Применение турбокомпрессоров, тюнинг турбонадув, чип тюнинг дизеля
Применение турбокомпрессоров началась почти одновременно с производством первых двигателей внутреннего сгорания. Еще в 1885 — 1896 г. Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель проводили исследования по повышению мощности двигателей и снижению потребления топлива путем сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания.
Но мы с Вами рассмотрим процесс повышения мощности двигателя и снижения потребления топлива путем сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания при помощи выхлопных газов.
16 ноября 1905 года швейцарский инженер Альфред Бюши (Alfred Büchi) получил патент № 204630 от Имперского Патентного бюро немецкого Рейха на проектирование "машины сгорания, состоящей из компрессора (компрессора высокого давления), поршневого двигателя и последовательной турбины". Он смог использовать выхлопные газы, выходящие в процессе сгорания, для работы турбины и в то же время позволяющие компрессору сжимать воздух и увеличить его объем в двигателе. Будучи главным инженером научно-исследовательского отдела компании Sulzer Brothers, Альфред Бюши в 1915 г. предложил первый прототип турбодизеля.
Хоть Бюши и первым догадался «сжимать» воздух на впуске в цилиндры при помощи кинетической энергии выхлопных газов, но первое известное практическое применение турбокомпрессора относится к 1910 году, когда экспериментами с газовым наддувом занялась американская фирма General Electric. Спустя десять лет ее турбонагнетателем был оснащен двигатель Liberty биплана Lepere, которому удалось подняться на рекордную по тем временам высоту — 10092 метра.
Еще в 1917 г. ограниченное количество турбонагнетателей было испытано на авиационных моторах в условиях Первой мировой войны. Так французский инженер Огюст Рато с некоторым успехом оснащал турбонаддувом двигатели Renault установленные на различных французских истребителях.
В 1918 году, Сэнфорд Мосс, инженер General Electric, прикомандированных к армии США Air Service и человек с большим интересом к двигателям, считал, что решил проблему потери мощности двигателя на высоте. Вместо проверки своей идеи в воздухе, Мосс предложил тестирование турбокомпрессора на вершине горы. Для этого двигатель монтировался на грузовике и был испытан на горе Пайкс-Пик в Колорадо на высоте 14000 футов (4300 м).
Немного позднее, турбины стали применятся и на судовых дизелях. В 1923 году турбонаддув появился на судовых дизелях немецких пассажирских лайнеров Danzig и Preussen — мощность десятицилиндровых моторов за счет этого удалось поднять с 1750 до 2500 л.с.
Первый турбированный дизельный грузовик был изготовлен в " Schweizer Maschinenfabrik Saurer" (швейцарский машиностроительный завод Saurer) в 1938 году.
До 1950 года турбины использовались преимущественно в промышленности, в судовых установках и в дизельных двигателях железнодорожных локомотивов. В 50-х годах прошлого века компания Caterpillar Tractor Co. поручила компании Garrett, имеющей опыт в металлообработке, разработке уплотнений и подшипников создание системы наддува для двигателей тракторов. В 1953 году прототип турбины Garrett прошел все тесты, проработав безостановочно 1800 часов. Caterpillar заказал 5 тысяч этих турбин для своего нового гусеничного трактора D9. Garrett стал лидером не только американского, но мирового турбостроения того периода.
В 1969 году на гоночной трассе дебютирует BMW-2002 с турбированным двигателем: 280 л.с. с двух литров рабочего объёма впечатляют даже сегодня! Добыть медали помешала ненадежность ТКР того времени: агрегат часто выходил из строя; тем не менее, потенциал идеи был продемонстрирован – в 1973 году на автосалоне во Франкфурте BMW представил уже дорожную версию 2002 turbo. Porsche ответил дорожным 911Turbo и гоночным 911CanAm с двигателем мощностью 1200 л.с.
В 1977 году турбокомпрессором стали оснащать двигатели шведских автомобилей Saab 99 Turbo. Чуть позже начали появляться первые легковушки с турбодизелями: Mercedes-Benz 300 SD (1978 г.), Volkswagen Golf Turbodiesel (1981 г.).
