Канавки Сингха на 402-м движке, опыт применения.

Часто задаваемые вопросы, распространенные проблемы, интересные факты, рекомендуется новичкам.

Модератор: Mortis

Ответить
  • Автор
  • Сообщение
Не в сети
Модератор
Модератор
Сообщения: 13518
Зарегистрирован: Ср апр 08, 2009 21:48 pm
Автомобиль: ГАЗ 2410, FAW 6371, Ока
Откуда: Москва
Благодарил (а): 95 раз
Поблагодарили: 863 раза

Канавки Сингха на 402-м движке, опыт применения.

#1

Сообщение Mortis » Вс апр 20, 2014 21:19 pm

Канавки Сингха на 402-м движке, опыт применения.





Краткое вступление для тех, кто не знает о чем речь.
Описываемый мод для камеры сгорания был придуман некоторое время назад никому не известным индийским мотористом-энтузиастом по имени Сомендер Сингх (http://www.somender-singh.com) и суть его вот в чем. В большинстве двигателей камеры сгорания имеют такой необходимый элемент как вытеснители, то есть полки по краям "ванночки", в которые поршень в ВМТ практически упирается, оставляя совсем небольшую щель. Их функция, как следует из названия - выдувать смесь с периферии цилиндра в камеру, попутно активно ее (смесь) перемешивая. Так достигается наиболее равномерное распределение частичек бензина по объему камеры и, соответственно, наиболее быстрое и качественное сгорание. Но у этой медали есть и другая сторона: фронт пламени от свечи не может сразу пройти в щель между поршнем и вытеснителем, условия для горения там создадутся только когда поршень отойдет на некоторе расстояние. А вот условия для детонации там создаются несколько раньше: смесь в щели поджимается давлением из камеры сгорания, где уже вовсю идет рабочий процесс. И как только щель становится достаточно большой, в глубине вытеснителя у стенки цилиндра происходит оно самое - самовоспламенение от сжатия. Это одна из причин, по которым ни на одном движке нельзя увеличивать степень сжатия до бесконечности. И бороться с этим сложно: очевидное вроде бы решение - уменьшить площадь вытеснителей - на самом деле ведет в тупик т.к. смесь в таком случае будет хуже перемешиваться, а следовательно медленнее гореть, требовать большего опережения зажигания, выделять больше вредных продуктов сгорания... То есть, говоря по-русски, движок получится тупым и прожорливым. В современных движках площадь вытеснителей заметно меньше, чем в моторах прежних лет, но это компенсировано более активной закруткой смеси во впускных каналах, более удачным расположением свечи и применением инжекторных форсунок, впрыскивающих уже исходно сильно измельченный бензин.

Сингх же придумал очень простое и изящное решение: проточить в вытеснителе канавку, по которой фронт пламени сможет забраться в щель, не дожидаясь пока поршень уйдет вниз.

Изображение

Клиновидное сечение выбрано только из за удобства выпиливания, реально оно может быть любым при условии сохранения достаточной глубины. К примеру на роверовских движках серий К и KV (единственный случай когда это решение было применено производителем) канавки выглядят так:

Изображение

При вытеснении смеси на такте сжатия канавка играет дополнительную роль: фокусированно выдувает смесь в область свечи. Очевидно что в таких условиях сгорание в области вытеснителя начнется (и, соответственно, закончится) намного раньше, особенно если канавок будет несколько. А условий для детонации может и вообще не возникнуть, даже при очень высокой степени сжатия (разумеется, этому есть предел, после которого они создаются уже в самой камере сгорания или в щели по периметру огневого пояса поршня). Если наглядно, то так выглядит обычное сгорание:

Изображение

А вот так выглядит сгорание с канавками:

Изображение

Что мы в теории от этого выигрываем?

- Расширяющиеся газы начинают раньше давить на всю площадь поршня, это увеличивает момент на низах.
- Можно ездить на низкооктановом бензине с высокой CCж, что дает экономию как по расходу (по словам Сингха - до 30%!), так и по стоимости.
- Можно использовать более позднее зажигание, то есть уменьшить паразитное давление на поршень до ВМТ. Еще больше момента.
- Ускорение сгорания позволит раньше открывать выпускной клапан, без потерь улучшая очистку цилиндра.
- Уменьшение выбросов CO и остаточных углеводородов.
- Снижение тепловой нагрузки на двигатель и уменьшение нагарообразования в КС.
- Улучшается холодный пуск и работа на холостых оборотах.

