Який поршень вибрати при тюнингу (форсуванні) двигуна?

Існує декілька способів надбавки потужності двигуну, і один з них — підняти момент, що крутить. Тут важливі два основні параметри — хід і діаметр поршня. І чим далі винесені від подовжньої осі колінчастого валу шатунові шийки (довше коліно коленвала), тим більше сили з якою шатун штовхає коленвал. А це означає, що двигун розвине велику тягу. У такому разі вага поршня не має особливого значення, і такі двигуни тихохідні, максимальні обороти у них всього 6 — 8 тисяч в хвилину, і інерційні навантаження на колінчастий вал і шатуни невисокі.

Масивні поршні вимагають іншого: коли такий поршень міняє напрям руху при проходженні мертвих точок, то виникає перекладання сил, яке притискає бічну поверхню поршня до стінки дзеркала циліндра. І ось для цього притиску і потрібна поршню спідниця. До того ж шатун постійно давить на поршневий палець і поршень під кутом до осі циліндра, і цей кут кожного разу міняє орієнтацію на протилежну, коли поршень мине мертву точку. Тобто при русі вгору поршень притискається до однієї сторони дзеркала циліндра, а при ході вниз до іншої стінки. І перекладання поршня повинне відбуватися м'яко, інакше він довго не протягне і репне.

Розглянемо, що довге— і короткоходный коленвал. Прийнято наступне ділення: довгоходова конструкція — коли діаметр циліндра менше ходу поршня; короткоходная — навпаки діаметр поршня більше його ходу; і середнє рішення — так звана квадратна конструкція, коли діаметр поршня дорівнює його ходу. Більшість сучасних дорожніх моторів роблять квадратними, вони компромисно поєднують в собі достоїнства тягавитого і швидкохідного двигунів. Короткоходную конструкцію застосовують на спортивних спритних двигунах, з вузьким діапазоном потужностних оборотів.

У двигунів з довгими плечима (коліном) колінчастого валу сила притиснення поршня до дзеркала циліндра вище чим у короткоходных моторів, оскільки ця сила росте у міру збільшення кута нахилу шатуна. Тому на таких двигунах спідниця поршня має бути «максі» — тобто досить довга як на старих двигунах. Вона рівномірно розподіляє навантаження на великій площі, і поршень проходить мертві точки без розривів масляної плівки і ударних навантажень. Довголітній досвід створення таких двигунів породив певне відношення довжини спідниці поршня до його діаметру, і позначається — hю/D. Це відношення для різних моторів підбирається різне. Так для важко навантажених двигунів — близько 0,2 л.с. на кілограм ваги транспортного засобу воно складає не менше 0,7. На потужніших машинах — від 0,5 л.с. на кг ця величина вже інша — приблизно 0,6. Обясняется це просто: чим менше кінських сил доводиться на одиницю маси автомобіля або мотоцикла, тим більше навантаження на поршень і особливо на його спідницю. Особливо коли поршень проходить саму напружену ВМТ — в такті робочого ходу.

Тепер представте — з боку камери згорання на днищі поршня давлять гази продуктів горіння палива, а з іншого боку переміщенню поршня чинить опір шатун, сильно навантажений вагою машини. До того ж у більшості рухів шатун упирається в поршень під кутом і значно утрудняє передачу зусилля. І якщо двигун слабкий, а мотоцикл або машина важкі, то природно коротка спідниця від такого подвійного удару не витримає і деформується. І при роботі вгризатиметься в дзеркало циліндра витісняючи масляну плівку і обростаючи задираками.

Форсування моторів по збільшенню моменту, що крутить, було популярне в 5 0 — 7 0 — і роки двадцятого століття. Але потім сталася криза цього способу, оскільки в габарити компактних двигунів спортивних машин і мотоциклів не впишеш ні коленвал з великим ходом поршня, ні циліндри паровозного ходу і діаметру. Не допомогли і ковані поршні. Природно вони легші і міцніші за звичайних литих, що за рівних умов дозволяє збільшити діаметр поршня відсотків на 10 -15, не побоюючись перекладання, здатного зруйнувати поршень. Але висока ціна кованих поршнів не дуже те і компенсується приростом потужності двигуна всього на 5 — 8 відсотків. Це можна побачити в графіці справа.

Потім настала ера спритних моторів — механіки взялися за другий спосіб підняття потужності за рахунок збільшення оборотів коленвала. Природно обороти можна підняти зменшивши плече (коліно) ходу шатуна і поршня. І довжина шляху, тобто сума відстаней при переміщенні поршня за чотири такти при цьому скорочується. І цілком природно, що за один і той же відрізок часу поршень такого двигуна вчинить більше робочих ходів, чим двигун такого ж об'єму, але з довгоходовим валом. Означає і роботу вчинить велику і потужність двигуна зросте. А також ще і габарити мотора зменшаться, адже у короткоходных моторів менше і габарити і маса.

