Турбонаддув и промежуточный охладитель

Турбонаддув и промежуточный охладитель

В двигателях, где впервые хотели установить турбонаддув, турбокомпрессор был просто прикручен болтами, однако эти опыты стали настоящим разочарованием. При частоте вращения ниже 3000-4000 об/мин дроссельная заслонка закрывалась под воздействием давления, создавалось такое ощущение, что все свечи зажигания двигателя были покрыты нагаром. Затем, по мере увеличения наддува наблюдалось резкое увеличение мощности, что негативно сказывалось на управляемости, например, было практически невозможно управлять таким автомобилем при движении по скользкой дороге. Это было 30 лет назад, когда турбонаддув только начал использоваться на гоночных автомобилях. Любители тюнинга имели лишь отдаленное представление о принципах работы турбонаддува, однако при этом пытались приспособить его для легковых автомобилей, использующихся в стандартных дорожных условиях. Это не сработало. В то же время большинство производителей автомобилей также занимались разработкой проектов, что в конечном итоге привело к созданию более компактных и легких систем турбонаддува, совместимых с системами управления двигателем, что помогло избежать появления «турбо ям». Большинство автомобилей нового поколения с турбированными двигателями имеют отличную управляемость, однако при незначительных модификациях мощность и технические характеристики могут быть чрезмерно увеличены, превратив их в «фантастические механизмы». Поэтому, прежде чем заниматься тюнингом подобного автомобиля, необходимо досконально изучить предмет и установить точный список проблем, которые необходимо устранить посредством модификации.

Принцип работы турбонаддува достаточно прост, поэтому вы сможете с легкостью разобраться, каким образом с его помощью можно увеличить потенциал двигателя внутреннего сгорания. В целом, мощность двигателя измеряется количеством топливовоздушной смеси, которую он может вместить, а затем сжечь. Турбонаддув представляет собой компрессор или нагнетатель, который способен принудительно увеличивать объем топливовоздушной смеси, поставляемой в цилиндры. При 100% коэффициенте наполнения цилиндра и нулевом разрежении в коллекторе цилиндр объемом 500 см³ может быть наполнен 500 см³ топливовоздушной смеси под воздействием атмосферного давления, 101,4 кПа на уровне моря. Теоретически, если давление наддува на впуске будет на 51 кПа выше атмосферного давления, цилиндр может вместить 750 см³ топливовоздушной смеси, поэтому технические характеристики двигателя значительно возрастут. Следовательно, при движении на средней эксплуатационной скорости облегченный двигатель объемом 2 л будет иметь меньший коэффициент наполняемости, чем стандартный двигатель объемом 2 л, в основном вследствие уменьшенной степени сжатия. Однако во время работы турбонаддува, скажем, при 51,4 кПа, двигатель будет работать как супероблегченный двигатель объемом 3 л.

Турбонаддув состоит из центробежного компрессора, который является частью системы впуска, соединенного посредством вала к турбине, которая в свою очередь подключена к системе выпуска. Таким образом, отработавшие газы приводят в действие турбину, следовательно, их энергия не пропадает зря. В свою очередь турбина вращает колесо компрессора ,которое нагнетает топливовоздушную смесь в двигатель. Концепция работы системы достаточно проста, однако, когда дело доходит до практики ситуация осложняется. Во-первых, сам по себе турбонагнетатель является дорогим, высокоточным и конструктивно сложным устройством. Со стороны выпуска нагнетатель должен выдерживать значительные нагрузки, так как рабочие температуры могут превышать 1000 °С, и в то же время частота вращения турбины может составлять до 100000 об/мин. К тому же, форма и размеры турбины и колеса компрессора а также их корпусов должны быть точно рассчитаны, чтобы обеспечить необходимую реакцию дроссельной заслонки, оптимальные технические характеристики вождения и мощность.

Турбинное колесо турбонаддува приводится в действие отработавшими газами. Будучи присоединенной к валу, колесо компрессора поставляет топливовоздушную смесь в цилиндры под давлением. При максимальном давлении наддува, регулятор давления наддува открывается, поэтому некоторая часть отработавших газов не доходит до турбины. Учтите, что турбина, изображенная на рисунке, является разделенной турбиной импульсного типа с разделенными выпускными отверстиями, использующимися для увеличения наддува на малых оборотах.

Кроме этого, существуют проблемы, связанные с фундаментальными характеристиками компрессора центробежного типа, в частности это то что интенсивность потока возрастает в пропорции равной квадрату его скорости вращения. Следовательно, при малых оборотах, наддув будет незначительным, или его не будет вообще, при этом на высоких оборотах и полностью открытой дроссельной заслонке наддув будет чрезмерным. Именно решение данной проблемы может улучшить технические характеристики на низких оборотах, при этом не сокращая мощность на высоких оборотах, и возможно, не увеличивая расход топлива при движении на высокой скорости, в чем и состоит главный принцип системы турбонаддува.

Эта небольшая система турбонаддува может увеличить мощность двигателя на 30%. Центробежный компрессор, расположенный справа, создает давление в системе впуска. Турбина находится под тепловым экраном. Подача смазки в турбину происходит через питающую трубку, которую можно увидеть в центральной части турбины.

Рассмотрим сначала часть проблемы, касающуюся увеличения наддува на низких оборотах. Очевидно, что модификации, которые ведут к снижению мощности на низких оборотах в атмосферных двигателях, будут иметь тот же эффект в турбированных двигателях. В действительности, в турбированных двигателях ухудшение технических характеристик и экономичности будут намного серьезнее, так как степень сжатия будет на 1-1,5 единицы меньше. Поэтому распредвалы и каналы больших размеров не подходят для турбированных двигателей автомобилей, использующихся в стандартных дорожных условиях. Если объем двигателя составляет 2,3 л и более, не стоит устанавливать распредвалы с кулачками большего профиля чем III. Лично я рекомендую использовать распредвал с кулачками II профиля при частом движении на высокой скорости, и кулачки I профиля, если автомобиль используется в условиях городского движения. В автомобилях с объемом двигателя менее 2 л, отличным решением является использование кулачков I профиля при движении по шоссе и по городским улицам, однако, если большую часть времени автомобиль используется в условиях городского движения, возможно будет лучше не заменять заводские кулачки.