В середине 80-х началось массированное наступление японских производителей на американский рынок. Под капотом автомобилей, даже сделанных в США, все чаще можно было увидеть на турбинах логотипы Mitsubishi, Hitachi, IHI...
Применение наддува
Мощность двигателя с наддувом в значительной мере пропорциональна давлению наддува. Это позволяет ориентировочно оценить значение мощности, получаемое при надуве двигателя, по формуле:
Pek = Pe x (pka / p0)
Где Pek — мощность двигателя с наддувом; Pe — мощность двигателя без наддува; pka — абсолютное давление наддува; p0 — атмосферное давление.
Применение наддува влечет за собой увеличение и тепловой нагрузки на детали двигателя. Решение этой проблемы было достигнуто, путем охлаждения поршней маслом через специальные форсунки со стороны картера, а также установкой жаростойких клапанов.
Система охлаждения рассчитывается на отвод большего количества теплоты. Это достигается установкой радиатора большего размера, а у двигателей с воздушным охлаждением — увеличением количества охлаждающего цилиндры воздуха. В зависимости от уровня форсирования двигателя может иногда требуется и эффективное охлаждение смазочного масла, для этого устанавливаются масляные радиаторы.
Следует иметь в виду, что при отсутствии наддува мощность надуваемого бензинового двигателя, как правило, ниже, чем у двигателя без наддува, который не предназначался для наддува. Основная причина здесь в том, что у двигателя с наддувом для предотвращения детонационного сгорания геометрическую степень сжатия несколько уменьшают.
Вопрос о правильном выборе степени сжатия для двигателя с наддувом имеет важное значение, особенно для бензиновых двигателей. В этой связи необходимо различать степень сжатия: - геометрическую и эффективную.
Что бы понять это, вспомним формулу для определения геометрической степени сжатия, которая имеет вид:
E = ( Vs + Vc ) / Vc
Где Vs — рабочий объем цилиндра; Vc — объем камеры сгорания. Т.е. геометрическая степень сжатия (далее — степень сжатия) представляет собой отношение полного объема над поршнем (при положении поршня в НМТ) к объему над поршнем при положении его в ВМТ.
Компрессоры
Турбокомпрессор позволяет повысить мощность двигателя без значительного увеличения веса самого двигателя. Это обстоятельство сделало турбины весьма популярными как среди автопроизводителей, так и среди энтузиастов тюнинга.
Но принимая во внимание, то обстоятельство, что современные автомобильные двигатели являются высокооборотистыми, дальнейшее форсирование их путем повышения частоты вращения КВ является малоперспективным и может находить применятся лишь на спортивных автомобилях, предназначенных для установления рекордов скорости и не претендующих на массовое производство и долговечность работы.
Второй вариант повышения мощности за счет увеличения рабочего объема двигателя, путем изменения диаметра цилиндра и хода поршня, также имеет ряд конструктивных ограничений, из-за которых не всегда возможно использование таких модификаций.
Остановимся на третьем варианте — увеличение среднего эффективного давления. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.
Обычно давление, создаваемое ТК, находится в пределах от 6 до 8 фунтов на квадратный дюйм (PSI). Так как нормальное атмосферное давление — 14.7 PSI на уровне моря, получается примерно 50-ти процентное увеличение количества воздуха, закачиваемого в двигатель. Из этого следует, что теоретически мы могли бы получить 50% прироста мощности, на практике получаем 30-40%. И причиной этому является сам ТК. Так как он создает сопротивление выхлопным газам при выхлопе и, соответственно, часть мощности двигателя затрачивается на преодоление этого сопротивления.
ТК при работе использует энергию отработавших газов. Принцип работы очень прост. Отработавшие газы, через выпускной коллектор, под давлением, попадают в корпус турбинного колеса, где приводят во вращение турбинное колесо. На вал турбинного колеса жестко установлено компрессорное колесо, которое при вращении, сжимает воздух и подает его во впускной коллектор двигателя. Соответственно, чем большее количество выхлопных газов проходит через компрессорное колесо, тем быстрее оно вращается. Частота вращения вала может доходить до 150.000 об/мин и более.
