Трубопроводы и соединения

Трубопроводы и соединения

Если говорить о трубопроводах, которые используются для подсоединения промежуточного охладителя к системе впуска, главное – не зайти слишком далеко в использовании трубопроводов большого диаметра. Не стоит использовать трубопроводы большего диаметра, чем указано втаблице 10.1. Некоторые ошибочно считают, что промежуточный охладитель может стать причиной возникновения турбоям, при этом совершенно не задумываясь о том, что стоит учитывать и объем трубопроводов. На самом деле стоит избегать резких изгибов трубопроводов, атакже соединений трубопроводов при помощи гибких шлангов. В идеале рекомендуется прибегать к гибке на оправке, а в местах соединения трубопроводов все отрезки должны быть надежно соединены без изменения диаметра. Если в некоторых местах необходимо уменьшить диаметр на х дюйма или меньше, обратитесь в мастерскую, чтобы растянуть трубу при помощи гидравлического расширителя. Если необходимо большее увеличение диаметра, лучше использовать отрезки с коническим сечением с конвергентным или дивергентным углом, не превышающим 7°.

Таблица 10.1. Требования относительно диаметра впускных воздуховодов

Примечание:
Чтобы компенсировать потери интенсивности потока, вызванные изгибами трубопроводов, необходимо уменьшить мощность на 5% для каждого изгиба в 90°. Учтите, что три изгиба труб по 30° приведут к такому же снижению интенсивности потока, как и один изгиб в 90°.

Когда мы соединяем отрезки трубопроводов при помощи гибких шлангов, мы сами создаем еще один источник проблем. При низком давлении мы оказываемся в ситуации, как при подсоединении радиатора к двигателю. Нужно постоянно следить, чтобы соединение не протекало, что привело бы к утечке давления наддува. Некоторые усугубляют проблему, используя силиконовый герметик, вместо того чтобы использовать незатвердевающий соединительный состав, например Permatex №3.

В условиях высоких температур (более 120°С) и при высоком давлении наддува (более 1,24 бар) нужно быть более требовательным и точным. Если только вы не заменяете гибкие шланги довольно часто, их можно использовать только для соединения двух отрезков металлических труб. Отрезок литого резинового шланга всегда будет источником проблем. На самом деле в таком случае лучше всего использовать силиконовые шланги. Многие полагаются на прочность шлангов и стяжных хомутов, чтобы предотвратить повреждение соединений, однако в данном случае лучше использовать резьбовую стяжку (рис. 10.11).

Рис. 10.11. В условиях высокого давления резьбовая стяжка трубопроводов может предотвратить их рассоединение.

Обеспечение эффективного охлаждения воздушного потока

Как упоминалось ранее, промежуточный охладитель предпочтительнее устанавливать в передней части кузова автомобиля перед всеми теплообменниками, чтобы обеспечить максимальную эффективность теплоотдачи. Нужно сделать все, чтобы обеспечить подачу охлажденного воздуха в промежуточный охладитель.

Ни в коем случае промежуточный охладитель не должен быть расположен непосредственно на пути потока воздуха, так как на пути к сердечнику воздух просто распределится по краям. Чтобы этого не произошло, воздуховод должен иметь правильную форму, а место соединения спромежуточным охладителем должно быть герметичным (рис. 10.12). В случае с гоночными автомобилями на этом участке необходимо быть несколько осторожнее, так как при фронтальном столкновении промежуточный охладитель и радиатор будут разрушены, если используется жесткий воздуховод. Лучше использовать легкий воздуховод, который легко деформируется, при этом он должен заканчиваться, не доходя несколько сантиметров до промежуточного охладителя. Используйте длинный отрезок плоской резины, приклеенный к воздуховоду и охладителю, чтобы сделать соединение герметичным.

Рис. 10.12. Соответствующее расположение воздуховодов не позволяет воздуху пройти мимо промежуточного охладителя.

Одним из наиболее распространенных заблуждений является мнение, что отверстие воздуховода должно иметь такую же площадь или даже несколько больше, чем передняя часть промежуточного охладителя или водяного радиатора. На самом деле все наоборот. Лучше подойдет отверстие намного меньшего диаметра, так как оно блокирует движение воздуха в промежуточный охладитель, разворачивая его и направляя по краям воздуховода. Чтобы избежать этого, необходимо уменьшить отверстие воздуховода на 30–60% от площади промежуточного охладителя. Если промежуточный охладитель меньше, чем радиатор, не позволяйте охладителю оставаться в таком положении, так как воздух все равно будет идти в обход. Лучше разделите воздуховод, чтобы направить часть воздуха в промежуточный охладитель, затем герметично закрепите этот разделитель на промежуточном охладителе, таким образом направляя весь воздух через него (рис. 10.13).