В общем, на первый взгляд - просто праздник какой-то! Но все мы прекрасно знаем присказку про "гладко было на бумаге": в реальном движке что-то из этого списка просто обязано не сработать. И, как мы скоро убедимся, в таком движке как ЗМЗ-402 не работает очень многое.


Эксперимент.
Согласно рекомендации Сингха, чтобы получить максимальный эффект, перед выпиливанием канавок степень сжатия двигателя надлежит довести до 10:1 (при этом заявляется возможность ездить на 92-м бензине). Чтобы получить такую на 402-м движке, пришлось бы фрезеровать блок и заглублять гильзы, дабы обеспечить выступание поршней из блока в ВМТ. Сия операция облегчила бы мой кошелек минимум на 10 т.р. и понятно, что тратить такую сумму на эксперимент с непонятными перспективами мне не хотелось. Поэтому я ограничился фрезеровкой ГБЦ до высоты 92мм, что дало мне 9.2:1. После заваривания открывшейся дырки в свечной колодец и замера остаточной толщины вытеснителей до рубашки охлаждения, на голове были запилены канавки глубиной около 5мм и такой же ширины. Инструмент простейший: ножовочное полотно и трехгранный надфиль. Собранный движок откатал 5000км после чего был разобран для осмотра.

Прежде всего должен заметить что результаты по детонационной стойкости получились не совсем чистыми т.к. на машине стоял трамблер АТЭ-2 с датчиком Холла, чья зубильная кривая зажигания ограничивает максимальную степень сжатия на уровне голого стока. И канавки тут ничего поделать не смогли: собранный движок детонировал даже при прогазовке на нейтральной передаче (настройку трамблера я не менял, как снял, так и поставил обратно). Поворот трамблера в сторону запаздывания, кроме уменьшения детонации, дал, к моему удивлению, и рост мощности - впрочем, в теорию это вполне укладывается. Тем не менее в целом мощность не выросла, просто прежние показатели теперь достигались при более позднем зажигании. Окончательно от детонации за весь последующий пробег избавиться так и не удалось, не помогла даже заправка 98-м бензином: на полностью прогретом движке все равно в каких-то режимах стук да прослушивался. А потом проблема решилась просто и разом: заменой трамблера на обычный волговский. Но в камерах сгорания к этому моменту уже были проведены другие доработки, так что эффект от одних только канавок на стоковом зажигании остается невыясненным.

Как бы то ни было, думаю можно сказать достаточно уверенно: если они и увеличивают на нашем движке детонационную стойкость, то незначительно. В конце концов я даже не довел CCж до рекомендованной. И ничего удивительного в общем-то тут нет, ибо основной источник детонации у нас - сама камера сгорания. А именно - окруженный острыми углами карман возле горячего выпускного клапана. Как показывает опыт (весьма дорогостоящий, к слову :)), начинается она в этой точке (сперва в четвертом цилиндре, как самом обедненном и горячем):

Изображение

Причиной тому неудачная конфигурация КС и впускных каналов, которая препятствует закрутке смеси на входе в цилиндр и, соответственно, равномерному распределению ее по камере сгорания в конце сжатия. Для получения максимальной детонационной стойкости (также как и экономичности) смесь должна путешествовать примерно по такому маршруту:

Изображение

Для этого впускному каналу придают небольшой эксцентриситет относительно седла (в гипертрофированном виде это можно увидеть на вихревых головках ЗМЗшных V8), а с противоположной стороны КС заваливают стенку, чтобы не блокировать зародившийся спиральный вихрь. Вот так это выглядит на головке американского "родственника" - одной из модификаций GM Iron Duke:

Изображение

У нас же картина выглядит так:

Изображение

Разогнавшийся в прямом канале поток, обтекая направляющую втулку, фокусируется в конус и сразу после выхода из канала врубается в поршень. Часть бензина выпадает из взвеси прямо тут и оседает в виде лужи на поршне (о чем свидетельствует жирный слой нагара, первого признака неполного сгорания), что происходит дальше можно отследить опять же по распределению нагара:

Изображение

Для наглядности взял фото "газовой" головы, на них легче разглядеть искомое. Смесь, которая по идее должна быть гомогенной, и, в общем-то, такой и выходит из карбюратора, в цилиндре разделяется: бензин относит к выпускному клапану (весь нагар там), а воздух остается у впускного, о чем свидетельствует девственно чистый алюминий стенок КС. То есть состав смеси в цилиндре к моменту воспламенения представляет собой градиент от переобедненной до переобогащенной. Не могу сказать точно какие именно нездоровые пертурбации происходят с фронтом пламени в таких условиях, но очевидно что скорость его распространения будет неравномерной. Возможно даже настолько, что первый контакт с вытеснителем произойдет совсем не в той точке, где пропилена канавка. Не исключено, что именно с учетом подобных обстоятельств Сингх в последнее время рекомендует запиливать по три канавки, равномерно распределяя их по поверхности полки.

Надо скзаать, что не все головки\коллектора такие, есть и более удачные экземпляры, на которых нагар распределен равномерно - то есть впускные каналы случайно (?) оказались более удачной формы. Детонационная стойкость таких головок не проверялась, но скорее всего она будет выше.

Возвращаясь к канавкам - очевидно, что как бы мы ни влияли на детонационные свойства большого вытеснителя, проблемы распределения смеси по КС это не решит, что и показало контрольное вскрытие: все то же отсутствие нагара у впускного клапана.

Изображение

Можно сделать еще один побочный вывод: как бы тщательно мы не гомогенизировали смесь в карбюраторе (или даже впрыскивали инжекторными форсунками), с такой конфигурацией впускного тракта она все равно в цилиндре разделится на составляющие, так что любые модификации карба в этом направлении повлияют на экономичность намного меньше, чем можно было бы ожидать. Также как и инжектирование движка. Пилить надо в других местах.

Тем не менее ряд положительных моментов все же налицо. Первое, что обращает на себя внимание - существенное уменьшение количества нагара на большом вытеснителе. Как выглядит типичная для 402-го картина, можно посмотреть выше - на тех фотографиях, где я рисовал желтыми стрелками направление воздушных потоков. После модификации вытеснитель выглядит так:

Изображение

Видны просветы чистого алюминия. Опасения что канавки сразу же забьются отложениями, соответственно, тоже не оправдались. Обратите внимание, что на малом вытеснителе все осталось по-прежнему: жирный нагар. То есть сгорание там началось позже, чем на большом, несмотря на близость к свече. На ходу машина на первый взгляд ведет себя без изменений, но со временем понимаешь, что они есть - хоть и малозаметные на первый взгляд, но существенные. Во-первых, ощутимо ускорился процесс сгорания и из за этого упала температура выхлопных газов: в прохладные дни выхлоп постоянно парит, как будто движок не прогрет. Опыт показал что движок лучше всего себя чувствует со свечами А-11, впрочем и с 14-ми не жалуется. Во-вторых, момент на низах действительно вырос и очень даже. Можно на четвертой передаче замедлиться почти до холостых оборотов и без дерготни разогнаться снова, причем чем позже зажигание, тем лучше это получается. В целом в городе заметно сокращается количество переключений. При проезде ходом горок, в том числе довольно крутых, замечаешь, что тебе больше не нужно добавлять газ - обороты не проседают. Ползущую на холостых машину сложно заглушить даже придавив тормоз - рычит, дергается, но едет. Холодный пуск тоже стал приятнее (но тут компромисс, на позднем зажигании заводится плохо).

В то же время в повседневных городских режимах динамика никак не изменилась: для этого нужно модифицировать фазы ГРМ и кривую зажигания, до чего руки у меня еще не дошли. Теоретически первое сделать проще: у нас есть распредвал УМЗ 417 СО, который имеет прямо таки идеальную характеристику - всё как у всех, но фаза выпускного клапана растянута в сторону более раннего открытия. Симулятор показывает что относительно стокового 4022-го такой вал даст прибавку в 2-3 л.с. Также, при наличии разрезной шестерни, можно попробовать и со стоковым поиграться. Сдвинуть его градусов на пять в сторону опережения, чтобы выпускной клапан открывался раньше, а потом компенсировать паразитное сужение эффективной впускной фазы путем уменьшения зазоров на впуске до 0.15. Правда зимой надо будет внимательнее, на морозе может клапана зажать и мотор хрен заведешь.