Характерным недостатком ТК в условиях эксплуатации поршневого двигателя является то, что при низкой частоте вращения КВ подается воздуха слишком мало, а при большой частоте и полной нагрузке, воздуха подается слишком много. Это обусловливает недостаточный крутящий момент двигателя в диапазоне низких частот вращения КВ и проявляется в медленном его реагировании на изменение нагрузки при переходных процессах, например, при резком ускорении. Собственно, задержка, так называемый лаг, проявляется во всем диапазоне частот вращения КВ (на низах больше, на верхах меньше) — это объясняется отсутствием механической связи ротора ТК с коленчатым валом двигателя.
Одним из способов уменьшения задержки является снижение инерции вращающихся частей путем сокращения их веса. Еще один способ снизить инерцию турбины — это уменьшить ее размеры. Маленький ТК быстрее создает необходимое давление в зоне низких частот вращения двигателя, но при этом он не может обеспечить требуемый объема воздуха в зоне более высоких частот. К тому же скорость вращения маленького ТК выше, чем большого, что отрицательно влияет на состояние вращающихся частей ТК.
Большой ТК может обеспечить большое количество воздуха в зоне высоких частот вращения двигателя, но его недостаток — значительная задержка особенно в зоне низких частот.
Большинство турбированных автомобилей имеет wastegate, который позволяет использовать ТК меньшего размера для уменьшения лага, предотвращая его от слишком высоких нагрузок в зоне высоких частот вращения двигателя. Wastеgate — это клапан, стравливающий избыток выхлопных газов в обход турбинного колеса, тем самым, снижая его обороты и предотвращая от чрезмерных нагрузок.
Интеркуллеры
При сжатии в ТК воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжимаемый в нагнетателе воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в холодильнике (интеркуллере), который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.
Особенности тюнинга посредством наддува
Первый, сравнительно простой, заключается в увеличении мощности имеющегося двигателя с наддувом. Второй, более сложный вид, состоит в наддуве двигателя, проектировавшегося первоначально для работы без наддува. Тюнинг автомобиля турбонадув В первом случае можно повысить мощность относительно просто за счет увеличения давления наддува. Определяющим критерием тюнинга здесь является прирост мощности двигателя примерно на 10% при увеличении наддува на 0,1 бар. Но подходить к этому следует, конечно, достаточно осторожно. Без проведения дополнительных мероприятий нельзя рекомендовать повышение давления наддува двигателя более чем на 0,1 бар. Это связано с возможностью возникновения детонации и перегрузок деталей кривошипно-шатунного механизма. Однако давление наддува можно увеличить, например, и на 0,2 бар, если дополнительно установить интеркуллер или заменить установленный стандартный, на интеркуллер большего размера, соответственно увеличив его пропускную способность. При форсировании двигателя за счет наддува возрастает тепловая нагрузка на детали цилиндропоршневой группы и механическая нагрузка на трансмиссию. Поэтому, если не предпринять меры по более эффективному охлаждению наддувочного воздуха и усилению трансмиссии, то даже достаточно мощные двигатели можно форсировать лишь незначительно. В противном случае, такие двигатели нельзя эксплуатировать длительное время с полной нагрузкой.
Второй вид тюнинга, это наддувом безнаддувного двигателя. Трудность такого тюнинга заключается не только в том, что не всегда просто выбрать турбокомпрессор. Помимо этого необходимо конструировать некоторые детали заново или же значительно изменять их конструкцию. И чем больше необходимо поднять мощность двигателя, тем выше, затраты на проведение работ и чип тюнинга дизельного мотора. Подвергаются изменениям или заново проектируются и изготавливаются следующие узлы и системы
- Передача силового потока от двигателя к трансмиссии (сцепление);
- Система выпуска отработавших газов;
- Впускной тракт системы питания, включая приготовление горючей смеси;
- Системы охлаждения и смазки;
- Система зажигания, включая свечи зажигания.