Другим фактором является действительный наддув на низких оборотах. В данном случае, размер турбины и корпуса играют основную роль. Естественно, турбина большого диаметра, которая будет пропускать больше отработавших газов, при этом не снижая мощность на высоких оборотах, достаточно тяжелая, поэтому поток отработавших газов должен быть интенсивнее, чтобы привести турбину в движение и создать давление наддува. Так как интенсивность потока отработавших газов на низких оборотах при закрытой дроссельной заслонке будет ниже, поэтому турбина будет вращаться медленнее. Именно этот промежуток времени между открытием дроссельной заслонки и реакцией системы получил название эффект турбо ям. С другой стороны, турбина маленького диаметра имеет меньшую силу инерции, поэтому создает давление наддува быстрее. Однако, если размеры турбины слишком малы, она будет блокировать поток отработавших газов на низких оборотах, при этом мощность будет снижаться, а расход топлива возрастет. Конечно же необходимо найти оптимальное решение, поэтому большинство производителей устанавливают турбины сравнительно малых размеров, чтобы улучшить технические характеристики, особенно при частоте вращения 1800-4000 об/мин.

Если говорить о выпускном отверстии турбины, критическим размером является отношение между размерами «входа» и «средней» (рабочей) части турбины. Как показано на рисунке, это отношение между областью, где расположено турбинное сопло А и радиусом от центра оси турбины до центра массы входного отверстия. Чем меньше отношение, тем меньше будет пропускная способность отработавших газов, таким образом турбина будет быстрее вращаться при заданной интенсивности потока воздуха. На низких оборотах это будет способствовать выработке оптимальной мощности, однако, если отверстие будет слишком узким, это приведет к образованию обратного давления и большого количества тепла. Большое входное отверстие обеспечивает нормальную пропускную способность отработавших газов на высоких оборотах. Но так как на малых оборотах скорость вращения турбины снизится, давление наддува на низких оборотах также упадет. Следовательно, необходимо найти компромисс, поэтому большинство производителей стараются увеличить наддув на малых и средних оборотах в ущерб максимальной мощности и экономичности.

Отношение размерами «входа» и «средней» (рабочей) части турбины определяется делением значения области турбинного сопла А на радиус от центра оси турбины до центра массы входного отверстия.

Отверстия с маленьким отношением будут способствовать увеличению наддува на малых оборотах, однако максимальная мощность и экономичность снизятся вследствие ограничения потока отработавших газов.

Со стороны впуска или компрессора выбор подходящего размера колеса компрессора и корпуса осуществить гораздо легче. Производители подбирают компрессор под определенный двигатель рассчитывая ожидаемую интенсивность потока воздуха на впуске, затем составляя график зависимости интенсивности потока от давления на основании нескольких графиков характеристик компрессора.. Затем выбирается компрессор, который обеспечивает необходимую интенсивность потока воздуха и давление в зоне эффективности.

Многие любители тюнинга считают, что увеличить технические характеристики турбированного двигателя можно посредством увеличения давления наддува. Однако по многим причинам, это не является решающим фактором. Например, если глушители являются сужающимися, а выхлопные трубы слишком узкие, увеличение давления наддува с 41 до 62 кПа не принесет ожидаемого 15-20% увеличения мощности, так как соответствующая вентиляция не будет обеспечиваться. К тому, увеличение давления наддува приведет к повышению температуры впускного заряда, что само по себе снизит мощность, а также может стать причиной работы двигателя с детонацией. В конечном итоге, мощность двигателя при этом мощность увеличится не более, чем на 10%.

Рассмотрим двигатели, использовавшиеся в гонках CART в США, из которых самой популярной является Индианаполис 500. Согласно требованиям гонок, двигатели автомобилей должны были иметь объем двигателя не более 2,6 л, а давление наддува должно было составлять 62 кПа, однако при этом их мощность составляла примерно 800 л.с. Почему? Не потому что давление наддува было увеличено, а так как системы впуска и выпуска обеспечивали отличную пропускную способность в цилиндрах. Именно поэтому в первую очередь модификации должны быть направлены на улучшение вентиляции двигателя. Подберите систему выпуска подходящего размера и обеспечьте герметичность системы. Например, в турбированном двигателе автомобиля Ford Pinto 2,3 л давление на выпуске должно было составлять примерно 69 кПа, чтобы давление наддува было более 34 кПа при использовании заводской системы выпуска. Перенаправив перепускной трубопровод с выпускного коллектора в систему турбонаддува и установив систему нисходящего потока турбо наддува диаметром 63 мм, можно добиться более ранней активации наддува, даже если давление на выпуске будет составлять всего 41 кПа. При снижении обратного давления цилиндры эффективнее очищались от отработавших газов, что снижало вероятность работы двигателя с детонацией и уменьшало расход топлива на несколько процентов. В противном случае, отработавшие газы способствовали повышению температуры впускного заряда, что могло стать причиной появления детонации. К тому же, необходимо избегать образования утечек в системы выпуска отработавших газов, так как это может стать угрозой вашему здоровью. Я сталкивался с незначительными утечками в системе выпуска отработавших газов, которые становились причиной снижения давления наддува на 14 кПа.

