Замечания о средствах повышения литровой мощности двигателей и скоростных качеств спортивных автомобилей

Основные способы повышения литровой мощности двигателей в спортивных автомобилях заключаются в уверении числа оборотов, повышении степени сжатия горючей смеси и в применении наддува смеси.

Если в двигателе повысить степень сжатия, например с 6 до 8,5, то это улучшит эффективное давление на 17% и в то же самое время увеличит максимальное давление расширения газов до 40%. Дальнейшее увеличение степени сжатия, скажем до 10, повышает давление расширения до 50% и мощность двигателя на 25%. Следовательно, увеличение степени сжатия неизбежно ведет к повышению давления на подшипники шатунно-кривошипного механизма и коленчатого вала, что делает более выгодным применение повышенного давления впуска смеси с умеренным начальным сжатием, вместо впуска смеси с атмосферным давлением и высоким последующим ее сжатием. Поэтому иногда применяется наддув смеси. Выбор оптимальных соотношений между давлением наддува и степенью сжатия смеси является серьезной задачей. Степень сжатия смеси увеличивается двумя путями: повышением сжатия смеси в цилиндрах двигателя и повышением давления наддува, т. е. давления подаваемой смеси до сжатия в цилиндрах, но это не одинаковые факторы по своей сущности и по результатам их применения. При повышении степени сжатия увеличивается полнота сгорания смеси, и поэтому несколько увеличивается мощность двигателя. При наддуве смеси компрессором увеличивается последующее давление внутри цилиндров двигателя при ходе сжатия смеси и увеличивается количество подаваемой смеси, что дает значительное возрастание мощности.

где i₂ - степень сжатия в двигателе с наддувом,

i₁ - степень сжатия в двигателе без наддува,

Р₂ - давление наддува плюс атмосферное давление,

P₁ - давление атмосферное.

Если, например, двигатель работает со степенью сжатия 7 и надо узнать, как в нем уменьшится степень сжатия при применении наддува 0,35 кг/см², то надо 7 делить на квадратный корень из 0,35+1, разделенные на 1. Получаем примерно 6,0.

На практике в настоящее время наддув смеси при помощи компрессоров в спортивных автомобилях применяется редко ввиду усложнения конструкции двигателей и соответствующего удорожания машин.

Применение наддува вызывает значительное увеличение потока тепла, проходящего через поршни и клапаны, повышение расхода топлива, а применение рациональной степени сжатия смеси без наддува уменьшает названный поток тепла и, следовательно, уменьшает расход топлива.

Кроме того, компрессоры не обеспечивают постоянства наддува смеси при переменных режимах работы двигателей.

В современных малолитражных спортивных автомобилях много внимания уделяется формам камер сжатия в цилиндрах двигателей и выбору соответствующих марок высокооктанового бензина.

Большой эффект в повышении мощности двигателей получается благодаря применению бронзовых головок цилиндров. В спортивном автомобиле "Фиат", например, была применена бронзовая головка (рис. 33) с подвесными клапанами, наклоненными друг к другу под углом 90°.

Рис. 33. Бронзовая головка двигателя в спортивном автомобиле 'Фиат'

Бронза обладает повышенной теплопроводностью и позволила выполнить отливку с более тонкими стенками при неизменной прочности по сравнению с чугунной отливкой. Это способствовало увеличению мощности двигателя с 13 л. с. при 4000 об/мин до 18 л. с. при 4500 об/мин.

Распределительный вал, а также впускной и выхлопной коллекторы остались неизмененными. Выхлопной клапан открывался при помощи вертикального толкающего стержня и коромысла, а впускной - при помощи наклонного стержня, проходящего через головку цилиндра и коромысла. Динамо имело верхнее расположение.