При наддуве двигателя, который первоначально не предназначался для этого, часто необходимо уменьшить его геометрическую степень сжатия e. Уменьшение e возможно за счет применения поршней с уменьшенной высотой от оси поршневого пальца до днища, или за счет более толстой уплотнительной прокладки головки цилиндров, а также за счет увеличения объема камеры сгорания непосредственно в самой головке цилиндров. Прочие мероприятия, например, охлаждение днища поршня путем опрыскивания его маслом из специальной форсунки со стороны картера или усиление поршневых пальцев из-за возрастающих затрат на реконструкцию проводятся очень редко. Часто, чтобы затраты на тюнинг двигателя не превысили стоимости нового турбированного двигателя, отказываются даже от уменьшения степени сжатия. В этом случае для бензиновых двигателей необходимо угол опережения зажигания и давление наддува согласовать с высокой степенью сжатия. При значительном повышении мощности двигателя за счет наддува могут потребоваться значительные изменения ходовой части, тормозной системы и трансмиссии (передаточных отношений коробки передач и главной передачи).
Ориентировочно за верхнюю границу абсолютного давления наддува в зависимости от назначения двигателя можно принять следующие значения:
- Серийные автомобили для обычных дорог: pka=1,4 — 1,8 бар;
- Автомобили спортивные и для ралли: pka=1,8 — 2,5 бар;
- Автомобили для установления рекордов: pka=2,8 — 3,4 бар.
Одним из важнейших направлений в развитии турботехнологий является получение высокого крутящего момента при низких скоростях двигателя. Благодаря глубочайшим исследованиям и постоянному совершенствованию, развитие пульсирующей турбокомпрессии (в противоположность турбокомпрессии при постоянном давлении) достигло высочайшего уровня. Пульсирующая турбокомпрессия, в отличие от турбокомпрессии при постоянном давлении, не требует применения выпускных коллекторов большого размера, это позволяет почти полностью сохранить кинетическую энергию выхлопных газов, выходящих из цилиндров. Так как давление в трубах не постоянно, соединение выпускных коллекторов цилиндров, не сообщающихся друг с другом, возможно только при наличии в двигателе нескольких цилиндров. В 6—цилиндровом двигателе к турбине подсоединены 2 группы, включающие в себя по 3 цилиндра. Выхлопные газы, идущие от разных групп, подаются в турбину отдельно (турбина оснащается двойным входом).
На легковых машинах, в основном, используется выхлопной коллектор, состоящий из одной части, а также турбины с одним входом. В данном случае пульсация выхлопных газов компенсируются при помощи компактной системы труб.
При использовании турбокомпрессии с постоянным давлением, колебания давления гасятся путем установки сравнительно большого выхлопного коллектора для обеспечения прохода большего количества газов с пониженным давлением при высоких оборотах двигателя. Так как двигатель получает возможность выброса выхлопных газов при меньшем сопротивлении, расход топлива при определенных режимах работы снижается. Недостатком данной системы является значительно меньший крутящий момент на низких оборотах двигателя. По этой причине, двигатели с постоянным давлением турбокомпрессии зачастую используются на двигателях, не требующих резкого увеличения крутящего момента для акселерации, например, морские и промышленные двигатели.
Дизельные легковые автомобили хорошо известны своей экономичностью по сравнению с бензиновыми двигателями такой же мощности, уровень выбросов СО2 у современных дизельных двигателей на 25% ниже. Дальнейшее 15% уменьшение расхода топлива было достигнуто на турбодвигателях с прямым впрыском. Развитие этой технологии в будущем позволит обеспечить расход топлива 3—5 л / 100 км, в зависимости от веса машины.
Дизельные двигатели ранних моделей отличались своей низкой мощностью, однако этот недостаток был устранен при помощи установки турбокомпрессоров. Задержка реакции турбины на изменение положения педали газа компенсируется меньшими размерами турбин. Совершенствование процесса сгорания и турбокомпрессия выхлопных газов позволили снизить уровень выбросов CO и СH до уровня, обеспечиваемого трехканальными катализаторами. Уникальные по своей эффективности, дизельные двигатели оснащаются электронной системой контроля, включающей в себя турбокомпрессор. Все эти усовершенствования позволяют дизельным двигателям приобретать все большую и большую популярность во всем мире.
