[PROтачки с Блондинкой Милой]: моторчик и мощность, Часть 2

Дратути дорогие котядке, а также леди и джентльмены, заглянувшие в наш уютный розовый гаражик. Вон там диетические овсяные печеньки для всех прихворавших животиком, полезный зеленый чай сварен в капельной кофе-машинке (инженеру подвластно все), садитесь рядочком, ибо с вами ваша любимая Блондинка Мила, и мы начинаем второе заседание нашего скромного автоклуба "На розовых шпильках". Вот тут у нас блок цилиндров, и из него торчат шпильки:


В прошлый раз мы изучили в общих чертах устройство автомобильного моторчика: https://prodaman.ru/EmiliaRee/blog/PROtachki-s-Blondinkoj-Miloj-motorchik-i-moshhnost

Сегодня мы уже довольно основательно углубимся в нюансы работы моторчика, и если успеем, то поговорим про мощность - что это вообще значит, из чего состоит и откуда берется.

Итак. Мы сели в нашу машинку. Вставили ключик в замок зажигания и повернули. Что происходит в это время с нашим моторчиком? Бензонасосик качает топливо из бака в топливную реечку. Реечка раздает бензинчик по форсункам. Форсунки пшикают топливо во впуск. Одновременно стартер берет электрический ток с аккумулятора чтобы повернуть коленвал - чтобы в одном из цилиндров сдетонировала наша топливная смесечка. Дело в том, что когда поршень идет к верхней мертвой точке - он сжимает пространство камеры сгорания, давление и температура растут, и это может привести к тому, что топливная смесь взорвется. Как только смесь взорвалась - поршень пошел вниз на энергии, полученной от взрыва, и уже сам повернул коленчатый вал. Пришел в движение масляный насосик - стал качать масло из тазика на самый верх мотора. Пришел в движение шкив коленвала - включил навесное оборудование, заработала помпа качающая антифриз в наш моторчик для охлаждения; заработал генератор - стал вырабатывать ток для наших свечушек зажигания, теперь они поджигают топливо, не доводя до детонации. Запустились все остальные цилиндры - как гирлянда на елочке, только спрятанная внутри мотора. Наш моторчик включился в режим холостого хода.

Вчера мы очень много говорили о клапанах, валах, фазах - но мы не говорили, почему воздух заходит в наш моторчик. Как вообще наш моторчик дышит?
Вот тут мы наконец-то вводим понятие такта двигателя - такт это процесс, который происходит в течении 1 хода поршня (либо к ВМТ, либо к НМТ). Наш моторчик четырехтактный - у него весь рабочий цикл (да, девочки, у моторчика тоже есть свой цикл - поэтому нам его понять проще, чем мужчинам) происходит за 4 хода поршня, и 2 оборота коленвала.
Давайте еще раз посмотрим нашу картиночку с поршнем и его ходами - она очень простая и наглядная:


Итак, мы повернули ключик в замке зажигания, смесечка сдетонировала, поршень ушел вниз, преодолел нижнюю мертвую точку и стал подниматься вверх. В этот момент открылись выпускные клапаны, и поршень выдавил выхлопные газы на улицу. При этом поршень дошел до верхней мертвой точки - сделав пространство внутри очень маленьким, сжав весь объем цилиндра - до крохотной камеры сгорания. И вот тут начинаются интересности.
Наш поршень продолжает свое движение - теперь уже вниз. В камере сгорания пространство маленькое, и оно начинает увеличиваться. Но воздуха там нет, максимум какие-то остатки выхлопных газов, недогоревшей смеси - но очень мало. При увеличении объема (объем камеры сгорания + добавляется объем цилиндра) - из-за движения поршня к нижней мертвой точке - падает давление. Возникает разрежение - прям как в горах, где плотность воздуха сильно ниже и дышать труднее. И в этот момент открываются впускные клапана. Снаружи, за дроссельной заслонкой - нормальное атмосферное давление, и из-за разности давлений воздух начинает засасывать в наш моторчик. Вот так наш моторчик дышит.
Моторчик, воздух в который заходит благодаря разности давлений внутри и снаружи моторчика - называется атмосферным. Потому что дышать ему помогает атмосферное давление.