Затем необходимо прочистить головку блока цилиндров, сняв клапан и выполнив обработку нижней части их рабочей поверхности, к тому же необходимо обработать зону закругления впускного и выпускного каналов. Если вы планируете установить новый модифицированный распредвал, все вышеперечисленные обработки также должны быть выполнены перед тем, как изменять давление наддува. после этого можно приступать к модификации системы впрыска и зажигания, что было подробно описано в предыдущих главах. Обратите особое внимание на точную настройку системы зажигания. Турбированные двигатели, слегка пассивные на низких оборотах, могут быть модифицированы посредством увеличения опережения зажигания на низких оборотах. Однако необходимо быть очень осторожным, так как чрезмерное опережение зажигания может стать причиной повреждения поршня. Затем нужно уменьшить передаточное число передачи изменив передаточное число заднего моста. При этом технические характеристики двигателя улучшатся при движении по шоссе и в условиях городского движения. Позже в данной книге будет указано, что при настройке необходимого передаточного числа технические характеристики автомобиля можно значительно улучшить. В особенности, все автомобили с четырехцилиндровыми двигателями, и автомобили с шестицилиндровыми двигателями объемом менее 2,5 л нуждаются в относительно низком передаточном числе.

В конце, необходимо сравнить давление наддува при помощи точного манометра с указанными спецификациями. Если полученное значение ниже указанного в спецификациях, причиной может быть модифицированный распредвал или преждевременное открытие регулятора давления наддува. Чтобы проверить регулятор давления наддува, отключите ведущие к нему шланги и запустите двигатель до максимальной нагрузки, будьте осторожны не допускайте слишком высокого давления наддува. если значение давления наддува соответствует спецификациям, регулятор давления наддува должен открываться в определенные производителем моменты. С другой стороны, если уровень наддува не увеличивается, возможно в регуляторе давления наддува появились утечки или он застрял, наполовину открывшись. Учтите, что в некоторых случаях, недостаточное давление наддува может быть вызвано турбиной слишком маленького размера или отверстием с маленьким отношением.

Если после выполнения всех указанных модификаций вы считаете, что давление наддува недостаточное, можно предпринять кое-какие меры, прежде чем изменять давление открытия регулятора наддува. Данная модификация не направлена непосредственно на увеличение давления, может привести к чрезмерному увеличению скорости системы наддува или пульсации компрессора. Чтобы все тщательно проверить, необходимо выполнить серию расчетов и занести результаты в график работы компрессора. Это может показаться довольно хлопотным делом, так как производители предпочитают использовать турбины меньшего размера, в противном случае могут возникнуть проблемы с надежностью системы турбо наддува на высоких оборотах или при использовании автомобиля в регионах, расположенных выше уровня моря.

Во время первого расчета необходимо определить коэффициент давления при помощи следующей формулы:

где Bp – давление наддува (кПа), Ар – атмосферное давление (101,4 кПа на уровне моря; необходимо вычитать 3,4 кПа на каждые 305 м выше уровня моря).

Например, если необходимо увеличить давление наддува до 79 кПа, при этом автомобиль будет использоваться при 5000 футов над уровнем моря:

Вр = 79 кПа, Ар = 101,4 – 17 кПа, поэтому

Затем необходимо определить коэффициент плотности, поэтому придется выполнить ряд расчетов, учитывая тот факт, что при сжатии температура воздуха на впуске будет увеличиваться, так как чем ниже эффективность компрессора, тем выше будет температура воздуха на впуске.

Сначала необходимо рассчитать температуру воздуха на выходе из компрессора, используя следующую формулу: It = F× (At + 460), где It – идеальное повышение температуры (°F), At – температура воздуха (°F), F – фактор из таблицы 10.1.

Следовательно, если температура воздуха составляет 80°F, тогда: It = 0,208 × (80 + 460) = 0,208×540 = 112,3°F.

Однако, так как компрессор не обладает 100% адиабатой эффективностью, затем придется рассчитать действительное увеличение температуры при помощи следующей формулы:

где Rt – действительное повышение температуры (°F). Е – эффективность компрессора (предположим, она составляет 60% от общей эффективности).

Следовательно,

Температура на выпуске компрессора будет составлять сумму внешней температуры воздуха и действительного повышения температуры:

Dt = At + Rt = 80 + 187,2 = 267,2 °F.

Определив температуру на выпуске компрессора и рассчитав коэффициент давления ранее, можно определить коэффициент плотности, используя следующую формулу:

где DR – коэффициент плотности компрессора, Dt – температура компрессора на выпуске, °F, At – температура окружающей среды, °F, Pr – коэффициент давления сжатия.

Следовательно

Последний расчет необходим для определения потока на впуске компрессора, чтобы затем полученные данные могли использоваться при составлении графика, который укажет, будет ли компрессор работать должным образом при давлении наддува 79 кПа на высоте 1500 м над уровнем моря, используйте следующую формулу:

где CF – поток компрессора на впуске, фут³/мин, L – объем двигателя, л. RPM – максимальная частота вращения двигателя, VE – коэффициент наполнения цилиндра, DR – коэффициент плотности компрессора.

Предположим, что объем двигателя составляет 2 л, а максимальная частота вращения двигателя – 6200 об/мин, в таком случае, поток на впуске компрессора будет составлять:

Как только график работы компрессора будет составлен, будет удобнее перевести значение потока на впуске в фунт/мин, следовательно полученное значение необходимо умножить на 0,07. Значит в данном примере поток на впуске компрессора будет составлять 19.9 фунт/мин.

После занесения этих данных в график при коэффициенте давления 1,94 можно заметить, что при максимальной частоте вращения двигатель будет работать нормально, а скорость вращения турбины не будет превышать 114,000 об/мин, что находится в пределах нормы. Однако, чтобы убедиться. Что компрессор не будет работать с пульсацией при другой частоте вращения двигателя и давлении наддува, придется повторить все приведенные выше вычисления. Например, если максимальное значение давления наддува составляет 79 кПа на высоте 5000 футов над уровнем моря и при частоте вращения двигателя 3000 об/мин, компрессор будет работать с пульсацией.