По причине роста интенсивности движения, легковые автомобили проводят большую часть езды при частичной нагрузке. При частичной нагрузке эффективность бензинового двигателя небольшого объема выше, так как меньший объем позволят свести к минимуму потери энергии при работе.
При помощи турбокомпрессии разница в эффективности работы дизельных и бензиновых двигателей была ликвидирована. Использование турбокомпрессии позволяет совместить великолепные характеристики расхода топлива малообъемного двигателя с мощностью обычного двигателя.
Особое внимание к системам смазки и впуска выявляет 2 главные причины поломки турбокомпрессора. Чтобы их избежать, нужно убедиться, что:
- Воздушный и масляной фильтры регулярно проверяются в соответствии с рекомендациями производителя.
- То же самое выполняется и с интервалами обслуживания двигателя.
- Двигатель и оборудование используется так, что это не вредит сроку службы турбины.
Вы можете добиться максимального срока службы турбины, если будете следовать нескольким правилам:
1. Запуск турбины
Когда запускаете двигатель, используйте минимальный газ и держите двигатель на холостых оборотах минимум 1 минуту.
Полное рабочее давление создается за секунды, но оно только позволяет разогнать движущиеся части турбины при условии хорошей смазки. Газовать на двигателе, который лишь несколько секунд назад завелся — значит заставлять турбину вращаться на высоких скоростях в условиях ограниченной смазки. Это может привести к преждевременной поломке турбокомпрессора.
2. После ремонта
После ремонта турбины или двигателя убедитесь, что турбина смазана, добавлением чистого моторного масла до заполнения через входной масляный патрубок. После этого проверните коленчатый вал, не заводя двигатель, чтобы масло начало циркулировать по системе под давлением. Заводя двигатель, дайте ему поработать на холостом ходу несколько минут, чтобы убедиться, что система смазки и подшипники турбины работают удовлетворительно.
3. Низкая температура и редкий запуск турбины
Если двигатель не эксплуатировался некоторое время, или если температура воздуха очень низка, проверните двигатель перед запуском, а затем запустите на холостых оборотах. Это позволяет маслу циркулировать и заполнить систему прежде, чем возникнут большие нагрузки.
4. Выключения
Дайте остыть турбокомпрессору перед выключением зажигания. При нагруженном двигателе турбокомпрессор работает на очень высоких оборотах и при высокой температуре. Быстрое выключение зажигания или «горячее выключение» создает быстрые переходные процессы и перепады температур в турбине и уменьшает жизнь турбокомпрессора.
5. Холостые обороты
Желательно не оставлять двигатель долго работающим на холостых оборотах (более 20-30 минут). При холостых оборотах турбина генерирует низкое давление и возможны протекания паров масла через соединения турбины.
Это не приносит никакого реального вреда для турбины, только придает синий дым к выхлопу двигателя.
Термины
Aftercooler (интеркулер) — промежуточное охлаждение наддувочного воздуха. Применение промежуточного охлаждения в наддувочных системах позволяет не только увеличить мощность мотора, но и понизить температурные нагрузки на двигатель и температуру выхлопных газов, тем самым уменьшить содержание оксидов азота и расход топлива. Применение интеркулера позволяет избежать появления детонации в двигателях с искровым зажиганием. Для охлаждения наддувочного воздуха может применяться охлаждающая жидкость или окружающий воздух. Интеркулер, использующий для охлаждения жидкость, может располагаться в любом месте. Важной характеристикой промежуточного охладителя является коэффициент рассеивания теплоты. Данный коэффициент определяет зависимость между эффективностью охлаждения наддувочного воздуха и разностью между температурами наддувочного и охлаждающего воздуха:
Ф=(t1E-t1A)/(t1E-t2E),
где Ф — коэффициент рассеивания теплоты
t1E — температура наддувочного воздуха на входе
t1A — температура наддувочного воздуха на входе
t2E — температура охлаждающего воздуха на входе
Примерное значение Ф для легковых автомобилей 0,4 — 0,7
Air by-pass valve (воздушный клапан обхода) — перепускной воздушный клапан, с помощью которого поддерживается постоянное давление наддува в системах, работающих в широком диапазоне частот вращения. Обычно такой клапан направляет избыточное количество воздуха или отработавших газов (газотурбинные нагнетатели) в обход нагнетателя.
