Воздух в цилиндрах позволяет двигателю быстрее сжигать топливо и, соответственно, вырабатывать большую мощность. Идея использования турбины заключается в том, чтобы максимально увеличить мощность, улучшить топливную экономичность автомобиля и снизить выбросы углекислого газа в окружающую среду.
Разбудить ураган: как правильно форсировать турбомотор
Атмосферный двигатель нагнетает воздух в цилиндры за счет вакуума, создаваемого при движении поршня к нижней мертвой точке. В большинстве случаев давление в цилиндре в конце такта впуска немного ниже атмосферного. Это количество воздуха, используемое для работы двигателя. В двигателе с наддувом воздух сжимается до определенного давления на входе в цилиндр, поэтому в цилиндр попадает больше воздуха, чем в двигателе со свободным всасыванием. Больше воздуха — больше кислорода, а значит, больше сожженного топлива и больше мощности при том же рабочем объеме поршня (или более компактный двигатель при той же мощности). Поскольку воздух нагревается в компрессоре, желательно снизить его температуру перед тем, как он попадет в цилиндр. Для этого используется специальный охладитель — интеркулер. Существует несколько типов нагнетателей — как с коленчатым валом, так и с валом давления, но нагнетатель является самым распространенным. Последний использует энергию выхлопных газов для привода центробежной турбины, а центробежное компрессорное колесо на том же валу обеспечивает сжатие воздуха перед его подачей в цилиндры.
Как видите, конструкция двигателя с турбонаддувом сложнее, чем у атмосферного двигателя. Это первый недостаток турбодвигателей.
Что такое турбонаддув
Человек за рулем, даже если он не очень хороший механик, имеет представление о том, как работает автомобиль. Мощность, измеряемая в лошадиных силах, — это способность двигателя преобразовывать топливо в движение и скорость. А это важный элемент, когда речь идет об эффективной, качественной и экономичной эксплуатации автомобиля.
На практике это работает следующим образом: Каждый быстрый автомобиль силен, но не каждый сильный автомобиль быстр. Это связано с тем, что чем тяжелее автомобиль, тем больше энергии он потребляет для движения.
Турбонаддув (нагнетатель или турбинная система двигателя внутреннего сгорания) — это способ увеличения мощности двигателя путем использования нагнетателя для всасывания большего количества воздуха в камеру сгорания и его сжатия, тем самым увеличивая мощность сгорания и увеличивая скорость автомобиля независимо от его веса.
Низкая надежность
Двигатели с турбонаддувом состоят из большего количества компонентов, а надежность системы с большим количеством компонентов всегда ниже, чем надежность более простой системы. Более высокая эффективность на литр дает большую нагрузку на компоненты. Кроме того, строительные материалы, используемые в автомобильной промышленности, обычно дешевы. Это не аэрокосмическая промышленность …
Каково давление в цилиндре во время сгорания?
В турбокомпрессоре, например, есть система контроля давления нагнетателя, которая иногда заедает и выходит из строя. На автомобиле Volkswagen Golf шток перепускного газового клапана уже дважды, на 80 000 и 100 000 миль, полностью терял свою подвижность в обход турбины.
Как турбомоторы победили атмосферники
Тюнинг атмосферных нагнетателей долгое время был очень популярен, поскольку в автоспорте наддув был запрещен как «обман» для увеличения производительности, вот только к гражданским автомобилям он практически не применялся. Но к концу 1990-х годов все изменилось. Двигатели с турбонаддувом уже прочно обосновались под капотами роскошных и спортивных автомобилей, а затем, после полного отсутствия этой причуды, и под капотами малолитражных автомобилей.
Сейчас атмосферные двигатели просто исчезают в Европе. Кроме того, двигатели объемом более 1,6 литра не предлагаются для D-класса. Турбонаддув стал массовым явлением, к которому вольно или невольно присоединяются все европейские покупатели автомобилей. Конечно, можно купить японские. Но стоит ли оно того? Но «турбо» хорошо справляется и с нормальной работой, особенно в тюнинге.
Давайте посмотрим правде в глаза. Стоимость тюнинга атмосферных двигателей не оправдана. Значительные инвестиции приводят к увеличению мощности, но в то же время внешняя характеристика двигателя — WHP — становится крайне неприятной в управлении, поскольку двигатель вынужден много «крутиться».