Чтобы увеличить давление наддува регулятор давления потребует некоторых модификаций или настроек. Например, встроенный регулятор давления на системе турбо наддува AiResearch T-03 будет легко регулироваться, так как привод обычно подключен к регулятору давления посредством резьбового стержня. Изменение длины привода приведет к изменению давления наддува при котором регулятор давления будет открываться, чтобы некоторая часть отработавших газов не попадала в турбину. Если стержень не резьбовой, снять его достаточно просто, необходимо спилить половину стержня и нарезать резьбу. При помощи резьбовой втулки и зажимной гайки можно отрегулировать привод. При нарезании резьбы и отпиливании стержня необходимо быть очень осторожным и держать стержень крепко, чтобы избежать повреждения диафрагмы привода.

Таблица 10.1. Факторы для расчета температуры воздуха на впуске.

Так как данный тип привода регулируется давлением наддува на впуске, альтернативным способом регулировки давления наддува будет установка твердой пластиковой трубки в нагнетательном трубопроводе, который идет от компрессора до регулятора давления наддува, при этом трубку необходимо перфорировать. При уменьшении давления наддува привод будет увеличивать его выше установленного значения, перед тем, как регулятор давления будет открыт. Так как отверстия должны быть маленького диаметра, рекомендуется перфорировать трубку при помощи 1 мм иголки, разогретой до определенной температуры, чтобы расплавить отверстия в пластике. Начните с одного отверстия, затем добавляйте отверстия при необходимости, чтобы увеличить давление наддува. учтите, что данный способ регулировки давления наддува не должен использоваться на двигателях, в которых топливо впрыскивается в воздушный поток перед турбо нагнетателем.

Графики работы компрессора используются для того, чтобы определить, подходит ли компрессор для определенного двигателя, используя его спецификации и критерии работы.

При использовании регулятора давления наддува в виде тарельчатого клапана, также можно использовать перфорированную трубку, хотя кроме этого есть большое количество альтернативных решений проблемы. Поместив прокладку под пружину преднагрузки диафрагмы, можно увеличить давление наддува при котором диафрагма будет подниматься, чтобы пропустить некоторое количество отработавших газов. Установка более жесткой пружины будет обеспечивать тот же эффект.

Чтобы понять насколько возрастет мощность при увеличении давления наддува можно использовать следующую формулу: PG% = (DR - 1)×100, где PG% – увеличение мощности в %, DR – коэффициент плотности компрессора.

При использовании регулятора давления наддува в виде тарельчатого клапана значение давления наддува можно легко отрегулировать, установив преднагрузку регулируемого гнезда пружины.

Я не буду приводить примеры расчетов, так как несколько страниц назад мы говорили с вами о вычислении коэффициента плотности. Например, если двигатель работает на высоте уровня моря, при температуре окружающей среды 80 °F и давлении наддува 48 кПа, коэффициент плотности будет оставлять 1,23, предположив, что эффективность компрессора составляет 60%. Поэтому, мощность по сравнению с атмосферным двигателем может увеличиться на 23%. Если в этом же двигателе давление наддува будет увеличено до 76 кПа, коэффициент плотности будет составлять 1,36; таким образом, мощность возрастет на 36% по сравнению с атмосферным двигателем и только на 13% по сравнению с двигателем, где давление наддува составляет 48 кПа, при этом не исключено, что при увеличении наддува до 76 кПа двигатель не начнет работать с детонацией. «Почему увеличение мощность столь незначительно?», - можете спросить вы меня. Ответ достаточно прост: высокая температура. При давлении наддува 48 кПа температура наддува на впуске будет составлять 188 °F, а при давлении наддува 76 кПа – 235 °F. В действительности, любые модификации, направленные на снижение температуры впускного заряда приведут к значительному увеличению мощности.

Именно это и является основной задачей промежуточного охладителя. Как показано на рисунке, промежуточный охладитель с воздушным охлаждением на самом деле похож на радиатор системы охлаждения, через который проходит впускной заряд, покидая систему турбонаддува. Он называется так, потому что воздух, прошедший через систему турбонаддува отдает тепло воздуху окружающей среды. В другом типе промежуточного охладителя с водяным охлаждением используется охлаждение наддувочного воздуха жидкостью из системы охлаждения двигателя. Этот тип промежуточного охладителя часто используется в лодочных двигателях и двигателях грузовых автомобилей. Теплообменник находится в водяной рубашке, через которую проходит вода, забирающая тепло впускного заряда. Из-за возможности конденсации топлива и следующего за ней обратного зажигания, промежуточный охладитель не должен использоваться в двигателях, где топливо попадает систему впуска спереди.

В основном, возможность промежуточного охладителя снижать температуру впускного заряда будет зависеть от размера теплообменника, температуры окружающей среды и пропускной способности теплообменника. Реальный размер теплообменника ограничен свободным пространством и ценой. Как и в случае радиаторов системы охлаждения, чем больше места занимают охлаждающие трубки и радиаторные пластины, тем больше затраты. Температура окружающей среды нам не подвластна, однако пропускную способность теплообменника на низких оборотах можно улучшить при использовании качественного вентилятора с электроприводом. При этом промежуточный охладитель будет достаточно эффективным и на высоких оборотах.

В промежуточном охладителе с воздушным охлаждением, тепло впускного заряда передается охлаждающему воздуху при прохождении через трубки и пластины.

Реальная эффективность промежуточного охладителя составляет примерно 80%. Эффективность определяется отношением реального снижения температуры к возможному снижению. Следовательно, теплообменник, эффективность которого составляет 100%, снизит температуру впускного заряда до температуры воздуха окружающей среды. Промежуточный охладитель таких размеров не рекомендуется устанавливать в легковых автомобилях, исключение составляют гоночные автомобили. И наоборот, промежуточный охладитель с реальной эффективностью менее 60% будет малоэффективным. Если реальная эффективность промежуточного охладителя составляет 80%, он заберет 80% тепла впускного заряда. Следовательно, если температура окружающей среды составляет 85 °F после прохождения через компрессор температура повысится на 150 °F до 235 °F, а после прохождения через промежуточный охладитель температура снизится на 120°F (150×0,8 = 120) до 115°F (150 – 120 +85 = 115).

