Страхи наддува: 5 мифов про турбомоторы
В формулу для расчета мощности входит, например, и частота вращения коленчатого вала. Повышаем обороты — пропорционально растет отдача. Еще в 90‑х годах прошлого века на автомобили Honda ставили двигатели рабочим объемом 1,6 л, развивавшие 160 л.с., то есть 100 л.с. с литра! Но всё это происходило при 8000 об/мин. Очевидно, что конструкция мотора должна быть целиком заточена под такие обороты. И сегодня такой двигатель ни за что не уложится в нормы токсичности.
Другим способом увеличения мощности является повышение степени сжатия. Способ почти неприменим для современных моторов, где она и так очень велика. Но старым агрегатам такой способ подходит. Немного подрезав головку блока цилиндров или изменив поршни, а также перейдя на более высокооктановый бензин, можно немного взбодрить ветерана (сократив его ресурс).
Не забываем и о том, что наддув вовсе необязательно приводится при помощи отработавших газов. Он может быть механическим: еще на довоенных авиационных двигателях применяли приводящиеся от коленвала компрессоры, впоследствии перешедшие на автомобили. А в последнее время получают распространение компрессоры с электроприводом.
2. Атмосферники надежнее и долговечнее. Да, это правда
На лекции в профильном вузе еще в прошлом тысячелетии профессор говорил «Мы, специалисты по автомобильным двигателям, — бедные. Все хорошие конструкционные материалы — в аэрокосмической промышленности да в оборонке, а нам достаются самые простые». С тех пор ничего не изменилось: автопроизводители всё так же экономят на материалах.
Мало того, вмешалась экология: количество блоков из чугуна сильно сократилось, поскольку это производство крайне вредное, вдобавок алюминиевые сплавы легче. Такие блоки и на безнаддувных моторах не особенно долговечны. А ведь при создании версии двигателя с турбонаддувом на базе безнаддувного усиливают коленвал, вкладыши, иногда шатуны, переделывают поршни, но редко модернизируют базовую деталь — блок. Вследствие этого геометрия цилиндров, теоретически не особо стабильная и в безнаддувном варианте, «плывет» ещё быстрее.
3. Турбонаддуву нужны мощные стартер и АКБ. Нет, это не так
Двигатели с наддувом имеют меньший рабочий объем, чем безнаддувные той же мощности. Мало того, у них часто степень сжатия ниже, так как воздух уже был сжат в компрессоре. А пустить малообъемный двигатель с небольшой степенью сжатия по силам даже небольшому стартеру и батарее обычной емкости.
4. Периодичность смены масла от турбонаддува не зависит. Это не так
Масло в наддувном моторе работает не только в самом двигателе, но и в турбокомпрессоре. Причем там оно подвергается действию высоких температур. Улитка турбины на интенсивных режимах движения может нагреваться до вишневого и даже красного цвета. Вместе с тем подшипники турбины чувствительны к содержанию в масле даже малейших посторонних частиц, потому что зазоры минимальны, а нагрузки огромны. Поэтому желательно использовать высококачественные масла и менять их почаще.
Впрочем, разные автомобильные фирмы занимают неодинаковые позиции. Renault, видимо, с целью показать покупателям минимальную стоимость владения даже для наддувного мотора 1.3, который ставится на Duster, Kaptur и Аркану, рекомендует замену раз в 15 000 км. А даже некоторые китайские производители уменьшают пробег между заменами масла на автомобилях с турбомоторами до 10 000 км.
Еще дальше пошла группа Hyundai/Kia, которая на своих моторах T‑GDI велит менять масло через 6 месяцев или через 7000–8000 км. При прочих равных подход мотористов с Востока видится нам более правильным.
5. Подержанный автомобиль с турбонаддувом — это хлам. Не совсем так
Тут многое зависит от марки автомобиля и от его бывшего владельца. Если машина мощная, со спортивной жилкой, то наверняка жизнь у нее не была легкой — брали, чтобы «позажигать». Таких машин следует сторониться.