Неудивительно, что большинство современных двигателей с высоким уровнем турбонаддува предпочитают быть турбированными. Атмосферный тюнинг двигателя остается только там, где турбонаддув все еще запрещен — например, в некоторых категориях автоспорта. Когда нет ограничений, этот метод имеет подавляющее преимущество.
Общий смысл турботюнинга
В двигателе с турбонаддувом мы получаем мощность и, соответственно, крутящий момент за счет воздушной массы. Вы, вероятно, уже знаете, что мощность — это расчетная величина, которая зависит от крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала, поэтому вы легко можете сделать вывод: Если крутящий момент есть, то скорость не нужно увеличивать. Поэтому группа световых поршней, как и atmos, нам здесь не нужна.
И даже если требуется высокая скорость… Вам нужно только усилить конструкцию — снизив мощность, высокие обороты все равно возможны, а такое усиление не закрыто. Поскольку нагрузка на двигатель с турбонаддувом больше, конструкция максимально усилена, так как ему приходится передавать больший крутящий момент.
Это означает, что нам нужны усиленные стальные шатуны, которые хорошо выдерживают скачки зажигания, а также усиленные поршневые пальцы и кованые поршни, которые выдерживают высокий тепловой поток и нагрузки.
Высокие нагрузки требуют хорошего охлаждения, поэтому полезны более толстые поршневые кольца, более толстая поршневая коронка, более высокий пламенный пояс, усиливающие вставки и более мощные масляные форсунки.
Клапаны, особенно выпускные — особенно жаропрочные клапаны, наполненные натрием, а не те, что сделаны из титана — будут «течь» при таких нагрузках. Максимум специального керамического металла в гоночных конструкциях — сохраняет температуру лучше, чем металл, и выдерживает высокие механические нагрузки.
Часто приходится усиливать и сам блок цилиндров, особенно в нижней части, которая непосредственно воспринимает нагрузку от коленчатого вала и коробки передач. Коленчатый вал играет особую роль. Он должен выдерживать высокие нагрузки, горячее масло и деформацию блока под нагрузкой, что означает, что он должен быть построен с очень большим запасом прочности.
Все это кажется довольно сложным, многие элементы должны быть усилены — гораздо больше, чем при увеличении оборотов двигателя. Но если учесть, что нагрузка на поршневую группу увеличивается квадратично с ростом оборотов и линейно с давлением наддува, и только поршни становятся жестче, это того стоит. Сделать это тривиально проще. А двигатель с турбонаддувом «free-flow» часто уже оптимизирован по этим параметрам, поэтому дальнейшее форсирование требует только дополнительных работ с очень значительным увеличением мощности. Есть причина, по которой чип-тюнинг так популярен и эффективен.
Итак, мы закончили с утюгом. Но как насчет всасывания? Помимо общего улучшения очистки, конструкция практически проста. Эффект резонанса играет определенную роль, но он не имеет большого значения, когда вы находитесь «на тяге». Требуется точная настройка для достижения максимальной экономичности или максимальной мощности, если есть ограничения по коэффициенту наддува или типу используемых турбин.
Турбокомпрессор и соответствие его характеристик двигателю в первую очередь отвечают за степень наполнения, как и точность настройки во всех режимах работы двигателя. Впускные отверстия находятся в центре внимания: правильный «вихрь» в камере гораздо важнее, чем наилучшее наполнение. Потому что это обеспечивает лучшее сгорание, меньшее зажигание, более высокую степень сжатия и большее давление наддува. Поэтому мощность будет выше. Потерями на впуске можно пренебречь — турбина будет переполнена.
Детали, которые мы поменяем
Если вы хотите увеличить мощность на 30-50%, вам понадобится новая турбина для наддува на высоких оборотах, хороший интеркулер и модификация топливной системы в дополнение к чип-тюнингу. Оборудование двигателя обычно проектируется с запасом, его можно не трогать.
Но если вы хотите удвоить или даже увеличить отдачу, вы вряд ли сможете сделать это без замены блока цилиндров, шатунов и коленчатого вала. Это будет скорее постепенная замена почти всех деталей двигателя на более прочные.