Между делом мы ввели такой термин, "холостой ход". Что это и зачем?
Сейчас будем рисовать большую сложную картинку - но мы уже взрослые девочки, мы после вчерашнего занятия шарим, и потому здесь тоже затащим, я уверена.


1. Так с улицы под капот заходит воздух.
2. Вот в этом пластиковом коробе спрятался воздушный фильтр - он защищает наш моторчик от попадания всякого мусора с улицы.
3. Блок дроссельных заслонок. Базово, дроссельная заслонка выглядит как заслонка и выполняет функцию таковой - она перекрывает воздуху путь в моторчик. Когда мы нажимаем педальку газа - педалька тянет металлический тросик, и тросик открывает дроссельную заслонку. Сейчас уже обычных механических тросиковых заслонок вы скорее всего не найдете - и педали газа и заслонки в большинстве своем давно электронные. Но принцип тот же - машинка стоит на месте, заслонка закрыта. Заслонка открылась - воздух пошел в моторчик и машинка поехала.
4. Впускной коллектор. Вот по этим трубам воздух заходит в мотор, через впускные окна головы блока цилиндров.

Но наш моторчик работает, даже если машинка стоит на месте. Как же он дышит, если дроссельная заслонка закрыта?
Щас затащим, девочки, все нормально.

Под дроссельной заслонкой у нас находится штучка, которая называется клапан холостого хода. Когда дроссельная заслонка закрыта - чтобы моторчик не задыхался без воздуха этот клапан ХХ открывается и дает нашему моторчику воздух небольшими порциями. Вот, давайте посмотрим:


Сверху в трубе железяка с двумя винтиками - это та самая дроссельная заслонка. А под нею, обведенный красным кружком - наш клапан холостого хода.

***

Сейчас накинем сложной теории - как всегда, поначалу будет страшно, а потом разберемся и поймем.

МАТ
МАФ
МАП
ДПКВ
ШЛЗ
ДД

Это не ругательства, это датчики, которые нужны нашему моторчику, чтобы воспринимать окружающий мир.

МАТ - датчик температуры воздуха. Как правило, находится вот прям на выходе из короба воздушного фильтра. По МАТу наш моторчик корректирует топливную смесь - например, если на улочке холодно, закидывает в смесь больше бензина чтобы легче было прогреться.

МАФ - он же маф-сенсор, он же расходомер, он же датчик массового расхода воздуха (ДМРВ).
В общем виде, это тоненькая ниточка типа платиновой. Находится там же, в пластиковой трубе, идущей от воздушного фильтра к дроссельной заслонке. На ниточку подается ток, чтобы прогреть ее до нужной температуры. Чем больше воздуха заходит с улицы, тем сильнее охлаждается ниточка, тем больше напряжения нужно на нее подать. Вот по увеличившемуся напряжению на ниточке - моторчик понимает, какое количество воздуха зашло с улицы в мотор, а значит - сколько бензина нужно впрыснуть.

МАП. Не на всех моторах есть маф-сенсор, на некоторых применяется МАП, он же вакуум-сенсор, он же датчик абсолютного давления. Помните, я говорила, что у нас образуется разреженная зона в моторчике? Вот МАП-сенсор как раз меряет это самое разрежение. Чем меньше давление во впускном коллекторе - тем меньше воздуха зашло в мотор. И наоборот, при открытой дроссельной заслонке в мотор пойдет большое количество воздуха и МАП поймает рост давления. По этому росту мотор посчитает, сколько воздуха зашло и сколько бензина надо впрыснуть.

Где Уолли? Ой, то есть где МАП-сенсор?


Вот же он, во впускном коллекторе!