Air fuel ratio (воздушно-топливное отношение) — соотношение количества воздуха к количеству топлива в воздушно-топливной смеси. Топливо, используемое в двигателях с искровым зажиганием, является более летучим, чем, например, дизельное топливо. Кроме того, смешивание бензина с воздухом до попадания в камеру сгорания занимает больше времени, чем в дизеле. Бензиновые двигатели работают на более гомогенных смесях, которые, кроме того, очень близки к стехиометрическим. В двигателях с искровым зажиганием момент появления искры определяет начало процесса сгорания. Идеальное воздушно-топливное отношение определяется параметрами — 14:7:1.
Ambient temperature (окружающая температура) — текущая температура окружающего воздуха.
Atmospheric pressure (атмосферное давление) — давление воздуха в атмосфере. Единицы измерения: 1мм.вод.ст. (водного столба) = 1кп/м2 = 0,0980665 гПа = 0,1 гПа
Barometric pressure (барометрическое давление) — термин для атмосферного давления. Единицы измерения: 1 мм.рт.ст (ртутного столба) = 1,33322 Па.
Boost (давление наддува) — коэффициент давления наддува соответствует увеличению плотности нагнетаемого воздуха по сравнению с атмосферным давлением. Одним из главных факторов при выборе наддува является вид используемой системы наддува, определяющий возможную степень повышения давления. Эффективность повышения давления максимальна тогда, когда температура сжатого воздуха не возрастает или возвращается к своему первоначальному значению за счет применения интеркулера (промежуточного охлаждения воздуха).
ВTM — Boost Timing Master (регулировка давления наддува) — регулировка системы зажигания в соответствии с давлением наддува для предотвращения появления детонации.
Choke line (снижение эффективности наддува) — данный термин определяет снижение эффективности наддува механического нагнетателя за счет применения неправильных настроек или несоответствующего нагнетателя параметрам двигателя. Например, снижение эффективности наддува может быть вызвано применением неправильного размера шкивов, что может привести к неэффективной работе нагнетателя, либо применение маломощного нагнетателя на двигателях большого объема и т.д.
Compression ratio (степень сжатия) — принцип работы всех поршневых двигателей состоит в сжатии топливовоздушной смеси в цилиндре перед ее воспламенением или во впрыске топлива в горячий сжатый воздух для его воспламенения.
Compressor housing (корпус нагнетателя) — корпус нагнетателя, где непосредственно расположен воздушный компрессор.
Compressor maps (диаграммы компрессора) — графические диаграммы технических показателей работы компрессора.
Density (плотность) — масса, отнесенная к единице объема. Единицы измерения плотности: кг/м3,кг/дм3,кг/л,г/см3.
Detonation, knock (детонация) — нарушение процесса сгорания. Детонация происходит тогда, когда скорость распространения пламени приближается к скорости звука, в основном, ближе к концу процесса сгорания. Когда остаточные газы уже сильно сжаты и имеют высокую температуру. Детонацию характеризует очень высокое максимальное давление. Детонация — нарушение процесса сгорания, приводящее к повреждениям поршней, головки блока цилиндров и т.д. Для того, что бы избежать детонации, момент зажигания устанавливают более поздним. Это ухудшает показатели среднего эффективного давления и сопровождается ростом температуры отработавших газов. В большинстве случаев, регулировка нагрузки в большей части рабочего диапазона осуществляется посредством изменения расхода воздуха.
EFI, Electronic Fuel Injection (электронная система впрыска) — электронная система впрыска топлива. Современные технологии позволяют осуществлять управление функциями впрыска топлива и зажигания посредством единого электронного устройства. Многие из входных сигналов пригодны для регулирования, как впрыска, так и зажигания. Использование единого электронного блока управления повышает надежность системы и позволяет отказаться от использования механического и пневматического регулирования системы зажигания. Микропроцессор (чип) электронного блока управления преобразует поступающую информацию в так называемые параметрические поверхности (трехмерные графические характеристики), которые учитывают действия водителя и нагрузку на двигатель.
Источник: http://dizel.ucoz.com |