Рис. 10.13. Если промежуточный охладитель маленький, используйте разделитель, чтобы обеспечить прохождение воздуха через сердечник.

Обеспечение подачи интенсивного потока воздуха в промежуточный охладитель – это только одна сторона проблемы. Также необходимо обеспечить соответствующую пропускную способность в промежуточном охладителе, чтобы поток воздуха проходил по всей площади охладителя, хотя давление за охладителем и радиатором будет намного ниже, чем в передней части. Это означает, что необходимо обеспечить пространство для выхода охлаждающего воздуха из моторного отсека, к тому же следует ограничить поток воздуха в моторном отсеке, так как это просто необходимо для соответствующего охлаждения деталей, перегрев которых крайне нежелателен. Такие компоненты, как генератор, аккумуляторная батарея, топливопроводы и форсунки, компоненты зажигания, электрические провода, турбокомпрессор и выпускной коллектор, нуждаются ввоздушном охлаждении. Однако при установке большого воздухозаборника в моторном отсеке поток воздуха будет слишком сильным, а если поток будет слишком интенсивным, это приведет к повышению давления, поэтому пропускная способность промежуточного охладителя ирадиатора значительно снизится.

Часто одно или два небольших вентиляционных отверстия, расположенных должным образом на капоте, обеспечат необходимые пути выхода горячего воздуха, и, если вы не хотите резать капот, вы можете просто поднять его заднюю часть на 4–6 мм. Также стоит рассмотреть возможность использования электрических вентиляторов, чтобы нагнетать воздух в промежуточный охладитель и радиатор.

Различие в давлении в передней и задней частях промежуточного охладителя можно проверить простым способом, используя манометр с U-образной трубкой. Это может показаться необычным, но достаточно использовать деревянный брусок длинной 30мм с нанесенной шкалой. Кнему необходимо прикрепить прозрачный пластиковый шланг диаметром 4 мм U-образной формы. Заправьте шланг до отметки 254мм водой сдобавлением пищевого красителя. Закрепите один край U-образного шланга в передней части промежуточного охладителя, а второй – на открытом отверстии за радиатором. Теперь надо проехать на автомобиле на высокой скорости. Уровень жидкости должен упасть, сместившись всторону передней части промежуточного охладителя, что указывает на то, что давление за радиатором ниже, следовательно, поток воздуха проходит должным образом.

Поток воздуха в передней части кузова автомобиля также можно проверить при помощи большого стационарного радиатора. Установите радиатор в передней части кузова автомобиля, закрыв капот. Включив вентилятор, распылите воду или дым в поток воздуха и обратите внимание на направление движения потока. При использовании воды определить направление потока воздуха не всегда просто, если только вы не наклонитесь с одной стороны кузова автомобиля, а ассистент будет держать черную панель с другой стороны. Поток воздуха должен быть направлен в сторону передней части кузова автомобиля и при этом не менять направление. Также поток воздуха не должен разделяться и проходить под кузовом автомобиля. В противном случае у вас, скорее всего, возникнут проблемы с промежуточным охладителем и системой охлаждения двигателя.

В некоторых моделях серийных автомобилей, возможно, придется уменьшить размер промежуточного охладителя либо вследствие недостаточного пространства, либо потому, что слишком большой промежуточный охладитель снижает интенсивность потока воздуха через радиатор, что вызывает проблемы в системе охлаждения двигателя. Во втором случае прежде всего необходимо убедиться, что мы используем компрессор подходящего размера при соответствующем давлении наддува в диапазоне высокой эффективности на графике производительности, а также что система охлаждения работает должным образом. Затем надо решить, использовать ли впрыск воды в воздушном промежуточном охладителе, или комбинированную систему воздушного и водяного промежуточных охладителей, или просто водяной промежуточный охладитель.

При установке промежуточного охладителя непосредственно на двигатель без обеспечения выхода воздуха в нижней части мы получим обратный эффект – «промежуточного нагревателя» . Отсутствие теплового экрана между головкой блока цилиндров и промежуточным охладителем, отсутствие изоляции для предотвращения передачи тепла к промежуточному охладителю через установочный кронштейн иболты крепления, а также деформированные ребра, ограничивающие поток воздуха, – все это только добавляет проблем.

Впрыск воды в промежуточный охладитель

Впрыск воды в сердечник воздушного промежуточного охладителя увеличит эффективность отвода тепла примерно на 8%. Это может казаться незначительным преимуществом, однако при увеличении размера промежуточного охладителя становится все сложнее и сложнее увеличить его эффективность. Например, промежуточный охладитель с эффективностью 75% потребует на 25% большую площадь сердечника, чтобы увеличить эффективность на 8% посредством использования впрыска воды.