Некоторые производители в принципе не выпускают двигатели без наддува — например, Volvo. А покупателями могут быть самые разные люди — в том числе и спокойные водители. Поэтому важна диагностика перед покупкой: велик шанс найти вполне живую машину.
На другом полюсе находятся «турбожужжалки» — моторы совсем небольшого рабочего объема и мощности, но с наддувом. Здесь даже спокойные водители вынуждены прилично выкручивать моторчики, чтобы держаться в потоке. Ресурс таких двигателей вряд ли будет высоким.
Степень сжатия против наддува
Обычно пользователи нашего сайта находят эту страницу по следующим запросам:
инерционный наддув , давление наддува турбины , электрический наддув двигателя , механический наддув двигателя , технические характеристики автомобиля , дизельное топливо , степени сжатия , зона завихрения
Степень сжатия против наддува
Теперь давайте рассмотрим отношение степени сжатия и давления наддува. На протяжении многих лет специалисты предлагали различные математические формулы для расчета подходящего давления сжатия при определенном давлении наддува. Но они оказались не очень эффективными.
Во-первых, не учитывалась температура впускного заряда, которая может значительно варьироваться при одном и том же давлении наддува из-за широкого диапазона эффективности нагнетателей (45% для нагнетателей Рутс и до 80% для центробежных нагнетателей) и из-за эффективности промежуточного охладителя (0% без промежуточного охладителя и до 85% с очень эффективным промежуточным охладителем).
Во-вторых, в расчет не принималось то, что различные типы нагнетателей нагнетают давление в коллекторе при различной частоте вращения двигателя. Конечно же, даже незначительное давление наддува, скажем, в 0,3 бар при частоте вращения 1800 об/мин, при использовании нагнетателя Рутс потребует использования более низкой степени сжатия, чем двигатель с турбокомпрессором, в котором давление наддува поднимается до 0,3 бар только при частоте вращения 6000 об/мин.
В-третьих, не учитывался тот факт, что все двигатели разные. Головки блока цилиндров из различных сплавов, четырехклапанные камеры сгорания и кулачки с большими фазами открытия клапанов обычно указывают на то, что двигатель может выдержать более высокую степень сжатия. Чугунные головки блока цилиндров, двухклапанные камеры сгорания, кулачки с маленькими фазами открытия клапанов, карбюраторы или механический впрыск топлива и механический распределитель опережения зажигания указывают на то, что необходимо использовать более низкую степень сжатия.
В-четвертых, в этих формулах не брались в расчет такие переменные, как масса автомобиля, аэродинамические свойства, общее передаточное число, а также расстояние между передаточными числами. Тяжелый автомобиль в форме кирпича с малолитражным двигателем, «медленной» коробкой передач и растянутыми передачами требует более низкой степени сжатия. С другой стороны, легкий автомобиль или, скажем, мотоцикл сбольшим двигателем, с низкими передаточными числами, благодаря которым двигатель быстро разгоняется до максимальной частоты вращения, будет отлично работать при высокой степени сжатия.
Оставив в стороне все эти общие замечания, можно говорить более конкретно. Теперь необходимо определить назначение автомобиля – сферу его эксплуатации. Будет ли он ежедневно использоваться в условиях городского движения или на извилистых дорогах в деревне? Возможно, автомобиль будет часто двигаться по скоростным шоссе или по гоночным трассам в выходные? А может быть, этот автомобиль будет предназначен специально для соревнований?
Если это автомобиль общего назначения, следует учесть несколько факторов. Какой тип топлива наиболее доступен, а также топливо с каким октановым числом вы будете постоянно заливать в бак? Чаще всего выбор падает на топливо с октановым числом 95 по исследовательскому методу, но, если вы живете в регионе, где топливо с октановым числом 91 по исследовательскому методу намного дешевле и доступнее, вы можете остановить свой выбор на более экономном варианте.
Следующий фактор – расход топлива. Сейчас вы можете не отнестись к этому серьезно, но, если вы будете проезжать 100 км каждую неделю, вы захотите «выжать» больше километров пробега из каждого литра топлива. Более высокая степень сжатия означает сокращение расхода топлива. Например, снижение степени сжатия с 9:1 до 8:1 приведет к снижению расхода топлива на 4-5% при движении на крейсерской скорости.