В режимах ограниченного давления наддува менее 34 кПа препятствия уменьшают поток воздуха. В действительности некоторое сопротивление вследствие турбулентности будет наблюдаться в промежуточном охладителе и системе вентиляции. В системах охлаждения низкого качества с большим количеством крутых изгибов это может привести к снижению давления наддува до 14 кПа. К тому же, будет происходить падение давления вследствие естественных причин, таких как охлаждение впускного заряда. В высококачественных промежуточных охладителях общее падение давления не может превышать 10% от давления наддува, измеренного на выходе из компрессора. Следовательно, система, в которой давление наддува составляет 90 кПа, поток будет подаваться во впускной коллектор под давлением 81 кПа. Конечно же, данную потерю давления можно компенсировать, настроив регулятор давления наддува. Если регулятор управляется соленоидом, который, в свою очередь, управляется электронным блоком управления, то настроить будет его достаточно сложно; снижения давления можно избежать, установив датчик давления, расположенный около выпускного отверстия компрессора, на впускной коллектор.

По предыдущему примеру можно судить, насколько эффективным может быть промежуточный охладитель с точки зрения технических характеристик. Увеличение давления наддува с 48 до 76 кПа привело к увеличению мощности на 13%. При эффективности промежуточного охладителя 80% и общем снижении давления 7 кПа, температура впускного заряда снизится с 235 °F до 111 °F, при этом мощность возрастет на 46% по сравнению со стандартным давлением наддува 46 кПа и на 23%, если давление наддува в системе, не оснащенной промежуточным охладителем, составляет 76 кПа. Естественно, установка эффективного промежуточного охладителя является отличным способом улучшения технических характеристик.

Однако для того, чтобы реализовать данное увеличение потенциала, промежуточный охладитель должен работать действительно так же хорошо на практике, как и в теории. Следовательно, необходимо внимательно проверить потенциал промежуточного охладителя, проконсультировавшись с производителем. Затем попросите его рассчитать, насколько данный промежуточный охладитель подходит для давления наддува вашего автомобиля. если производитель не может предоставить вам подобную информацию, возможно он не слишком хорошо разбирается в данных вопросах, поэтому рекомендую вам обратиться в другое место.

Найти место для установки промежуточного охладителя иногда очень сложно. Многие устанавливают его впереди радиатора, однако в регионах с жарким климатом, особенно если автомобиль оснащен системой кондиционирования воздуха, это не самое лучшее расположение, так как эффективность системы охлаждения двигателя может снизиться. К тому же, длинные воздуховоды увеличивают вероятность образования турбо ям и снижения технических характеристик на низких оборотах. В качестве альтернативного решения можно установить промежуточный охладитель сбоку от радиатора. Это может оказаться невозможным из-за ограниченного пространства. В таком случае, можно использовать более узкий радиатор с одним или двумя дополнительными рядами пластин. Расположение промежуточного охладителя, выбранное компанией Ford для автомобиля Ford Mustang SVO, было затем использовано многими производителями. Промежуточный охладитель предлагалось установить над двигателем, при этом охлажденный воздух попадал в двигатель через воздухоприемник капота. Во многих случаях подобное расположение промежуточного охладителя является оптимальным, так как длина вентиляционных каналов сокращается, что помогает избежать эффекта турбоям, к тому же это не будет мешать работе системы охлаждения двигателя. Однако, на низких оборотах промежуточный охладитель будет не очень эффективным, так как интенсивность потока охлаждающего воздуха будет низкой, если только под сердечником промежуточного охладителя не будет установлен маленький электрический вентилятор.

Если непосредственное охлаждение не желательно, эффект промежуточного охладителя можно получить, направив охлажденный воздух во впускной воздуховод, который направляет впускной заряд во впускной коллектор. Желательно, чтобы внешняя поверхность воздуховода была ребристой, чтобы увеличить область теплоизлучения.

Ребристый впускной воздуховод помогает снизить температуру впускного заряда. Для максимальной эффективности поверхность воздуховода должна быть ребристой по всей длине. Охлаждающий воздух будет направлен по впускному воздуховоду через воздухоприемник капота или вентиляционный канал.

Охлаждающий воздух будет проходить через воздухоприемник капота или через гибкий шланг в передней части кузова автомобиля диаметром примерно 102 мм. Не зависимо от того, какой метод будет использоваться, охлаждающий воздух должен распространяться по как можно большей площади воздуховода впускного заряда для получения максимального охлаждающего эффекта. Установите тепловой экран, чтобы отделить воздуховод от теплового излучения двигателя и системы выпуска. Также убедитесь, что охлаждающий воздух не проходит через выпускной коллектор или через турбину системы турбо наддува, так как при этом температура отработавших газов понизится, что приведет соответственно к снижению давления наддува.

Кроме аспекта технических характеристик есть и другие преимущества в установке промежуточного охладителя, в частности надежность двигателя и турбонаддува. Примерные расчеты показывают, что на каждое 100°-падение температуры впускного заряда приходится 100°-падение температуры отработавших газов. Таким образом, выпускные клапаны и седла, турбина и корпус, выпускной коллектор и система охлаждения двигателя не подвергаются чрезмерным нагрузкам. При этом система турбо наддува увеличивает температуру впускного заряда, а увеличение давления наддува может значительно усугубить ситуацию. Некоторые любители тюнинга не обращают на это внимание. В действительности, я знаком с многими автолюбителями, которые увеличили давление наддува в два раза с 48 до 124 кПа, при этом модификации двигателя были незначительными: установка кованного поршня и снижения степени сжатия на 0,5 единиц. Они считали, что двигатель не будет работать с детонацией благодаря блоку электронного управления, к тому же более высокое давление наддува является выгодным с точки зрения рекламы и пожеланий покупателя. И действительно, многие электронные блоки управления оснащены датчиками детонации. В данных системах регулятор давления наддува будет открываться, чтобы избежать детонации, поэтому давления наддува не будет достигать значений, которые могут стать причиной работы двигателя с детонацией. На самом деле, этот простой способ не устраняет проблему как таковую. Установка отставания свечи зажигания значительно увеличивает температуру турбины и корпуса, настолько, что при постоянном высоком давлении наддува корпус деформируется и в конечном итоге турбинное колесо соприкасается с ним и разрушает турбину. Также отставание зажигания увеличивает температуру головки поршня, камеры сгорания и особенно выпускного клапана. Это дополнительное тепло будет увеличивать температуру впускного заряда, что может стать причиной раннего зажигания. Если сначала воздействие тепла не настолько интенсивнее, чтобы привести к расплавлению поршня, датчик детонации воспринимает сигнал и устанавливает отставание зажигания. При увеличении отставания температура системы турбо наддува, камер сгорания, поршней и выпускных клапанов возрастает, пока турбина или поршень не будут повреждены вследствие раннего зажигания.