Из других распространенных способов повышения мощности двигателей в спортивных автомобилях могут быть названы использование подвода встречного воздуха к карбюраторам, увеличение диаметров диффузоров в карбюраторах, увеличение диаметра клапанов и снятие вентилятора. Для уменьшения сопротивления проходу горючей смеси в головке цилиндров возле впускных клапанов делают специальное углубление и применяют подогрев впускного трубопровода. При помощи отдельных впускных трубопроводов последние соединяются между собой уравнительными трубками с одинаковыми размерами сечения для выравнивания давления во всех трубопроводах и устранения пульсаций смеси, нарушающих степень наполнения цилиндров. Преимущественное распространение имеют двигатели, у которых впускные и выпускные трубопроводы расположены с разных сторон. При этом концы отдельных выхлопных труб или общей трубы заканчиваются расширенными раструбами, мегафонами, идущими параллельно дороге.

Для гонок на большие дистанции увеличивается емкость смазочной системы и ставятся масляные радиаторы. Преимущественное применение имеет динамо-батарейная система зажигания. В отдельных спортивных моделях ставятся по две запальные свечи в каждом цилиндре. Каждый ряд свечей получает ток высокого напряжения от своей токоразрядной пластины сдвоенного распределителя. Последний обычно изготавливается из нормального (стандартного) распределителя путем установки на общем вертикальном валу двух роторов (одного над другим), один из которых несет изогнутую разрядную пластину. Таким образом обеспечивается синхронная подача тока в обе величины каждого цилиндра. Применяются более холодные запальные свечи с повышенным калильным числом.

В случаях гонок на шоссейных кольцевых дорогах с различными поворотами, уклонами и подъемами особое значение приобретает приемистость двигателей в спортивных автомобилях и правильность выбора передаточного числа главной передачи. С увеличением мощности двигателя наблюдается уменьшение передаточного числа главной передачи. Большое значение приобретает также устойчивость автомобилей, зависящая от расположения и правильности перемещений центра тяжести в них (по мере израсходования топлива) и от углов установки передних колес, т. е. угла поперечного наклона шкворня, угла продольного наклона шкворня назад, угла развала колес и угла схождения передних колес. На устойчивость автомобилей свое влияние оказывают конструкции частей подвесок, правильный выбор размеров шин и давления воздуха в них.

В поисках средств повышения литровой мощности двигателей американская фирма "Шевроле" построила серию спортивных автомобилей с двигателями, имеющими непосредственный впрыск топлива, как у дизелей, но с воспламенением смеси от запальных свечей. При испытании этих автомобилей выяснилось, что принудительный впрыск топлива давал повышение мощности двигателей только на 5 л. с. по сравнению с мощностью двигателей такого же литража, но с питанием цилиндров от карбюраторов (по отдельному двухдиффузорному карбюратору на каждом цилиндре). Дальнейшие итоги исследовательских и экспериментальных работ докажут, какие именно двигатели - с принудительным впрыском топлива или с увеличенным числом карбюраторов - должны получить преимущество в спортивных автомобилях.

Практика применения немецких рекордно-гоночных автомобилей "Мерседес" и спортивных "Геркулес" с двигателями uнепосредственного впрыска тоже не дает пока оснований для оценки преимуществ тех или иных типов двигателей.

В скором времени можно ожидать большего применения в малолитражных спортивных автомобилях четырехцилиндровых двигателей воздушного охлаждения с горизонтальным расположением цилиндров по два друг против друга и с четырьмя отдельными распределительными валами. Экспериментальный образец такого двигателя (рис. 34) выпущен английской фирмой "Кайфт". Он имеет известное сходство с полуторалитровым двигателем немецкого спортивного автомобиля "Порше", и его преимущества заключаются в малом весе, уравновешенности работы возвратно-движущихся частей на больших оборотах и удобстве размещения на раме.

Рис. 34. Двигатель 'Кайфт'

Одновременно можно отметить, что, помимо увеличения литровой мощности двигателей, на скоростные качества автомобилей влияют легкость, т. е. собственный вес на 1 л. с. мощности, и прочность шасси, а также аэродинамичность внешних форм.

С целью снижения собственного веса и общего увеличения скоростных качеств спортивных автомобилей заметно увеличивается применение легких сплавов для частей двигателей, а также рамы и шасси. У большинства спортивных автомобилей кузовы делаются из листового алюминия с каркасом из катаной стали в виде полос, труб или фасонных профилей со сваркой в местах соединений. Во всех случаях учитываются требования аэродинамичности форм кузова применительно к условиям гонок.