Последний важный критерий - расход бензина. При моем активном стиле езды не изменился ни на грамм.

Теперь о негативных моментах. Собственно говоря, он один и является обратной стороной ускоренного сгорания. Я упоминал о том, что температура выхлопных газов существенно упала - так вот, на движках нашего типа она этого делать не имеет права т.к. выхлопные газы подогревают впускной коллектор и напрямую влияют на смесеобразование. Таким образом в довесок к положительным эффектам от канавок мы получаем невозможность нормально отстроить карбюратор т.к. испарительные свойства коллектора в режиме трассы и после часа стояния в пробке это две большие разницы. Приходится выбирать: или ставить жиклеры под городскую езду и на трассе получать затыки\провалы, или отстраиваться на трассе и жечь лишний бензин в пробках. Возможный обходной вариант - приладить тросик к заслонке "зима - лето" но у кого она работает... Также у меня есть подозрение что более "холодный" заканавленный движок имеет склонность к закоксовыванию поршневых колец, но пока это не более чем подозрение.

Итого: канавки Сингха, применительно к нашим нижневальникам - штука неоднозначная. Однозначно рекомендуются джиперам и всем, у кого инжекторные движки: для первых достоинства скорее всего перевесят недостатки, а у вторых это решение вообще не будет их иметь. Недостатков, в смысле. Запилить же - десять минут и простейший инструмент. Подчеркну что степень сжатия предварительно увеличивать НЕ надо, раз уж экономии мы все равно не получим. Что надо, так это поиграть с зажиганием и заново определить при каком опережении машина лучше всего едет. А еще полезно будет попробовать выставить уменьшенные на 5-10(-20?) соток клапанные зазоры: скорее всего снижение термонагруженности движка позволит ему нормально работать и с такими, а мы получим пару лишних лошадей за счет увеличения подъема клапана

Также, теоретически, от канавок должны выиграть газовые движки: не исключено что таким образом время сгорания газа в цилиндре удастся приблизить к бензиновым показателям и тогда проблема аномального износа выпускных седел перестанет существовать.

Тем же, кто искал экономии и обломался, посвящена вторая часть статьи - а именно, где надо пилить чтобы не жрало.


Через тернии к экономии.
Не обольщайтесь, никаких 30 процентов экономии мы не получим, но литр-два на сотню все же на дороге не валяются.

С чем нам предстоит бороться я уже описал выше: со всем, что заставляет бензин выпадать из взвешенного состояния. Жидкий бензин не горит, а значит бесполезно вылетает в трубу, не делая никакой полезной работы. Если мы сможем заставить его работать, то при той же динамике можно будет меньше давить тапку. То есть меньше вливать бензина. Сразу скажу что для новичка в головопильном деле модификация получится весьма дорогостоящей (основная статья расходов - инструмент, а именно: дремель, прямая шлифмашинка под 6мм цангу и набор борфрез для обоих), так что подумайте, стоит ли оно того :).

Ключевое слово предстоящего процесса - турбулентность. Именно она помогает поддерживать бензин в воздухе и именно ее очень не хватает 402-му движку. При имеющемся конструктиве головы и коллектора мы не так уж и много можем сделать, но что-то все же можем. Первое - придать потоку на входе в цилиндр закрутку в сторону центра камеры сгорания. Для этого впускные каналы надо расширить с одной стороны от направляющей втулки:

Изображение

Изображение

Толщина стенки миллиметров пять, так что можете особо не стесняться. Не возбраняется даже немного забуриться под седло. Обращаю ваше внимание, что каналы внешних и внутренних цилиндров должны подкручивать поток в разные стороны, не перепутайте в запарке. После данной модификации большая часть потока будет уходить по спирали в сторону центра КС и бензин, в ней содержащийся, избежит контакта с поршнем. Впрочем, это все же не полноценный вихревой канал: меньшая часть смеси (с необработанной стороны) будет следовать прежним маршрутом, вдобавок конструкция штатного впускного коллектора такова, что нормально подкручиваться будет только смесь во внутренних цилиндрах. Во внешних инерция прижимает поток к необработанной стенке - кстати, не последнюю роль в этом играют шпилечные бобышки, поэтому крайне желательно сделать их как можно тоньше и придать веретенообразную форму. Но и то хлеб, любая более комплексная модификация потребует наварки материала в каналы, что будет за пределами любого разумного бюджета.