Дальше будет сложно. Мы много раз говорили, что наш малыш-моторчик питается специальной питательной смесью из воздуха и бензина. Я сейчас накину сложности, но вы не волнуйтесь - мы все дружно затащим.

Есть такое понятие, "стехиометрическая топливная смесь" - это такое соотношение бензина к воздуху, которое обеспечивает полное сгорание топлива без остатков. Идеальная смесь это 14.7 частей воздуха на 1 часть бензина. Все, что ниже - богатая смесь (воздуха меньше, чем надо). Все, что выше - бедная смесь (воздуха больше, чем необходимо).
Чем богаче смесь - тем медленнее она сгорает. Соответственно, чем беднее смесь - тем быстрее горит.
Чем беднее смесь - тем выше температура выхлопных газов, она же EGT - exhaust gas temperature.

А еще смесь нужно поджечь. Чтобы она сгорела и толкнула наш поршень вниз. Смесь сгорает не прям сразу одномоментно - точнее, нам с нашим восприятием так кажется. А на самом деле, смесь сгорает постепенно. Так вот, оптимально когда пик давления, создаваемого сгоревшей смесью, приходится на 17 градусов после Верхней Мертвой Точки...
Какие градусы?

Правильно. Мы помним устройство нашего коленвала:


Коленвал вращается вокруг собственной оси. То есть один оборот коленвала составляет 360 градусов. Соответственно, верхняя мертвая точка нашего поршня будет на уровне 0 градусов поворота коленвала. Нам нужно толкнуть поршень вниз. То есть надо поджечь смесь таким образом, чтобы она не сгорела слишком рано - тогда поршень, поднимающийся к ВМТ, "упрется" в давление выхлопных газов, и нашему моторчику будет плохо. А если смесь начнет сгорать слишком поздно - когда поршень уже убежит вниз - выхлопные газы не создадут должного давления на поршень и моторчик потеряет мощность.

Вот так и настраиваются в моторчике Углы Опережения Зажигания. То есть такие углы поворота коленчатого вала, при которых давление выхлопных газов на поршень будет оптимальным. И чтобы настраивать эти углы - необходимо знать угол поворота коленвала. А найти их нам поможет Датчик Положения Коленчатого Вала, или же ДПКВ.
Как это работает? Вот наш моторчик, внизу шестереночка коленвала:


Посмотрим поближе на самый низ моторчика:


Слева в нижнем углу - наш генератор. А циферками отмечены:
1. Сам датчик положения коленвала.
2. Зубчатое колесико, которое прячется за шестеренкой ремня ГРМ. У этого колесика не хватает одного зубчика. Вот по отсутствующему зубчику - наш датчик и ведет отсчет угла поворота коленвала.

Зная расположение шатунных шеек на самом валу и угол его поворота - компьютер нашего моторчика определяет положение каждого поршня в своем цилиндре. И от этого положения рассчитывает такты, когда нужно будет прыснуть смесю и поджечь ее искоркой от свечи зажигания.

ЛЯМБДА. Она же Широкополосный Лямбда-Зонд (ШЛЗ), она же кислородный датчик. Как понять, какая смесь сгорела в нашем моторчике? Взять и померить количество остатков кислорода. Если в выхлопных газах кислорода много - значит смесь была бедной. А если мало - значит, богатой. Вот эти остатки кислорода и считает широкополосный лямбда-зонд, также называемый кислородным датчиком. И по его показаниям компьютер моторчика корректирует смесю, в соответствии с соотношениями, прописанными у него в топливных картах - там для каждой величины оборотов моторчика написано, какую смесь надо дать:


Engine speed RPM - обороты нашего моторчика.
Air/fuel ratio - наша смесь, соотношение воздуха и бензина.

А еще есть такая же штучка, но для углов зажигания. Здесь мы видим, что там, где на высоких оборотах смесь становится очень богатой - угол зажигания уходит вообще в отрицательную зону, до верхней мертвой точки...


