Рейтинг: 5/5
Для початку розповім в чому перевага ГБЦ (головки блоку циліндрів) з 4 клапанами на 1 циліндр в порівнянні з 2 клапанами. Розташування двох впускних і двох випускних клапанів в камері згоряння дозволяє збільшити площу клапана (клапанів), але попри те, що багато хто вважає, це не реальна причина в перевазі. Для прикладу, давайте порівняємо 1.7 літра Lotus / Ford Twin Cam ралійний двигун (2 распредвала, 4 циліндри, 8 клапанів). Впускний клапан має розмір 43 мм (площа -14.45 см2)
І знаменитий двигун, розроблений гоночним інженером Кейтом Дакворт (один із засновників компанії Cosworth, назва Cosworth народилося з об'єднання прізвищ (COStin and duckWORTH). Cosworth був підрозділом Ford Motor Company, але на даний момент придбаний Джеральдом Форсайтом і Кевіном Колховеном).
Ралійний двигун Cosworth BDA 1.7 літра (2 распредвала, 4 циліндри, 16 клапанів) Розмір впускних клапанів 31 мм, площа клапанів на впуску становить 15 см2 - що є дуже близько до площі впускного клапана мотора Lotus / Ford Twin Cam (14.5 см2).
Обидва двигуни були розроблені для гонок і видавали максимальну потужність на 8000 оборотах; 190 сил Cosworth і 170 сил Lotus / Ford. У ралі автомобілі з двигуном Cosworth були завжди набагато швидше (на будь-якому покритті) через те, що цей мотор мав на 1000 оборотів більш широкий діапазон потужності і значно краще не тільки на верхах, але і на низьких оборотах. А причина в тому, що маючи практично ідентичну площа клапанів двигун Cosworth має на 44% більше клапанну щілину при будь-якому підйомі клапанів. З цієї причини мотори з 4 клапанами на циліндр використовують розподільні вали з менш широкої повної фазою (duratoin), а це в свою чергу покращує середній діапазон без шкоди для максимальної потужності.
Щоб це краще зрозуміти чому на 44% більше, пропоную розглянути ілюстрацію яка використовувалася в пості про распредвалах (ПГУ частина 2)
У першій частині ми зупинилися на геометрії сідла клапана.
Геометрія сідла клапана
Основний закон - сідло впускного клапана, це номер 1, від чого залежить ефективність ГБЦ поки клапан не матиме підйом 0.18 (18%) від його діаметра, а на стороні випуску ще більше, до 0.35 від діаметра випускного клапана.
Однофасочное сідло з кутом 45 * градусів має ефективність 56% при підйомі клапана 6.35 мм. Якщо виконати правильну трьох-фасочную, чотирьох або навіть п'яти-фасочную геометрію сідла то ефективність реально підвищити до 84% (середні значення від 76% до 84%). Стандарт трьох-фасочной геометрія (найбільш популярна) 45 * - запірна фаска, 30 * - верхня, з'єднує основну фаску з днищем камери згоряння. Нижня фаска має кут 60 * з'єднають 45 * з горлом каналу.
На цій схемі вказані розміри, як для впускного, так і випускного каналів добре працюють і дають чудовий результат. Також вказані оптимальні розміри клапанів (впуск і випуск). Як ви помітили, на випуск, запірна фаска сідла ширше, це необхідно щоб забезпечити хороший тепловідвід від тарілки клапана. Випускний клапан при цьому має більш вузьку 45 * фаску, що необхідно для боротьби з утворенням нагару. Перехід від запірної фаски сідла до каналу здійснюється широкої 60 градусної нижньої фаскою, багато фахівців використовують додатково для 4-х - 5-ти фасочной геометрії сідла каналу ще фаски з кутом 75 * (80 градусів) які більш плавно з'єднують запірну фаску з каналом.
Дуже великий позитивний ефект на продувку дає додаткова 30 * фаска на клапанах
Дуже важливо не тільки кут (про це нижче) але позиція, розташування клапана в сідлі і ширина запірної фаски
Для впуску багато фахівців люблять поєднувати сідло, як можна вище (в напрямку камери згоряння) з клапаном. На випуску таке розташування неприйнятно, це сильно погіршить надійність і може привести до прогару клапана - по центру то що треба.
Ширина запірної фаски, на впускному каналі оптимальним є 1.0 мм - 1.55 мм. Вужча фаска, в основному покращує продування каналу, але при цьому погіршує міцність, надійність. Випускні канали працюють при екстремально високих температурах, тому їм необхідна ширша запірна фаска, для того щоб збільшити пляма контакту і краще відводити тепло через сідло каналу (оптимальні розміри вказані на схемі).
Для прикладу наводжу результати які були отримані на стік 1.6 літра двигуні з розміром впускного клапана 35.5 мм при проведенні вище зазначених процедур
Результат - плюс 14 CFM, це дасть надбавку в потужності більше 10 сил.