Но что, если вы ожидаете увеличения от 50 до 80 процентов? Тогда это не так уж плохо, но вам придется позаботиться о некоторых металлических работах. О коленчатом вале уже было сказано, что его необходимо усилить, улучшив охлаждение.
Сам блок цилиндров может остаться в стандартной конструкции, но его придется усилить, для чего будут приняты специальные меры по его подготовке. Если конструкция блока представляет собой так называемый open-d eck, т.е. с открытой рубашкой охлаждения цилиндров, необходимо установить термические ребра жесткости — элементы, повышающие жесткость блока и соединяющие цилиндры с внешним корпусом блока, или даже специальную усиливающую пластину. Сами цилиндры могут быть отлиты из высоколегированного чугуна, который является более прочным и химически стойким.
Специально подготовленный блок цилиндров может иметь большую жесткость за счет большей высоты стенок. Болты коленчатого вала становятся толще, а резьба в блоке цилиндров — прочнее.
Головка блока цилиндров также была тщательно модифицирована. Все компромиссы стоковых компонентов были устранены, а впускные и выпускные отверстия были просверлены для достижения оптимальной мощности и крутящего момента. Поток жидкости в головке блока цилиндров оптимизирован, а направляющие клапанов и седла клапанов изготовлены из усиленных материалов с повышенной точностью и индивидуальным контролем.
С увеличением давления и температуры в камере сгорания нагрузка на прокладку головки блока цилиндров возрастает многократно, поэтому она должна быть изготовлена полностью из металла. И он должен быть очень плотно подогнан. Герметичность газовой тяги можно гарантировать только при переходе на шпильки — они прочнее сидят в блоке цилиндров и меньше деформируют резьбу при затяжке. Для улучшения прилегания газа в головке цилиндра также создаются канавки для одноразовых медных уплотнительных колец или буртик в гильзе для надежной фиксации стальной прокладки.
Шатуны также должны быть снабжены болтами, если ранее использовалась версия с болтами. Логика та же, что и для болта головки цилиндра: меньше перекосов при затяжке и лучшее поведение резьбы при высоких нагрузках.
Полный список модификаций даже на изначально турбированном двигателе может показаться гораздо длиннее, на самом деле максимальная мощность может превышать 1 000 сил на первоначальных 200, а ресурс двигателя определяется самым слабым звеном.
При высокой степени усиления количество элементов, которые остаются неизменными, стремится к нулю.
Конечно, качество установки и подготовки элементов должно быть максимально высоким, поэтому серьезный тюнинг — дело очень дорогое. Сложные сплавы и высокоточная обработка, точный расчет деталей вряд ли когда-нибудь станут дешевле.
Порог наддува.
Порог наддува — глоссарный термин, по сути, означает наименьшую частоту вращения двигателя в минуту, при которой турбокомпрессор (при полностью открытой дроссельной заслонке) может создавать давление наддува. Ниже этой скорости турбокомпрессору просто не хватает энергии выхлопных газов для достижения скорости компрессора, необходимой для создания более высокого, чем атмосферное, давления во впускном коллекторе. До достижения порога наддува кривая крутящего момента двигателя остается практически такой же, как и у атмосферного двигателя. При дальнейшем ускорении двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой гонщик ощутит значительное увеличение мощности выше порога наддува, поскольку кривая крутящего момента направлена вверх. Если дроссельная заслонка открыта не полностью, нагнетатель не вносит вклад в кривую крутящего момента, и ускорение происходит так же, как и у двигателя с естественным всасыванием. На кривую крутящего момента перед порогом наддува иногда может влиять неадекватное снижение степени сжатия (объем камеры сгорания плюс рабочий объем цилиндра, деленный на объем камеры сгорания), что вызывает помехи при отсутствии давления наддува на низких оборотах двигателя.
