Úpravy (tuning) vozidlových motorů
Mnozí si pod pojmem tuning představují nálepky, spojlery, velké reproduktory a hlučné výfuky. O ničem takovém psát nebudu. Můj článek je určen těm, kteří uvažují o zvýšení výkonu motorů - automobilových i motocyklových.
Úprava motoru vyžaduje komplexní řešení, nelze ji provést namontováním zakoupených dílů např. vačkových hřídelů. Pokusím se problematiku srozumitelně vysvětlit na zvoleném příkladu.
Chceme zvýšit výkon fiktivního čtyřválcového motoru zdvihového objemu dva litry. Motor je robustní OHC konstrukce a jsme přesvědčení, že snese zvýšení výkonu o 30% bez přílišného snížení životnosti. Jedná se o karburátorový motor s vrtáním 86 mm a zdvihem 86 mm. Kompresní poměr k=8, průměr sacího ventilu 36 mm, průměr výfukového ventilu 32 mm.
Oněch uvedených 30% zvýšení výkonu je důležitý údaj pro naše další úvahy o tom, jak bude vypadat hlava válců. Jsme přesvědčeni, že cíle dosáhneme i při zachování dvou ventilů na válec. Kdybychom chtěli výkon zvýšit výrazně více, asi bychom uvažovali o větším počtu ventilů na válec. To by však znamenalo udělat zcela novou hlavu válců.
Zvoleného cíle se pokusíme dosáhnout:
- zvýšením kompresního poměru
- změnou časování ventilového rozvodu
- změnou tvaru zdvihové křivky ventilů
- zvětšením průměru sacích i výfukových kanálů a talíře ventilů
- zvětšením zdvihu ventilů
- úpravou karburace
Jde tedy o několik zdánlivě jednoduchých kroků. Podívejme se na ně podrobněji.
Zvýšení kompresního poměru.
Kompresní poměr k=(Vz+Vk)/Vk kde Vz je zdvihový objem válce, Vk je kompresní objem válce (spalovací prostor). V našem případě k=8 , Vz=500ccm a Vk=71,43 ccm.
Kompresní poměr můžeme zvýšit
- zvětšení kompresní výšky pístu
- snížením bloku válců
- snížením hlavy válců
- delší ojnicí
Nejprve zjistěme o kolik musíme zmenšit spalovací prostor pro k=10. Nechceme používat speciální palivo, proto se nám jeví zvolený kompresní poměr jako vhodný. Pro k=10 je velikost spalovacího prostoru Vk=Vz/(k-1)= 55,55 ccm. Rozdíl velikosti spalovacího prostoru tedy činí 71,43 - 55,55=15,88 ccm.
Při půdorysné ploše pístu 58,09 cm2 musíme snížit blok válců nebo posunout písty k hlavě válců o
12,88/58,09=0,273 cm=2,73 mm.
Pro k=11 už o 3,68 mm a u nadčtvercového motoru se zdvihem pístu h=1,2d dokonce o 4,16 mm.
Z uvedeného je zřejmé, že pro výraznější zvýšení kompresního poměru vždy budeme potřebovat atypický píst s vypouklým dnem a příslušným vybráním pro talíře ventilů, protože snižování bloku v uvedeném rozsahu asi není rozumné. Kdybychom chtěli snižovat hlavu, dopadli bychom ještě hůře. Případné zvětšení zdvihu ventilů a také změna časování se projeví větším vysunutím ventilů při poloze pístu v horní úvrati na konci expanse. Teď si už uvědomujeme, že naše snahy o zásadnější zvýšení výkonu mají řadu mezí, které budeme muset respektovat. Trochu jsem předběhl, ale je dobré vědět co nás čeká.
Změna časování ventilového rozvodu.
Účinnou cestou ke zvýšení výkonu je zvětšení časového průřezu ventilů a zvýšení otáček motoru. Při návrhu seriového motoru je vačka navržena tak, aby měl motor dobrý průběh kroutícího momentu (byl pružný) a snadno dosahoval předepsaných emisních hodnot. Upravený motor tyto požadavky splňuje obtížně. Moc pružný není a na STK pravděpodobně neprojdeme. Doba otevření ventilů u seriového motoru bývá kolem 230°, u upravených 270° až 300° (měřeno na klikovém hřídeli) a překrytí otevřených ventilů v horní úvrati na konci expanse je oproti cca 20° například 70°.
Velké překrytí ventilů má za následek zhoršení emisí v nízkých otáčkách. Vyspělejším řešením je použití variabilního časování, které obvykle označujeme VVT (Variable Valve Timing). To v nízkých otáčkách pracuje s menším překrytím ventilů, které se teprve při vysokých otáčkách zvětší a napomáhá zvýšení výkonu motoru. Příkladem tohoto řešení může být např. Alfa Romeo 147 1,6 16V Twin Spark. Vraťme se však k jednoduchému řešení změnou tvaru vačky. Aplikujme vačku s otevřením 280° a s překrytím 60°. Prodloužené otevření nám pomáhá snížit zrychlení na ventilech, což je významné při řešení setrvačných sil při zvýšených otáčkách, a to zejména v oblasti záporných zrychlení, působících směrem od vačky. Nehodlám zde problém numericky řešit, chci jen ukázat na zákonité souvislosti. Máme v rukou ještě jeden nástroj, který nám pomůže záporné zrychlení udržet v požadovaných mezích. Tímto nástrojem je volba inflexního bodu zdvihové křivky ventilu. Pomůže nám řešit jak zrychlení tak i t.zv. časový průřez ventilu, což není nic jiného než průtočnost ventilovým kanálem. K dobrému plnění také přispěje zvětšení talířů ventilů. Větší ventil je však těžší, a to opět znamená větší síly v rozvodu. A zase jsme u ventilových pružin. Všechno to spolu úzce souvisí.
Úprava karburace.
V podstatě platí, že průměr rozprašovací komory karburátoru je závislý na druhé odmocnině otáček motoru.
Více informací naleznete na jiném místě mého webu. Je zřejmé, že zvýšení otáček vede k většímu karburátoru, pokud se nerozhodneme osadit každý válec samostatným karburátorem.
Smyslem této informace je ukázat potenciálním zájemcům o zvýšení výkonu, že každý zásah do motoru vyvolává potřebu komplexního posouzení dynamiky motoru a celou řadu zásahů v konstrukční oblasti. Vůbec jsem se nezmínil o potřebě výsledek práce ověřit na motorové brzdě. Bez měření výkonu a kroutícího momentu motoru nemá smysl úpravy provádět. Jen objektivní měření dá odpověď na otázku, zda se záměr podařilo splnit. A zcela na závěr chci upozornit na úzkou souvislost mezi parametry motoru a převodovým systémem vozidla. Změníme-li průběh výkonu a kroutícího momentu motoru, je třeba zabývat se optimalizací převodů. Jen tak lze zvýšený výkon dobře využít.
U svých zákazníků postupuji vždy tak, že s nimi před zahájením prací sepíši podrobný zápis, ve kterém stanovíme veškeré cíle, jichž se má upravou dosáhnout. Je to dobrá metoda k vyloučení případných nejasností po provedené úpravě.