Если вы решили использовать турбокомпрессор, не стоит забывать о технических характеристиках при движении автомобиля. Турбированный двигатель с низкой степенью сжатия не сделает регулярное вождение приятнее. Это приемлемо при движении по скоростным шоссе, но вгородских условиях вы получите больше удовольствия от вождения при более высокой степени сжатия, как минимум 8,5:1, при этом необходимо использовать топливо с октановым числом от 91 и выше.
Как сделать турбонаддув. Часть 3. "Особенности при проектировке и выбор степени сжатия"
При постройке систем с турбокомпрессором, особое внимание стоит обратить на такой параметр, как температура воздуха на впуске. Так, например, при начальной температуре воздуха равной 20°С и избыточном давлении надува 0,75bar температура на выходе из турбины равна 87°С, а на выходе из интеркуллера охлаждается до 40°С. Но большинство из Вас могло наблюдать такую картину при тюнинге, как показана на фото.
Также не раз все видели, как фильтр нулевого сопротивления одевают прямо на вход турбокомпрессора.
Таким образом, в турбину попадает уже горячий воздух из подкапотного пространства. Если многие думаю, что температура там незначительно отличается от температуры воздуха за бортом, то они глубоко ошибаются. Мои замеры, в осенний период, показали температуру входящего воздуха около 60°С. Подставим это значение в расчеты и увидим, что при такой начальной температуре воздуха, температура на выходе из турбины будет равняться уже 136°С и после интеркуллера 55°С и это при условии, что температура вокруг интеркуллера равна 20°С, что также не всегда является таковым. Повышение температуры воздуха на впуске, в свою очередь, всегда негативно сказывается на работе двигателя, его устойчивости к возникновению детонации, что ведет к снижению эффективной мощности. Похожий эффект также проявляется и с увеличением избыточного давления надува, т.к. чем сильнее сжимается воздух, тем выше его температура. Поэтому, особое внимание стоит уделить холодному забору воздуха – это очень важно!
Теперь, постараемся разобраться, наверное, в самом интересном вопросе, а именно в степени сжатия. По-моему убеждения, параметр степени сжатия на практике оказывает результирующее влияние при настройке мотора. Неправильно рассчитанная степень сжатия, или приведет к недостаточной мощности, или к детонации, которая разрушит Ваш двигатель. Также стоит отметить, что детонация не всегда возникает по причине высокой степени сжатия, также и слишком низкая степень сжатия приводит к тем или иным последствиям. Так почему же появляется возможность, практически не меняя конструкции двигателя, увеличить мощность практически в 2 раза?
Разобраться в этом вопросе нам поможет параметр VE (volumetric efficiency). Стоит напомнить, что объемная эффективность двигателя фактически представляет собой кривую крутящего момента. Т.е. другими словами, имея, например, пик крутящего момента на 4000об/мин в этой точке мы имеем и максимальное значение объемной эффективности самого двигателя, связано это, в первую очередь, с конструктивными особенностями. Получается, что если мы изначально имеем на 2000об/мин наполнение примерно равное 85% от максимально возможного, то у нас появляется возможность искусственно, используя турбокомпрессор, например, поднять значение VE в этой точке без каких-либо препятствий. Самое интересное, что, этот параметр зависит только от оборотов двигателя, а конструкция системы впуска-выпуска и параметры распредвала непосредственно определяют значения в каждой точке кривой. Зная это, мы с легкостью можем посчитать необходимый процент увеличения наполнения в любом режиме работы двигателя. Думаю, теперь становиться более понятно, почему увеличивая наполнение, мы не получаем детонации.
Стоит напомнить, что рассчитывая степень сжатия двигателя, мы де-факто принимаем значение, для расчета, исходя из геометрических параметров цилиндра, но вовсе не от фактического наполнения, которое, к тому же и отличается во всем диапазоне работы двигателя. Грубо говоря, расчет этой степени сжатия верен только для одной режимной точки – максимального наполнения. При рассмотрении понятия (DCR) Динамической степени сжатия, из предыдущих статей, мы также убедились, что помимо геометрических параметров (диаметр цилиндра, ход поршня и т.д.), на давление в конце такта сжатия также влияют и характеристики распредвала.