Следующий мод поможет нам "подобрать" весь тот бензин, что мы упустили на первом этапе. Подсмотрел я его, как обычно, у штатников. Почему бензин вообще выпадает из взвеси? Потому что воздух и частички бензина имеют разные массу и инерцию и, соответственно, ведут себя во впускном трубопроводе по-разному. Воздух идет по кратчайшей траектории, "срезая углы", и легко поворачивает вместе с каналом. В то время как более тяжелый бензин "заносит на поворотах": он пытается следовать вместе с воздухом по кратчайшему маршруту, но на любом перегибе пролетает по прямой и поворачивает с заметной задержкой. И чем крупнее капли, тем сильнее это выражено. Если поворот слишком крутой (например, на переходе от карбюратора к коллектору), то пройти его вообще могут только самые мелкие капли, все остальное по инерции врубается в стенку и остается на ней в виде лужи [поэтому, кстати, улучшение атомизации бензина в карбюраторе все же до определенной степени помогает в деле экономии]. Не дошедший до цилиндра бензин - это затык при резком нажатии на газ [с горячей стенки коллектора он испарится конечно, но с определенной задержкой - поэтому на корявых коллекторах так важен качественный подогрев, эту задержку уменьшающий] и повод поставить жиклеры пожирнее - с чем мы, собственно говоря, и боремся. Теперь если вы внимательно осмотрите каналы в голове и коллекторе, что увидите что они равномерно покрыты черным налетом - кроме тех мест, где бензин не может вписаться в поворот или обойти внезапно возникшее препятствие. В этих местах налет смыт выпавшим бензином до чистого металла:

Изображение

Вот с этими местами нам и предстоит поработать. Берем дремель с шариковой борфрезой размером со спичечную головку и наносим на стенки текстуру из лунок, как на шарике для гольфа. Лунки создают приповерхностную турбулентность, которая отражает и попутно измельчает частички бензина, не давая им осесть.

Изображение

Изображение

Изображение

Кстати обратите внимание что эти светлые пятна в каждой трубе и каждом канале расположены по своему, более того - в разных головах они тоже скорее всего тоже окажутся в разных местах. Поэтому не пытайтесь копировать мои варианты, делайте по месту. И еще отсюда следует побочная мысль, относящася к головопильным делам в целом: если нужно получить максимум эффективности, пилить все каналы по одному образцу не есть правильно, для каждого будет свой рецепт. Который еще предстоит найти с помощью продувочного стенда и пульверизатора с чернилами.

Дальше переходим к пространству по другую сторону седла. Здесь уже ориентируемся наоборот по самому жирному слою нагара. У меня получилось так:

Изображение

Изображение

По моему опыту самый заметный эффект для экономичности дало лункование поршней и это вполне логично: если позволить бензину осесть на поршне, вся предыдущая работа по донесению его до цилиндра окажется бессмысленной. Так что если кого-то технические возможности ставят перед выбором, какие работы делать - начинайте с поршней. Опять же, у вас эти лунки могут оказаться в другом месте и занять другую площадь, смотрите по месту. Хотя тут, подозреваю, работает принцип "кашу маслом не испортишь", так что можете попробовать равномерно залунковать весь поршень, кроме той области, что противостоит большому вытеснителю. Где-то видел патент, в котором как раз такой вариант и был описан.

Если после некоторого пробега снимете голову, то увидите что залункованные области в каналах потихоньку покрываются темным налетом, в цилиндрах же наоборот остаются чистыми - что и требовалось получить. Реакция со стороны стрелки бензомера, думаю, тоже не заставит себя ждать.

Happy modding :).
_________________
Ибу ибуди - хуйдао муди!
Ответить