Але ось поршні для таких моторів задали конструкторам завдання. Інерційні навантаження, що створюються поршнями на шатунах і шийках коленвала, залежно від оборотів і швидкості переміщення поршнів ростуть в геометричній прогресії. І простий спосіб понизити інерцію поршня — це понизити його вага, зменшивши діаметр. Але для збереження загального літражу двигуна доведеться робити більшу кількість циліндрів (згадайте перші спортивні мотоцикли Беннели, Агусту або шестициліндрову Хонду СВХ). А це збільшує вартість виробництва двигуна у декілька разів. І інженери пішли на ризикований крок: спідницю поршня стали виготовляти «миди» — hю/D = 0,6-0,55, ну а потім і «міні» — і hю/D зменшили до 0,5 — 0,45. І найцікавіше, що поршні, що навіть не куються, а литі витримали нахабне укорочення спідниці, оскільки інженери скористалися корисною властивістю гідродинамічного ефекту мастила.

Але спідниця поршня повинна не лише згладжувати момент перекладання. Ще бічному профілю спідниці надається особливої форми, що підтримує стійкий шар мастила, так званий масляний клин між поршнем і стінкою дзеркала циліндра (див. фото). Тут найбільш вигідна бочкоподібна спідниця, оскільки звичайна конусна спідниця не ковзає по плівці мастила, а розриває її. Вітчизняна техніка досі оснащується поршнями з конусною спідницею і при однакових розмірах поршнів, конус, що не має загнутої шкарпетки (кромки) гірше утримує на поверхні масляний клин. Вигода у виготовленні конусних поршнів є тільки для виробника, оскільки виготовлення такого поршня обходиться у декілька разів дешевше за бочкоподібних. А працювати без задирів конусним поршням допомагають в перших не великі оберти вітчизняних двигунів, а в других — дуже максі (довга) спідниця — hю/D 0,70 — 0,75. Адже тиск бічної поверхні поршня на масляну плівку убуває у міру збільшення площі контакту поверхонь спідниці і дзеркала циліндра. Що і обмежує застосування таких поршнів, оскільки вони важкі і їм місце в тихохідних древніх двигунах, з оборотами коленвала всього до 5 тисяч.

Але знову ж таки і бочкоподібна спідниця не панацея від тертя. Таку спідницю можна без проблем укоротити відносно конуса відсотків на 10 — 15 і не порушити умов мастила. Але при такому укороченні поршень стане не на багато легше. Але чому ж в сучасних спритних моторах цілком надійно працюють Т-подібні поршні, що майже не мають спідниці — hю/D близько 0,4 ? Та тому, що масляний клин відштовхує спідницю поршня від дзеркала циліндра з силою, яка зростає пропорційно квадрату швидкості переміщення поршня. Це легко зрозуміти на прикладі водних лиж. Якщо причепитися тросом до тихохідної баржі, то ковзати по воді на маленькій швидкості буде неможливе, навіть на лижах великої довжини і ширини. А ось якщо причепитися до потужного і швидкісного катера, то ковзати по воді можна буде навіть на п'ятах. І завдяки цьому ефекту, у високооборотних моторів, в яких поршень рухається з величезною швидкістю, з'являється можливість кардинально скоротити розмір спідниці, і в результаті скоротити вагу поршня на чверть. І ось тут проявляється перевага кованих поршнів — їх мала вага, за однакових умов тюнингу, дозволяє додатково полегшити шатуни і коленвал і динаміка двигуна зростає, без збитку для його ресурсу.

На графіці справа можна побачити як грамотно підібрати довжину спідниці при тюнингу (форсировке) двигуна. Але не квапитеся видивлятися в магазинах відповідний «кит» (тюнинговый вал і поршні або що те одне) і братися за форсування двигуна по оборотах. Не довелося б розплачуватися за задоволення. Адже такий мотор однобокий — максимум його потужності зосереджено в досить вузькому інтервалі і ближче до високих обертів. На середніх оборотах і нижче, двигун просто перестає тягнути (особливо якщо сяде пасажир) і водії спортбайков це прекрасно знають. Але деякі можуть заперечити, що узкость тяга по оборотах цілком поправна, наприклад встановити пристрої газорозподіли, що змінюють фази.

Але тут все не так просто, як здається. Встановити пристрій, що змінює фази звичайно можна, але спідниці поршнів, спроектовані на підтримку стійкої масляної плівки в зоні високих обертів, безсилі проти тертя на низьких оборотах. Це можна побачити на графіці. Коефіцієнт тертя при показнику hю/D =0,45 у Т-подібного поршня при 8 — 10 тисячах про/мін коленвала дуже малий. Але при пониженні оборотів двигуна з таким поршнем до 3 — 5 тисяч про/мін коефіцієнт тертя помітно збільшується і стабільність мастила падає. Якщо ще трохи знизити обороти, то метал поршня піде працювати в суху по дзеркалу циліндра. І якщо двигун працюватиме довго на малих оборотах, то міні-спідниця просто не утримає масляний клин. Тоді можна стерти в дим поршневу і чималі гроші, або просто значно скоротити ресурс поршневий. Так що інженери-конструктори не даремно заборонили таким двигунам установки для еластичності тяги, властивої тихохідним моторам.