Однако, чтобы быть действительно эффективной, система впрыска воды должна подавать большие количества воды и распределять их по всей площади сердечника промежуточного охладителя. Это означает, что необходимо использовать бак большого объема и расположить в нужных местах распылители. В гоночных автомобилях обычно устанавливается бак объемом 30л, которого хватает примерно на 48км на кольцевых гонках или этапах ралли. Тут стоит поднять вопрос веса: в какую сторону сместятся показатели эффективности при добавлении дополнительных 30кг веса, если использовать 30-литровый бак с водой, притом что плотность впускного заряда увеличится, а защита от детонации возрастет?

В раллийном автомобиле Ford Focus WRC используется впрыск воды, чтобы увеличить эффективность промежуточного охладителя. На иллюстрации виден только верхний ряд распылителей.

Конечно же, нагрузки при использовании впрыска воды должны быть минимальными. Это означает, что необходимо подобрать распылители инасос нужного размера, чтобы обеспечить достаточный объем воды для эффективного охлаждения впускного заряда. Также система должна срабатывать, только когда температура сердечника промежуточного охладителя или температура впускного заряда, измеренная около впускного коллектора, достигнет определенного значения (возможно, на 10–15°С выше необходимой температуры впускного заряда). Активация впрыска воды в соответствии с давлением наддува не будет очень эффективной, так как в расчет не принимаются температура окружающей среды идополнительное охлаждение, возникающее при увеличении скорости.

Команды, участвующие в гонках, регулируют интенсивность потока воды, положение распылителей и форму распыла на основании данных, полученных от нескольких датчиков температуры, расположенных вокруг сердечника промежуточного охладителя. В качестве альтернативы используется большой стационарный вентилятор для определения формы распыла. Необходимо держаться как можно дальше от потока воздуха, поэтому вам понадобится хорошо освещенное рабочее место и, возможно, бинокль, чтобы отчетливо видеть все, что происходит. Интенсивность потока воды можно отрегулировать, запустив двигатель под нагрузкой на динамометрическом стенде. Установив датчик температуры во впускной коллектор или в выпускное отверстие промежуточного охладителя, попытайтесь достичь понижения температуры впускного заряда при минимальной интенсивности потока воды. Не стоит увеличивать интенсивность потока воды в два раза, чтобы понизить температуру впускного заряда всего на несколько градусов. Иногда, чтобы понизить массу автомобиля на 10кг, приходится затратить много усилий и средств, поэтому при увеличении интенсивности потока воды всегда учитывайте увеличение массы. Для гоночного автомобиля предварительная проверка уровня воды должна быть обязательным пунктом технического обслуживания перед началом гонки. Что касается легковых автомобилей, об этом часто забывают, поэтому вам понадобится звуковой сигнал, который будет оповещать вас о том, что воды осталось мало. Но не полагайтесь слишком на сигнальный индикатор, так как несколько поршней могут выйти из строя, прежде чем вы заметите, что он загорелся.

Водяной промежуточный охладитель Subaru. Горячий воздух из компрессора попадает в нижний воздуховод, отдавая тепло ребрам по мере прохождения через сердечник, а затем выходит через большой воздуховод. Охлаждающая вода, которая циркулирует под воздействием электрического насоса с двумя скоростными режимами, течет через трубопроводы и охлаждает ребра, проходя через два небольших патрубка внизу справа.

Водяной промежуточный охладитель

По сравнению с воздушным промежуточным охладителем водяной промежуточный охладитель конструктивно намного сложнее. Однако, если пространства для установки воздушного промежуточного охладителя недостаточно, у вас, возможно, просто не будет выбора. Также, если вы готовы приняться за дело и сможете найти дешевые запчасти, вы можете собрать водяной промежуточный охладитель, затратив лишь незначительные средства, если, конечно, не учитывать фактор времени.

Как уже говорилось ранее, можно подсоединить теплообменник, как показано на рис. 10.2, чтобы оптимизировать интенсивность потока, при этом тепловой КПД может слегка понизиться. Вы также можете направить впускной заряд через трубопроводы охлаждения, как в обычном воздушном промежуточном охладителе, но вместо воздуха будет использоваться вода. Эта конструкция будет работать эффективно, если говорить об охлаждении впускного заряда. Однако интенсивность потока может ухудшиться, если только площадь трубопровода не будет соответствовать размерам двигателя.