В этот момент становится очевидным, что некоторые производители автомобилей совершили серьезную техническую и экономическую ошибку, не установив соответствующие интеркулеры для адекватного охлаждения всасываемого воздуха. Это позволило бы использовать более высокую степень сжатия, что сделало бы двигатель более отзывчивым на низких оборотах. Если вы решили купить автомобиль с турбокомпрессором, спросите дилера об эффективности интеркулера (конечно, только после того, как спросите, есть ли в автомобиле интеркулер). Можно предположить, что эластичность на низких оборотах чистая, если автомобиль оснащен интеркулером и степень сжатия составляет 8-10.
Судить о качестве системы турбонаддува только по наличию низкого предела наддува — серьезная ошибка. Трудно доказать, что положительное давление наддува на низких оборотах двигателя — это плохо, но легко доказать, что это низкое давление наддува, достигаемое за счет меньшей турбины, является потенциальной проблемой, связанной с более высоким противодавлением выхлопных газов. Тщательно спроектированная система, в которой все параметры должным образом учтены, будет создавать хорошее давление наддува на низких оборотах, и это может быть только положительным фактором.
Диаграмма увеличения крутящего момента для малых, средних и больших турбокомпрессоров на одном и том же двигателе.
Маленькие турбины часто вызывают неприятный отклик при небольшом открытии дроссельной заслонки. Это, несомненно, влияет на эластичность двигателя, так как небольшое движение дроссельной заслонки вызывает быстрое и, как правило, нежелательное увеличение давления наддува, что сказывается на плавности работы автомобиля. Это иногда заставляет пассажира думать, что водитель нервничает и ведет себя беспокойно. Эта небольшая прибавка часто дает водителю надежду на то, что автомобиль полетит при полном открытии дроссельной заслонки. Вместо этого он с сожалением понимает, что этот всплеск был всем давлением компрессора, и ему удается обнаружить лишь небольшое «дыр-р-р-р».
Задержка.
Обсуждение турбин редко проходит без упоминания задержки турбины. На самом деле, собеседники редко говорят о задержке. Как правило, говорят о пороге усиления. Прочитайте определения задержки, порогового усиления и инжективности в глоссарии. Для турбокомпрессора задержка означает, как долго нужно ждать давления наддува после открытия дроссельной заслонки. Поэтому, по определению, он не является полезным явлением. Но задержка не имеет ничего общего с приемистостью. В этом случае приемистость так же важна для турбодвигателя, как и для двигателя с естественным всасыванием. Ситуация сводится либо к некоторому замедлению и огромному увеличению крутящего момента, либо, наоборот, к отсутствию замедления и отсутствию увеличения крутящего момента. Если у вас нет замедления, у вас нет тяги. Поэтому нельзя ожидать значительного увеличения крутящего момента. Замедление уменьшается по мере увеличения оборотов двигателя. Хотя отставание может длиться секунду или более на низких оборотах двигателя, оно фактически исчезает, когда давление наддува увеличивается примерно до 4 000 об/мин или более. Например, при правильно спроектированной системе нагнетателя давление наддува всегда следует за положением педали акселератора при более чем 4 000 об/мин. Реакция здесь практически мгновенная.
Форма кривой крутящего момента двигателя с турбонаддувом значительно отличается от кривой крутящего момента двигателя с естественным всасыванием. В двигателях с турбонаддувом пик крутящего момента фактически всегда приходится на более низкие обороты двигателя. Сравните характеристики всех известных двигателей и придите именно к такому выводу. Чем больше атмосферный двигатель подвергается турбонаддуву, тем больше он отличается от турбированного двигателя. Для водителя это означает, что ему не нужно разгонять двигатель с турбонаддувом, чтобы ехать быстрее. Этот логический вывод резко противоречит распространенному мнению, но это факт.
Сравнение значений замедления малых, средних и больших турбокомпрессоров.
Горячий и холодный запуск часто представляется проблемой для двигателей с высоким ускорением. В какой-то степени это относится и к системам с турбокомпрессорами и карбюраторами, но такие системы встречаются очень редко. Системы впрыска топлива зависят исключительно от показаний датчика температуры при холодном и теплом запуске и работают полностью автоматически. Холодный запуск является проблемой для двигателей с низкой степенью сжатия. Если двигатель без нагнетателя имеет проблемы в этом отношении, то вполне вероятно, что он будет иметь те же проблемы с нагнетателем, поскольку нагнетатель не влияет на эти температуры и электронику. В любом случае, эта трудность не имеет никакого отношения к турбо.