...У нее толстый радиатор, фронтальный кулёк и буст-ап на килограмм. И все это настроено на Мегасквирте, извини за выражение...
(c)Конфетка и Лед


Вот такая штучка позволяет очень сильно испортить себе жизнь... но иногда и облегчить:


А хотите напугаться?


Это всего лишь настройка зажигания. На полноценном, профессиональном компьютере, их еще называют "тюнь-мозг". По центру вверху окошко "fuel map" - та самая топливная карта, "dwell vs rpm" - задержка (да, у моторчика и задержка бывает) искры, то есть время искрообразования. Дело в том, что свечке для того чтобы высечь искру - нужно взять заряд с катушечки. А катушка не может сама по себе нон-стопом фигачить заряд, она его накапливает и отдает свечке - то есть вот оно, наше время искраобразования; для обычных катушек оно будет около 2 милисекунд, больше 2,5-3 милисекунд - там уже начинаются тюненые катушки, усилители зажигания...
Зачем настраивать зажигание? Чтобы получить искорку ровно тогда, когда нам надо. Чуть раньше - заряда не хватит, моторчик начнет "троить", пропускать зажигание; передержать заряд в катушечке - так она сгореть может...

- Я это к тому, что она уже тогда знала, где можно хорошо выправить кузовню, и сделать буст-ап. И знала, как именно это сделать, без присосок и обманок, на нормальных тюнь-мозгах, - подвел итог Босс. - Так что твоя блондинка отнюдь не такая простая девочка, какой старается казаться...
(c)Конфетка и Лед

И теперь мы подошли к ДД - датчику детонации.
Детонация - это когда топливная смесь не сгорает, а взрывается. Почему это может произойти?
У моторчика есть еще две величины - это степень сжатия и компрессия цилиндра.
Степень сжатия это величина, на которую сжимается топливная смесь когда наш поршень движется от нижней мертвой точки к верхней.
Компрессия - или же давление такта сжатия - это давление в камере сгорания, когда поршень уже дошел до ВМТ.
Почему эти величины все-таки отличаются?
Потому что в процессе хода поршня, в такте сжатия - давление постепенно увеличивается, а рост давления дает прирост температуры. То есть на конечную величину давления такта сжатия влияет рост температуры в процессе сжатия. Если бы этого влияния не было - тогда эти величины были бы равны.
Но это не суть. Суть в том, что в процессе сжатия у нас растет температура и давление.
Вернемся к углам и смеси. Бедная смесь сгорает быстрее. Если по каким-то причинам у нас смесь стала беднее при тех же углах - у нас пик давления сдвинется к ВМТ, снизу еще поршень подойдет - это давление увеличит, и тогда смесь начнет взрываться. При нормальном горении скорость распространения пламени где-то 10-15 метров в секунду. Но при детонации она будет около 1500-2500 метров в секунду. То есть внутри моторчика, по стенкам цилиндра и поршню пойдет самая настоящая ударная волна, сопровождаемая ростом температуры. При детонации поршни начинают прогорать и плавиться.


У людей, которые плотно занимаются мощными, наддувными моторами - есть такое очень образное выражение:

Положить мотор на кривых углах

***

...Температура во впуске продолжала расти. Наверное, стоковый МАП все-таки не увидел наддув в районе килограмма и на верхах сам о том не подозревая беднил смесь. Зажигание не попадало в оптимальный угол, от чего росла температура в камерах сгорания. В какой-то момент Индра бросила взгляд на два будильничка, показывающих данные с ЕГТ-сенсоров в передней и задней секциях ротора, вильнула в крайнюю правую полосу и сбросила скорость. Высокая температура выхлопных газов накаляла горячие части турбин и еще сильнее грела нагнетаемый во впуск воздух. Для полного счастья оставалось дождаться звона с датчика детонации, тогда будет уже поздно что-то предпринимать. Можно, конечно, попытаться дожать этот заезд, и прийти к финишу первой, но скорее всего мотор ляжет раньше, а капиталить ротор не хотелось...
(с)Конфетка и Лед

Датчик детонации "слушает" наш моторчик на предмет обнаружения характерных призвуков - когда пальчики в поршнях начнут дрожать, с таким звуком "цык-цык-цык".