Если для атмосферных двигателей мы разобрались с расчетом, то для двигателей с турбокомпрессором дела естественно обстоят немного иначе. Вопрос заключается в том, как нам учесть эффект наддува дополнительного воздуха? Почитав приличное количество иностранных форумов, наткнулся на следующую зависимость расчетной степени сжатия:
SCRturbo=КОРЕНЬ(P абс)*SCR, где Pабс – абсолютное давление, SCR – статическая степень сжатия
Для примера, рассчитаем этот коэффициент при SCR=9.7 и давлении избытка 0,5бар – получаем значение SCRturbo=11.92. Что дает нам эта цифра. Я практически нигде не встретил зависимости значения полученной при наддуве степени сжатия к применяемому октановому числу топлива. Лишь в одном месте, на основе практических испытаний, было указано, что «…для двигателей, имеющих алюминиевую головку блока цилиндров, а также при применении обычных литых поршней» это значение не должно превышать 12 единиц при использовании 95-98 бензина.
Как я и писал раньше, значение SCR на практике не дает нам какой-то исчерпывающей информации по выбору топлива и фактическому значению давления сжатия. Поэтому, вместо значения SCR, я подставил значение DCR, которое приведено в соответствие с октановым числом топлива, а также учитывающее характеристику распределительного вала. Для данного расчета, учитывая угол закрытия ВК после НМТ 55°, значение DCRturbo=10.80 единиц, что как мне кажется, принимая во внимание максимальное значение 12 единиц для 98 бензина, дает возможность применения бензина, с октановым числом 95. Факт того, что действительное значение VE значительно отличается от фактического объема цилиндра, о чем я писал в начале, позволяет нам в разумных пределах поднимать избыточное давление в точках с меньшим значением коэффициента VE. Грубо говоря, мы подгоняем количество воздуха, поступающее в цилиндр, избыточным давлением примерно на один уровень, тем самым выравнивая полку крутящего момента. В реальности это может выглядеть следующим образом:
При этом график расчетного крутящего момента и мощности в сравнении со стандартом выглядит так:
Как мы видим на графике, полка крутящего момента довольно ровная с 2500 до 5500об/мин, что позволяет нам эффективно использовать такой двигатель в повседневной жизни. Конечно, такой расчет нельзя принимать за «чистую монету», потому как это все-таки теоретический расчет, более достоверную информацию может дать только диностенд, но процент погрешности довольно низкий.
Хочу сразу оговориться, что приведенный коэффициент DCRturbo является пока теорией (гипотезой) основанной на расчетных данных, которую я собираюсь проверить на практике, потому что все это без практики не значит ровным счетом ничего. Для атмосферного варианта, данная зависимость DCR проверена мной лично, на моторе ВАЗ 2111 8кл имеющего значение DCR=9.4, при этом SCR=12.6, угол закрытия ВК 80° после НМТ. Двигатель прекрасно работает во всем диапазоне оборотов на 95 бензине, имеет неплохой крутящий момент, отсутствует какая-либо детонация, даже в летний период при температуре окружающего воздуха +30°. Естественно, применена система забора холодного воздуха. Необходимо всегда помнить о температуре впускного воздуха при настройке не стандартных систем.
Возможно, у кого-то возникнет резонный вопрос, почему максимальное давление наддува ограничено 0.8бар, хотя по турбокарте видно, что данный турбокомпрессор способен создавать 1.5бар избытка уже при 3000об/мин? Как же использовать весь потенциал турбины?
Ведь в теории, находясь в зоне эффективности данного турбокомпрессора GT2056, график мог бы иметь следующий вид:
Коротко отвечу. В данной конфигурации, мы не изменяем никакие геометрические параметры двигателя, а также не применяем систем впрыска водо-метанола (воды), что, конечно же, ограничивает возможность по безопасному увеличению мощности.