Положительное влияние на снижение веса оказывает развитие производства литых коленчатых валов двигателей вместо кованых. Массовый выпуск литых коленчатых валов для автомобильных двигателей в настоящее время производится фирмой "Понтиак", входящей в компанию "Дженерал-Моторс" в США, где валы отливаются из стали марки "Армастил" ("Arma steel") с присадкой (добавлением) к ней легирующих элементов - висмута 0,02 % и бора 0,004%, что дает экономию металла и стоимости производства. Черный вес поковки коленчатого вала равнялся 35,4 кг и чистый вес (после обработки) - 26,3кг, черный вес отливки этого вала равен 29 кг и чистый 24,5 кг^*.

^*(Журнал "Продакт Энджиниринг", май, 1956 г., стр. 5.)

Положительное влияние оказывает также расширенное применение алюминиевых сплавов для различных деталей автомобильной арматуры.

В 1956 г средний вес алюминиевых деталей в легковых автомобилях США, например, увеличился с 13,4 до 15,8 кг, т. е. на 18% по сравнению с весом 1955 г. Алюминий идет на детали коробки передач, двигателя и кузова. В моделях 1956 г. алюминий идет также на решетку перед радиатором. Намечается дальнейшее расширение применения алюминия в автомобилях.

Компания "Дойхлер Жервис" в США осваивает производство блоков двигателей из алюминиевого литья под давлением^*.

^*(Журнал "Продакт Знджиниринг", февраль, 1956 г., стр. 209.)

В Советском Союзе с 1956 г. освоен выпуск по проектам Государственного союзного института по проектированию металлургических заводов (Гипромез) широкого сортамента балок гнутых и периодических профилей, а также профильных труб из алюминиевого сплава.

Если сравнить вес швеллерных профилей из алюминиевого сплава по новому стандарту ГОСТ 8113-56 с весом соответствующего профиля из стали по старому стандарту ОСТ 10017-39, то легко установить снижение веса на единицу длины в 2,7 раза.

Таким образом, созданы благоприятные возможности для постройки новых облегченных и более быстроходных спортивных автомобилей.

Заслуживает внимания конструкция выхлопных труб.

На гонках 1956 г. в Индиана полисе водитель Агаджанян выступал на специальном автомобиле с двигателем, имевшим отдельные выхлопные трубы от каждого цилиндра одинаковые по длине и сечению с мегафонами. Как показали испытания, подобное устройство выхлопных труб способствовало увеличению скорости автомобиля на 9,6 км/час (примерно на 5%) по сравнению с его скоростью при наличии одной общей выхлопной трубы^*.

^*(Журнал "Отокар" от 8. У1. 1936 г., стр. 681.)

Из других средств, способствующих повышению скоростных (ездовых) качеств автомобилей, надо отметить правильность регулировки колес и тормозов для облегчения условий управления, правильность распределения нагрузок на переднюю и заднюю оси, а также выбор размеров запаса топлива и вида топлива.

Углы установки передних колес выбирают с учетом ожидаемых углов поворота на шоссейных кольцевых дорогах, а также крутизны подъемов и спусков, для того чтобы обеспечить стабилизацию колес при движении на прямолинейных участках. Стабилизация колес в большой степени зависит от веса неподрессорных частей и от высоты расположения центра тяжести в автомобилях. Поэтому в современных спортивных моделях широко применяется сверление отверстий в частях рамы, тормозов и подвесок с учетом условий ненарушения прочности и уравновешенности отдельных частей или узлов. Значительное внимание уделяется соответствующей регулировке подвески и ее амортизаторов, а также повышению эффективности и надежности действия тормозов, особенно на передних колесах, куда обычно перемещается центр тяжести автомобиля при быстром торможении.