Конечно же, промежуточный охладитель и высокое давление наддува могут увеличить мощность, если интенсивность потока топлива будет увеличена в соответствии с увеличившейся интенсивностью воздушного потока на впуске. Некоторые системы впрыска и электронные блоки управления двигателем будут компенсировать увеличившуюся интенсивность потока, возникающую при увеличении давления наддува примерно на 28 кПа и 80% эффективное промежуточное охлаждение, а другие, смогут справиться либо с увеличением наддува либо с работой промежуточного охладителя. Если система впрыска топлива не может поддерживать необходимую интенсивность потока, необходимо выполнить модификации системы, как описывалось ранее в данной книге. Однако очень часто проблема состоит не в недостаточной интенсивности потока, а в слишком низком давлении топлива при повышенном давлении наддува. В таком случае можно установить топливный насос высокого давления.

Например, после модификации автомобиля Ford Crosworth Sierra, система впрыска топлива подходила для заводского двигателя. Как показано в таблице 10.2, заводской двигатель производил мощность 200 л.с. При частоте вращения 6000 об/мин, хотя на высоких оборотах топливовоздушная смесь была обеднена. Скорее всего электронный блок управления принудительно прерывал подачу топлива. Так как электронный блок управления необходимо было модифицировать с целью увеличения давления наддува на 40% до 90 кПа, было решено выполнить некоторые изменения в настройках электроники, чтобы увеличить частоту вращения до 6800 об/мин. в соответствии с увеличением давления наддува был установлен промежуточных охладитель большего размера. Тестирование № 2 наглядно демонстрирует влияние выполненных модификаций на мощность автомобиля. максимальная мощность увеличилась на 10%, что не было столь уж впечатляющим улучшением по сравнению со сложностью проделанных модификаций. Затем, было решено установить дополнительную форсунку, чтобы впрыскивать больше топлива в двигатель на высоких оборотах. К тому же форма корпуса турбины была изменена, для улучшения пропускной способности. Как видно по результатам тестирование № 3, данные модификации действительно были оправданы. Чувствительность двигателя при различной частоте вращения улучшилась, а максимальная мощность 242 л.с. достигалась на 6800 об/мин.предельный ресурс двигателя был увеличен до 7500 об/мин, и предельная мощность возросла до 250 л.с. на 7000-7250 об/мин.

Другой способ достичь большей мощности и экономичности состоит в использовании корпуса турбины с отверстием большего отношения между размерами «входа» и «средней»

(рабочей) части турбины. В общем, производители используют корпус турбины с меньшим отношением между размерами входа и рабочей части турбины, чтобы обеспечить оптимальное давление наддува на низких оборотах. Сопло малого диаметра увеличивает скорость турбины, поэтому даже на низких оборотах двигателя интенсивность потока отработавших газов будет достаточной для создания наддува. однако по мере увеличения частоты вращения двигателя сопло корпуса турбины будет ограничивать поток отработавших газов из двигателя, также как и узкая выхлопная труба. Таким образом, максимальная мощность будет ограничена интенсивностью потока отработавших газов, при этом расход топлива увеличится, так как поршню понадобится дополнительная энергия, чтобы вытолкнуть отработавшие газы из цилиндров. Даже при движении на средней эксплуатационной скорости многие системы турбонаддува увеличивают расход топлива на 5-8% вследствие увеличения обратного давления.

Таблица 10.2. Сравнительное тестирование турбированного двигателя объемом 2 л автомобиля Ford Crosworth Sierra.

Тестирование № 1 – заводской двигатель.

Тестирование № 2 – изменение настроек электроники с целью увеличения давления наддува до 90 кПа, установка промежуточного охладителя большего размера.

Тестирование № 3 – те же модификации и установка дополнительной форсунки и замена корпуса турбины.

В двигателях, подвергшихся незначительным модификациям турбина должна создавать максимальное давление наддува при полностью открытой дроссельной заслонке и максимальной частоте вращения двигателя. Сопло корпуса турбины меньшего диаметра может незначительно улучшить технические характеристики на низких оборотах и, как правило, приведет к потере мощности на высоких оборотах, увеличению расхода топлива при движении на средней эксплуатационной скорости и снижению давления наддува. в идеале, обратное давление отработавших газов, измеренное около впускного отверстия турбины, не должно превышать давление наддува более чем на 25% на максимальных оборотах. Соответственно, если давление наддува составляет 69 кПа, давление отработавших газов не должно быть больше 86 кПа при максимальной частоте вращения двигателя.

В мощных и экономичных двигателях, где необходимо получить оптимальные технические характеристики и снижение расхода топлива, используется корпус турбины с соплом, которое способствует достижение максимального давления наддува при частоте вращения на 500-700 об/мин выше, чем заводские турбины. При использовании подобной турбины обратное давление отработавших газов значительно снизится, поэтому при максимальной частоте вращения давление отработавших газов около впускного отверстия турбины будет примерно таким же, как и максимальное давление наддува. следовательно, при добавлении максимального давления отработавших газов, общее давление отработавших газов не должно превышать давление наддува более чем на 21-28 кПа на максимальных оборотах. В таблице 10.3 показаны результаты сравнительного тестирования давления отработавших газов на впуске и на выпуске автомобиля Porsche 911, оснащенного турбированным двигателем и заводской системой впуска отработавших газов. Обратное давление отработавших газов на максимальной частоте вращения в стандартной системы выпуска на 32 кПа выше, чем давление наддува, однако на выходе выхлопных газов в атмосферу, значение было лишь на 7 кПа выше давления наддува.