Все ли турбины поддаются тюнингу?
— Бензиновые турбокомпрессоры лучше подходят для тюнинга, дизельные турбокомпрессоры — хуже. Это связано с тем, что дизельный турбокомпрессор без проблем проходит стадии 1 и 2, в то время как третья стадия исключается из-за механизма изменяемой геометрии выхлопного потока. Это ограничивает поперечное сечение и пространство для бурения», — говорит инженер.
— С бензиновыми турбинами все немного проще. Конструктивно они имеют больший потенциал, если это «серьезные» турбины, чем, например, в двигателе 1.4 TSI. Турбокомпрессоры, установленные на более мощных двигателях, позволяют увеличить потенциал на 40 процентов. Все зависит от желания клиента, поскольку любое заметное увеличение мощности требует модификации автомобиля. Сначала нужно наполнить смесь топливом. А затем вы можете снова увеличить EGT. Если оставить холодную трубу змеевика прежнего размера, но увеличить колесо на ней, то большое количество воздуха начнет сжиматься, расширяться и нагреваться, выходя из трубы змеевика. В результате вам придется установить на свой автомобиль более мощный интеркулер или выбрать другое решение для предотвращения искрообразования.
Про моторы
— Современные двигатели уже достаточно «раздуты», в них заложен почти весь потенциал мощности. Однако, например, любой агрегат (даже атмосферный) можно наддувать до 0,4-0,6 бар. Это не абсолютный показатель, в этом диапазоне усилия зажима просто не увеличиваются. С модификациями реально достичь 1,4-1,6 бар.
— Эксклюзивные модели, например, с двигателями DAZA от VAG, современные 2.5 TFSi, имеют хороший потенциал, но опять же, вопрос только в том, где взять тепло. Двигатели BMW неплохие, они поддерживают тягу, но есть одна проблема — положение турбокомпрессоров в кривой блока. Здесь еще сложнее справиться с повышением EGT. Все тепло накапливается в повороте, а затем машина начинает дросселировать и говорить: «Я не хочу никуда ехать».
— У нас был интересный опыт тюнинга BMW для Литвы. Мы установили колеса 30/71 GTX на стоковые винты, и машина поехала! Действительно, как дизельный двигатель. Он легко преодолел более четверти мили со старта, но не смог разогнаться быстрее. Мы пытались снизить EGT с помощью метанола, мы перепробовали все возможные способы охлаждения двигателя, но из-за отсутствия потока в сапуне температура быстро повышается, когда автомобиль полностью опущен, и ЭБУ ограничивает мощность, чтобы не повредить двигатель, — вспоминает эксперт, — но старым проверенным японским двигателям (JZ или 4G63) все равно! Есть примеры, когда люди делали это на протяжении веков. Мощность двухлитрового двигателя Mad Max составляет 700-800 л.с. Конечно, всегда возникает вопрос: как долго он будет работать? Но у всех разные цели. Наша задача как экспертов — сохранить жизнь двигателя для клиента. Иногда мы сталкиваемся с безумными идеями, и клиент всегда прав, но иногда стоит разубедить его, предложив альтернативу.
— Например, известна история с компанией Honda. Все слышали о системе VTEC, разработанной для атмосферных двигателей. Изменение фазы на высоких оборотах очень сильное, и если мы поместим туда турбину, она создаст «пробку», из которой могут выходить выхлопные газы. Такие двигатели очень чувствительны к высоким температурам, поэтому не следует устанавливать там тракторное зарядное устройство, как в данном случае. Турбинная часть выбранного компрессора должна быть спроектирована таким образом, чтобы она не создавала высокого давления.
Сколько тюнинг даст сил в момент разработки?
— Выходная мощность после настройки зависит от множества факторов. Например, турбокомпрессор Garrett. Каждый турбокомпрессор имеет карту турбонаддува, которая теоретически может быть использована для расчета выходной мощности при определенных значениях. В Интернете есть даже калькуляторы! Но точные цифры предсказать невозможно. Все открывается через опыт, — говорит мастер. — Допустим, вы можете выжать 745 л.с. из двух турбокомпрессоров BMW, установив на них 30/71 GTX. А на динамометрическом стенде, после испарения метанола, двигатель выдает 745 л.с. на определенной скорости. Это можно определить только эмпирически, потому что теории для этого варианта просто не существует, пока кто-нибудь не построит и не опишет его. Я имею в виду, кому придет в голову запихивать 30/71 в крошечные стандартизированные винты?