Для улучшения условий охлаждения тормозов на наружной диаметральной поверхности их барабанов протачивают кольцевые канавки в виде ребер, которые увеличивают поверхность охлаждения и одновременно жесткость барабанов, позволяя сделать стенки последних более тонкими. В некоторых моделях спортивных автомобилей действие тормозов обеспечивается трением поверхностей одного диска о другой при давлении на диски не центральном осевом, а лишь в одном или двух местах с противоположных сторон при помощи скоб (рис. 35), имеющих электромагнитное или механическое включение. Благодаря этому при неизменной надежности торможения снижается вес тормозов.

Рис. 35. Новый тип тормоза спортивных автомобилей

В зависимости от намечаемых условии гонок в спортивных автомобилях выбирают наивыгоднейшее расположение центра тяжести и допустимые пределы перераспределения веса между передней и задней осями от начала до конца гонок. Вообще приближение центра тяжести к передней оси сопровождается увеличением нагрузки на последнюю, что создает так называемую "недостаточную поворачиваемость" автомобиля. Но зато в гонках такое распределение веса облегчает управляемость автомобилями, так как способствует гашению начавшегося в пути заноса.

В свою очередь увеличение нагрузки на заднюю ось повышает сцепление колес с дорогой и уменьшает опасность пробуксовывания и соответствующего бокового скольжения колес. Но при чрезмерном смещении центра тяжести назад ухудшается устойчивость автомобилей и возникает излишняя (неустойчивая) поворачиваемость колес.

Существенное значение имеет правильный выбор емкости бензобака и места его расположения в спортивных автомобилях. Необходимо, исходя из дистанции и дорожных условий гонок, находить правильное решение в выборе потребного запаса топлива в каждой машине, марки топлива и места расположения топливного бака в автомобиле. Большой запас топлива увеличивает вес машины и ухудшает условия вождения вследствие изменения расположения центра тяжести по мере израсходования топлива. Малый запас топлива, наоборот, вызывает необходимость более частых остановок для пополнения бензобака в процессе гонок.

В некоторых спортивных автомобилях применяются два и более бензобаков, из которых производится постепенный и по возможности равномерный расход топлива. В отдельных спортивных автомобилях применяются также резиновые бензобаки, которые могут быть удобно размещены в машине и имеют малый собственный вес.

Практика применения резиновых бензобаков заимствована от авиации. Стенки баков - двойные. Внутренние стенки выполнены из листовой резины, стойкой против действия любых корродирующих материалов, наружные - из пластмассы. Впервые резиновые бензобаки для топлива были применены в 1948 г. в автомобилях, подготовленных к гонкам в Индианаполисе. Указанные баки выпускает фирма "Файрстон Компани" в США.

Вообще в автомобильных гонках на длинные дистанции и на продолжительность на треках и шоссейно-кольцевых дорогах различного типа задача экономии времени на заправку машин разрешается по-разному отдельными конструкторами и водителями. Одни применяют авиационный бензин с большой теплотворной способностью и высоким октановым числом, что позволяет иметь двигатели с высокими степенями сжатия и снижать расход топлива на 1 л. с./час до минимума. Другие, наоборот, применяют спиртовую смесь с низкой теплотворной способностью, что значительно увеличивает расход топлива, но зато это топливо предохраняет двигатель от перегрева и даже способствует некоторому охлаждению головок цилиндров.

Не только в отношении топлива, но и в отношении применяемых конструкций отдельных механизмов и деталей в спортивных машинах задачи решаются тоже по-разному. Интересно, что давление в шинах большинства автомобилей применяется примерно одинаковым и равно около 2,5 кг/см², которое, по-видимому, является наивыгоднейшим.

Для облегчения условий управления спортивными автомобилями на большие дистанции в шоссейных кольцевых гонках большое значение имеет автоматизация механизмов управления. В настоящее время в Англии строятся малолитражные автомобили с двигателями до 1000 см³, снабженные автоматическими механизмами сцепления, действие которых связано с действием переключаемых принудительным способом (вручную от рычагов) коробок передач. Фирма "Смит и сыновья", например, выпускает автоматические механизмы сцепления электромагнитного типа^*.

^*(Журнал "Отокар" от 26. X. 1956 г., стр. 621.)