Таблица 10.3. Сравнительная таблица давления на впуске и на выпуске автомобиля Porsche 911 Turbo.

Примечание:
Максимальная мощность достигается при частоте вращения 5500 об/мин, максимальный крутящий момент при частоте вращения 3000 об/мин.

При использовании корпуса турбины с соплом большего диаметра эффект будет таким же, как и при установке распредвала с кулачками закругленного профиля. Мощность двигателя на низких оборотах понижена, так как турбина вращает компрессор медленнее, следовательно давление наддува также будет снижено. Однако, на высоких оборотах мощность двигателя будет увеличиваться не за счет увеличения давления наддува, а потому что энергия, которая ранее расходовалась на направление отработавших газов через турбинное колесо, теперь увеличивает вращательную силу коленчатого вала двигателя. Следовательно, максимальная мощность может быть увеличена при более низком давлении наддува, как показали результаты тестирования, приведенные в таблице 10.4.

В таблице 10.4 показано сравнительное тестирование корпуса турбины с меньшим соплом, установленное на автомобиль Toyota с объемом двигателя 2,8 л в попытке улучшить технические характеристики при частоте вращения двигателя менее 3500 об/мин. значение удельного расхода топлива при испытании двигателя на тормозном стенде является одним из факторов, определяющих технические характеристики двигателя. Данное значение рассчитывается путем деления интенсивности потока топлива на мощность. Например, если двигатель потреблял 45 кг/ч топлива для получения мощности 200 л.с. при частоте вращения 5500 об/мин, в таком случае, удельный расход топлива будет составлять 0,225 кг/л.с. в час. В действительности чем меньше топлива расходует двигатель для выработки одной лошадиной силы, тем выше его эффективность. При использовании корпуса турбины с большим отверстием, мощность двигателя составляла 283 л.с., при этом интенсивность потока топлива составляла 68 кг/ч, однако во время тестирования корпуса турбины с меньшим отверстием, мощность снизилась до 265 л.с., а интенсивность потока топлива составила 66 кг/ч. Это значит, что корпус турбины с отверстием меньшего отношения между размерами «входа» и «средней» (рабочей) части турбины стал причиной падения мощности на 18 л.с. при частоте вращения 4500-6500 об/мин, к тому же при полностью открытой дроссельной заслонке экономичность снизилась на 7-14%.

Таблица 10.4. Сравнительное тестирование отверстия корпуса турбины автомобиля Toyota, оснащенного двигателем объемом 2,8 л.

Частота вращения двигателя (об/мин)	Тестирование № 1			Тестирование № 2
	Мощность (л.с.)	Крутящий момент	Удельный расход топлива (фунт/л.с.×час)	Мощность (л.с.)	Крутящий момент	Удельный расход топлива
1500	52	182	0,502	57	199	0,512
2000	73	192	0,496	81	212	0,514
2500	104	219	0,498	127	266	0,514
3000	150	293	0,493	159	278	0,511
3500	190	285	0,496	179	269	0,519
4000	225	295	0,5	208	273	0,525
4500	248	289	0,502	237	277	0,537
5000	264	277	0,511	255	268	0,552
5500	274	262	0,516	265	253	0,556
6000	283	248	0,529	260	228	0,599
6500	268	217	0,554	231	187	0,631

Тестирование № 1 – корпус турбины с отверстием большего отношения между размерами «входа» и «средней» (рабочей) части турбины, давление наддува 79 кПа с промежуточным охладителем.

Тестирование № 2 – корпус турбины с отверстием меньшего отношения между размерами «входа» и «средней» (рабочей) части турбины, давление наддува 90 кПа с промежуточным охладителем.

С самого начала было очевидно, что необходимо использовать корпус турбины с отверстием большего отношения между размерами «входа» и «средней» (рабочей) части турбины, так как в таком случае экономичность двигателя была оптимальной. При последующих тестах был выбран оптимальный состав, который давал наилучшие технические характеристики при частоте вращения менее 3500 об/мин. В этот комплект входили кулачки с меньшей фазой открытия, увеличенная степень сжатия, снижение давления наддува до 69 кПа, а также дальнейшее улучшение кривой зажигания и графика расхода топлива. Максимальная мощность снизилась всего на 7 л.с., а мощность двигателя при частоте вращения 2500 об/мин увеличилась на 20 л.с., а также на 12-15 л.с. при частоте вращения от 3000 до 4000 об/мин. Также удельный расход топлива снизился примерно до 0,485, что свидетельсвует об увеличении эффективности.

Чтобы использовать корпус турбины отверстием большего отношения между размерами «входа» и «средней» (рабочей) части турбины, объем двигателя должен быть более 2 л, При этом автомобиль должен быть оснащен механической коробкой передач, с правильно подобранными передаточными числами и не перегружен, в противном случае технические характеристики в условиях городского движения ухудшатся. В некоторой мере промежуточный охладитель будет помогать, даже если давление наддува при использовании корпуса турбины с отверстием большего отношения между размерами «входа» и «средней» (рабочей) части турбины будет пониженным на низких оборотах. Можно увеличить степень сжатия, пи условии что будет сохранено стандартное значение давления наддува, это поможет увеличить мощность на низких оборотах.