***

Мы поговорили про то, как дышит наш моторчик, как он переваривает смесечку - а вот как он получает бензинчик, мы так и не затронули. Но это совсем просто.

И настал день шестой.И пришел слесарь Михалыч, и сказал что-то неразборчивое. И стал карбюратор.
Карбюратор изобрели где-то в 1890-ых годах, и без каких-то радикальных преобразований он просуществовал аж до конца 1970ых годов. Предназначение у карбюратора было предельно простое - карбюрация, то есть смешивание паров бензина с воздухом и подача их в моторчик.
Карбюратор выглядит вот так:


Больше вы скорее всего никогда карбюратор не увидите, если только не увлекаетесь всерьез машинками 60-70ых годов. О продукции волжского автотазостроения не упоминаю намеренно - они попаданцы. Они к нам попали из альтернативной реальности, поэтому последние лет 50 технического прогресса прошли мимо них.
Что надо знать про карбюратор? Что единственным его достоинством было очень хорошее образование смеси на высоких оборотах, из-за большой длины впускного тракта. Поэтому пик мощности карбюраторных моторов находится наверху.

Как не сказать? Вот это - Nissan Datsun 240Z Fair Lady. Был в свое время (80-90ые года) в Японии клуб нелегальных гонщиков Полночь. Дубасили они по трассе Ванган от Йокогамы до Ичикавы, через Токио. Суть была в том, чтобы достичь наибольшей скорости. Ходила легенда, что есть синяя "дьявольская Зед" 240Z, на 6-цилиндровом моторе с 3 карбюраторами, мощностью под 700 сил...





Правда это или нет, сейчас трудно сказать - много времени прошло, и история клуба Полночь поросла мифами. Но как бы то ни было, у воспетой легендами синей дьявольской Зед существовал реальный прототип. Это Ниссан 280Z, доработанный фирмой ABR. По иронии судьбы, эта машинка уже имела не карбюраторный, а инжекторный мотор. Свои 341 км\ч настоящая дьявольская Зедка развивала, что по тем временам (на минуточку, на дворе шел 1979 год) было очень много.






В 1979 году Тойота разрабатывает мотор 1G EU - и начинается эра инжекторов и электронно управляемого впрыска. Собственно, инжектор мы уже рассмотрели в первой части. Это ни что иное, как наши форсуночки вот с этой картинки:


Заметили? Меняются какие-то части, совершенствуются элементы - но нас это уже не пугает, мы знаем принцип, по которому все это работает.

Инжектор можно разделить на две системы - распределенный впрыск и непосредственный впрыск.
Распределенный впрыск - у нас форсуночка стоит перед впускным клапаном.
Непосредственный впрыск - форсуночка робко заглядывает в сам цилиндр, и распыляет бензинчик прямо в камеру сгорания.

Вот тут очень хорошо представлена суть нашего инжектора:


Форсуночка распыляет прямо в камеру сгорания. Видите, какой факел распыла? Справа две картинки - вид сверху и сбоку.

Проблема непосредственного впрыска - слишком малое время на образование смеси. Поэтому на высоких оборотах при прочих равных условиях непосредственный впрыск сливает распределенному. А распределенный - сольет карбюратору.

Вот теперь мы наконец-то разобрались в достаточной мере с моторчиком, мы знаем как он воспринимает окружающий мир, как взаимосвязаны между собой все эти нюансы - смесь, углы зажигания, температуры, давления...
И после всего этого мы сможем перейти к мощности моторчика - посмотрим, откуда она берется, из чего состоит и как ее можно увеличить. Но это будет уже совсем другая история...

А с вами была ваша драгоценная Блондинка Мила, наши чудесные автомобильные моторчики с их циклами и задержками, и снова сонная утренняя Испания, 04:30 по местному времени. Всем смесь 10.5 при 7000 оборотов.