моторы шатуном 121мм (он обеспечивает 83-му мотору R/S = 1,7, что вполне удовлетворительно). Но для «тюнингаторов», использующих КВ с большим радиусом кривошипа, шатун 121 мм обеспечивает не очень хорошее отношение R/S (см. табл. 1), поэтому на рынке «нестандартных», а-ля «спортивных» запчастей существуют и продаются шатуны с большей длинной – 129, 132 мм, цена их правда не столь привлекательна, она колеблется от 70 до 200 долларов за комплект. Еще не стоит забывать, что «экстра ходы» поршня компенсируются уменьшением компрессионной высоты поршня (смещением поршневого пальца вверх) или увеличением высоты блока цилиндров. Т.к. компрессионную высоту можно уменьшать до определенного предела, то следующим шагом будет замена блока цилиндров на более высокий, что повлечет за собой немалые расходы финансовых средств. Все эти действия направлены для того, чтобы увеличить значение R/S.

Благодарим за ценные комментарии Алексея Шмидта ("СВ-Строй", г.Тольятти)