Если необходимо увеличить мощность на 15% по сравнению с заводскими спецификациями, некоторые турбированные двигатели могут потребовать дальнейшей обработки, чтобы обеспечить надежность. В зависимости от двигателя могут возникнуть различные проблемы. Например, прокладки головки блока цилиндров могут износиться. В некоторых случаях можно просто установить новые прокладки, иногда может потребоваться установка более надежных шпилек для крепления головки блока цилиндров, которые не будут деформироваться при повышении давления. Возможно, появятся неполадки в работе поршней. В таком случае можно использовать поршни, подвергшиеся более тщательной термической обработке, при этом перемычки поршня между канавками для колец должны быть шире, или днище поршня должно быть толще, чтобы увеличить термоустойчивости поршня. Возможно, не стоит перемещать кольца поршней, верхнее кольцо будет перегреваться и терять давление через минуту или две после достижения максимального значения давления наддува. В некоторых случаях могут возникнуть проблемы с выпускными клапанами и седлами. Иногда для изготовления седел клапанов используются материалы, размягчающиеся при высокой температуре, вследствие чего клапаны могут выпадать из головки блока цилиндров. Естественно, эти потенциальные трудности необходимо принимать в расчет, если вы хотите увеличить мощность.

Люди, занимающиеся системами турбонаддува, часто слышат «страшные истории» о поломках в системах турбонаддува. Чаще всего любители тюнинга считают, что всему виной турбонаддув или система смазки, чаще всего поломки происходят, когда пробег даже не превысил 16000 км. Однако в большинстве случаев виноват именно водитель, хотя встречаются случаи, когда причиной всему действительно было использование неподходящих смазочных материалов. Именно поэтому я рекомендую использовать специальное масло для турбированных двигателей. Использование 100%-го синтетического моторного масла, а также регулярная замена масла и фильтра обеспечит нормальную работу, системы турбонаддува, однако это лишь начальный этап технического обслуживания турбированного двигателя.

В наше время, большая часть турбированных двигателей оснащена системой опор с водяным охлаждением, чтобы обеспечить их надежность и продлить срок службы. К сожалению это заставило многих автолюбителей ощутить ложное чувство безопасности, так как не было необходимости давать двигателю работать на холостых оборотах перед тем, как заглушить его, чтобы дать турбине остыть. На самом деле это не так, после продолжительного движения турбина разогрелась, поэтому ей необходимо некоторое время, чтобы остыть, примерно три минуты. Лично я не рекомендую давать двигателю работать на холостых оборотах с этой целью. По-моему намного эффективней запустить двигатель на 1500 об/мин или немного выше, чтобы обеспечить движение потока масла достаточной интенсивности через систему опор. На холостых оборотах интенсивность потока масла будет недостаточной, поэтому тепло турбины может науглероживать масло. Если масло станет науглероженным, оно будет блокировать зазор между валом и подшипниками. При последующем запуске двигателя интенсивность потока масла будет снижена, что приведет к повреждению подшипников и вала.

Некоторые любители тюнинга правильно поступают, давая турбине возможность остыть перед тем, как заглушить двигатель. Непосредственно перед выключением двигателя, они резко нажимают на педаль акселератора несколько раз, чтобы открыть дроссельную заслонку. Таким образом они, по их словам, «прочищают свечи». Подобные действия могут привести к тому, что турбина снова разовьет скорость до 30000 об/мин, затем, когда приток масла будет резко ограничен, смазка подшипников будет недостаточной, что приведет к их повреждению.

Похожая проблема может произойти непосредственно после запуска двигателя. Может понадобиться около 30 секунд, чтобы масло попало в систему турбонаддува, поэтому не допускайте работы двигателя на повышенных оборотах в это время, так как турбина начнет вращаться с большой скоростью, в то время как подшипники будут недостаточно смазаны. Та же ситуация может возникнуть, если турбина была снята, а затем снова установлена в двигатель. В таком случае перед подключением шланга подачи масла необходимо смазать подшипники. В противном случае, подшипники будут серьезно повреждены.

Если турбонагнетатель снят с двигателя, поместите его в пластиковый пакет, чтобы избежать попадания посторонних предметов внутрь турбины или компрессора. Накройте впускные и выпускные воздуховоды в двигателе. Выполняя эти простые меры предосторожности, вы сможете легко избежать дорогостоящих повреждений.

При нормальных условиях эксплуатации техническое обслуживание системы турбо наддува необходимо выполнять каждые 50000-80000 км пробега. Если автомобиль используется в условиях городского движения с частыми остановками, периодичность технического обслуживания должна быть выше. Обычно комплект с необходимыми инструментами и запасными деталями для технического обслуживания доступен в свободной продаже. Системы турбонаддува очень просты в обслуживании. При этом самым важным является поддержание чистоты масляных каналов и поверхности подшипников. Некоторые производители считают, что техническое обслуживание должно производиться только квалифицированными специалистами. Однако я никогда не испытывал никаких проблем во время технического обслуживания, при условии, что турбинное колесо и вал не повреждены. Просто во время разборки необходимо отметить положение колеса компрессора, чтобы затем установить его в необходимое положение. Если же колесо компрессора или турбинное колесо необходимо заменить вследствие повреждения или износа, вся система будет нуждаться в балансировке.

Во время разборки, осторожно придерживайте центральный подшипниковый узел, зажав его в тиски. Так как область для захвата в тиски довольно мала, будьте осторожны, снимая гайку крепления колеса компрессора на валу. Если блок соскользнет, вы можете повредить лопасти турбины. Если лопасти турбины деформированы, не пытайтесь их выпрямить самостоятельно, в конечном итоге это приведет к их повреждению. Если повреждена лопасть колеса компрессора, она может оторваться и стать причиной серьезных повреждений в двигателе. В таких случаях лучше всего обратиться за консультацией и помощью к квалифицированным специалистам.

Существует также еще два пункта, о которых стоит помнить. Перед разборкой системы турбо наддува, отметьте положение корпуса компрессора и турбины. Это поможет избежать трудностей при сборке. Также не забудьте затянуть все гайки до указанного производителем момента затяжки. Даже если вы считаете что момент затяжки слишком слаб для данного крепления, не полагайтесь на собственные суждения и выполняйте четко инструкции. Необходимо также использовать точный динамометрический ключ, чтобы завернуть гайки до указанного момента затяжки.