Альтернативні кути геометрії сідла каналу
45 * градусів запірна фаска сідла впускного клапана найбільш використовувана, але часто використовують і інші кути. Для прикладу, якщо у вас задушений мотор, вам треба більше повітря (flow) не має значення, що результат дасть тільки пікову потужність на 9000 оборотах - використовується кут 50-55 *, такий кут дає найкращу продування при високому підйомі клапана тому дозволяє зробити більш плавне з'єднання з максимально можливо збільшеним горлом каналу. Такі кути застосовують інженери при споруди гоночним моторів 358- ci V8 для NASCAR.
Плюси - максимальні показники продувки при високо піднятому клапані, мінуси - пікова потужність і найголовніше, чим більше кут (більше 45 *) запірної фаски, тим менше міцність, набагато гірше надійність. Для турбо моторів такий варіант ПРОСТО НЕ прийнятний через високі температур. Якщо Ви будуєте мотор розрахований на високі обороти, то кращі результати (через реверс потоку повітря) дає верхня (top cut) фаска не 30 *, а 38 * градусів
Якщо ваш мотор дуже голодний до повітря або ви бажаєте істотно поліпшити характеристики ГБЦ нема на високих оборотах, тобто хороший варіант - використовувати 30⁰ запірну фаску на сідлі клапана впускання. Пропоную цей варіант розглянути більш детально
Як видно з малюнка, при однаковому підйомі, клапанна щілину при використанні запірної фаски з кутом 30 * більше, а значить і кількість повітря буде надходити більше (а це те, що треба для підвищення моменту). Таке поліпшення на впуску ми маємо в плоть до підйому клапана 7.5 мм, максимальна надбавка становить понад 20% при підйомі клапана 1.25-2.5 мм. Така геометрія дає ефект, при малих підйомах клапана, більш великого каналу (і звичайно і розміру клапана) але тільки при цьому низи і середина не погіршується, а тільки поліпшується.
Це схожий ефект, як при використанні распредвала з великим підйомом, як ви пам'ятаєте я описував, що сам по собі підйом кулачка не збільшує максимальне значення проходить потоку повітря при підйомі вище 0.25 від діаметра клапана, але сильно збільшує наповнення при малому підйомі. Відбувається це за рахунок збільшення швидкість підйому клапана і не більше.
Зустрічається багато серійних машин з такою геометрією сідла клапана, так, напевно, все дизельні двигуни працюють на такій геометрії, але зустрічаються і бензинові мотори. На перший погляд це все здається просто, але насправді є і складності (які вирішуються).
З одного боку, чим менше кут, тим краще клин, який покращує герметичність пари сідло-клапан, але при цьому, чим більше плоске сідло, тим більше проявляється тенденція, що клапан на високих оборотах почне отпружінівает при закритті. Однозначно, ніж більш плоский кут запірної фаски сідла каналу, тим краще продування, наповнення (flow) при невеликих підйомах клапана, але без серйозного вивчення цього питання ситуація може тільки погіршиться при використанні розподілвалів з підйомом кулачка вище 12 мм. Якщо ваша мета високі обороти (8000 +++) і распредвал з високим підйомом кулачка 12.5 ++ мм - 50 * -55 * градусів кут запірної фаски вирішить проблему відпружинювання клапана і як наслідок більше потужність.
На даній картинці зазначено схематично, як зробити сідло впускного каналу з кутом 30 *
Така геометрія сідла впускного клапана дає приголомшливі результати на продувному стенді, але швидше за все виникнуть проблеми з герметичністю (клапан-сідло) на оборотах набагато вище 5000. Особливо це проявляється на високо форсованих моторах, які відчувають проблему з високою температурою клапана при максимальних навантаженнях і як наслідок деформація (вигин клапана при закритті в слідстві його розширення). З цієї причини таку геометрію не рекомендується використовувати на випускному сідлі клапана.
Є кілька варіантів вирішення цієї проблеми (ВИСОКА температура клапана, розширення -деформація). Один з варіантів нанести на лицьовій стороні тарілки впускного клапана канавку. Ось варіант як це зробити
Так само не буде зайвим використовувати клапанні пружини на 10% жорсткіше, ніж необхідно для сідла з кутом 45 *. При використанні такого методу David Vizarrd's - відомий американський фахівець в області побудови гоночних моторів (до речі, він проводить дуже корисні семінари, як готувати ГБЦ) робив чудові гоночні мотори.
Інший варіант - використання спеціального термо покриття на клапана, яке знижує температуру останнього (значно)
Взагалі, проблема з клапанами при високій температурі часте явище навіть на стік моторах, особливо турбо версії. При їх тюнінгу, часто це питання залишається забутим, а це не тільки деформація і як наслідок погана герметичність, пропуски запалювання, детонація, таке часто зустрічається наприклад на європейських моторах VAG 2.0 turbo TSI - накачавши мотор супер прошивками від Брендових тюнерскіх фірм, але при цьому не подбавши про охолодження повітря, мотора і т.д. як рішення намагаються цю проблему вирішити заміною клапанних пружин на більш жорсткі. Ну да ладно, це у ж не по темі