— Для горячего конца турбокомпрессора BMW компания Garrett максимально увеличила его мощность. Часть турбокомпрессора достаточно мала, чтобы быстрее опустить автомобиль, но достаточно компактна, чтобы турбокомпрессор работал во всем диапазоне оборотов. Все соответствует изгибу блока, ничего не перегревается без изменений в заводской конструкции, автомобиль отлично управляется. При 7 500 об/мин давление наддува начинает падать, соответственно падает и крутящий момент. Но когда вы ставите 71 вместо обычных 60 мм, это на дюйм больше, и вы должны подумать, как вы собираетесь это сделать. Мы понимаем, что нам придется заменить выпускные коллекторы и сварить по-другому, чтобы вывести турбины из стандартного положения. Но это уже совсем другая история! Мы не будем слушать: «Какая у него будет мощность?» Клиент понимает, сколько усилий и улучшений необходимо приложить, чтобы постепенно достичь желаемых показателей.
— Если взять сухие цифры, то увеличение рабочего колеса на 1 мм дает 200 миллибар, нетто до номинального значения. Что делает двигатель при таком давлении, сколько топлива ему нужно для запуска — это больше для тюнеров, которые рассчитывают цифры на основе хода поршня, диаметра, площади, степени сжатия и так далее. Есть такая интересная формула, довольно простая!
Что такое интеркулер
Основная проблема турбины заключается в том, что вдуваемый воздух становится очень горячим. Следовательно, он расширяется. В результате в цилиндры попадает меньше воздуха, и мощность двигателя снижается.
По этой причине производители автомобилей используют интеркулер, который представляет собой охлаждающее устройство. Объем холодного воздуха, поступающего в цилиндры, больше, что приводит к повышению эффективности зарядки. Существует два типа интеркулеров:
- Без промежуточного теплоносителя. Для охлаждения воздуха использует встречный набегающий поток. В основе системы — медные трубы большого диаметра, расположенные в передней части радиатора охлаждения мотора. Как только достигается скорость выше 30 км/час, система начинает работать. Из-за громоздкости, такими интеркулерами комплектуют только большие грузовые автомобили.
- С промежуточный теплоносителем. В системе радиаторов используется тосол, направляемый с помощью электронасоса. Компактность, эффективность и возможность регулировок — преимущества системы. Ее используют повсеместно.
Характеристики и принцип работы интеркулера
Для охлаждения воздуха и увеличения мощности турбины можно использовать интеркулер. В то же время она может помочь уменьшить выброс загрязняющих веществ в атмосферу. Основная функция устройства — быстрое охлаждение воздуха.
Когда температура воздуха снижается до своего естественного значения (температура окружающей среды), это дает замечательный эффект. Это указывает на эффективность интеркулера в 100 %. Более того, воздух, который система забирает с дороги, имеет ту же температуру, что и воздух, который выбрасывается. Но добиться такой эффективности практически невозможно. Поэтому эффективность большинства интеркулеров составляет около 70 %. Этот показатель также считается хорошим.
Тюнинг и чип-тюнинг автомобильной турбины
Увеличить производительность турбины на АЗС можно путем ее тюнинга. В этом процессе специалисты выполняют следующие задачи:
- механическая обработка (полировка) элементов;
- оптимизация производительности колеса компрессора за счет увеличения диаметра;
- многоуровневые балансировочные работы.
- портирование корпуса.
Для повышения эффективности также используется чип-тюнинг: установка электронного блока управления, который изменяет характеристики давления в топливной системе. Хотя этот метод обеспечивает значительное увеличение производительности, он также несет в себе множество рисков — включая повреждение трансмиссии или двигателя. Это важно понимать: Когда производитель предоставляет эту мощность, это происходит по объективной причине. Все «уловки» и попытки увеличить его в итоге обходятся автовладельцам очень дорого.