Выбор типа системы будет во многом зависеть от размера теплообменника. Если площадь трубопроводов большая (38,7 см³/100 л.с. с высокой плотностью турбулизаторов, 22,6 см³/100 л.с. с низкой плотностью турбулизаторов), а длина трубопроводов составляет менее 254 мм, последняя система будет более эффективна. Если же площадь трубопроводов намного меньше, лучше использовать трубопроводы с водяным охлаждением.

В передней части кузова автомобиля придется установить еще один радиатор отдельно от системы охлаждения, чтобы понизить температуру воды из промежуточного охладителя. Размер этого теплообменника будет определяться некоторыми другими факторами помимо температуры воды на выходе из промежуточного охладителя. Общий объем воды в системе, производительность насоса, время «on-boost» относительно времени «off-boost» – все эти факторы также имеют огромное влияние. Например, автомобиль может создавать эффективный наддув («on-boost») в течение 15секунд, а затем в условиях длительного обгона давление наддува может пропасть или стать слишком низким («off-boost») в течение нескольких минут. Так как это может занять около 10секунд (в зависимости от объема воды и интенсивности потока), прежде чем передний теплообменник начнет работать, он должен быть достаточно большим, чтобы справиться с тепловыми нагрузками в течение последних пяти секунд цикла «on-boost». Затем температура воды опять может снизиться до значения температуры окружающей среды в течение нескольких минут цикла «off-boost». В таком случае в качестве переднего охладителя может использоваться любой теплообменник. Некоторые предпочитают использовать системы охлаждения двигателя или трансмиссионного масла, однако также можно использовать сердечник отопителя и конденсоры системы кондиционирования с любого автомобиля или бытового кондиционера.

Комбинированный впускной коллектор и промежуточный охладитель отлично подходят в том случае, если пространство ограничено. Однако, если вы решите использовать подобную конструкцию, учтите, что вам придется проделать большой объем работ, чтобы уравновесить интенсивность потока воздуха в каждом цилиндре.

При этом в гоночных автомобилях циклы «on-boost» и «off-boost» будут несколько иными. В данном случае за циклом «on-boost» длительностью 5– 8секунд может последовать цикл «off-boost» длительностью 2–3 секунды. Следовательно, при любых типах гонок, кроме спринта, нам придется использовать теплообменник достаточно больших размеров, поэтому для тех, кто стеснен в средствах, оптимальным вариантом будут конденсоры с систем кондиционирования.

С целью экономии на размерах переднего охладителя, некоторые устанавливают большой расширительный бачок объемом 5–10л в системе. Я не рекомендую использовать подобную конструкцию, если только в передней части кузова автомобиля нет места для установки охладителя больших размеров. На самом деле не хотелось бы увеличивать вес автомобиля, поэтому по возможности используйте пластиковый бачок и крышку, подсоединив его к системе, чтобы компенсировать увеличение в объеме охлаждающей жидкости. Устанавливайте бачок как можно выше всистеме, чтобы легче было удалить оттуда воздух. Это чрезвычайно важно, так как наличие воздуха в системе может значительно снизить охлаждающую эффективность. Особое внимание стоит обратить на установку подходящих винтов прокачки в верхней части бачка (примерно на 4мм выше), между верхней частью промежуточного охладителя и верхней частью расширительного бачка.

Охлаждающая жидкость перемещается по системе посредством электрического насоса. Желательно использовать шланг диаметром 3/4 дюйма, чтобы снизить нагрузку на насос. В данном случае использовались различные виды электрических насосов, но многие оказались неподходящими вданном случае, так как не были предназначены для постоянной работы. В действительности нам нужен насос с пропускной способностью 15–20 л/мин, который бы выдерживал постоянные нагрузки и не перегревался. К сожалению, такие насосы на разборке найти сложно. Часто пропускная способность подобных насосов оставляет желать лучшего, а новые агрегаты стоят целое состояние. Оптимальным вариантом, хотя они и очень шумные, являются установленные на упругие элементы опор двигателя или коробки передач сельскохозяйственные насосы компании American Flojet. Модель 4100-143 обладает пропускной способностью 20 л/мин при напряжении 13В. В продаже также имеются насосы с большей пропускной способностью.

В гоночных автомобилях насос может работать на полную мощность постоянно. Однако при использовании в условиях городского движения срок службы насоса можно значительно увеличить, если использовать его в двух различных режимах скоростей. Некоторые предпочитают включать насос, только когда двигатель работает под давлением наддува, но, как вы уже видели, это бессмысленно, так как наиболее эффективное охлаждение воды происходит именно после того, как давление наддува снижается до нуля.

Поэтому необходимо, чтобы насос продолжал перегонять охлаждающую жидкость во время цикла «off-boost». Если вы установите резистор сопротивлением 3Ом (используйте керамический резистор для высокой силы тока 5А) в электрическую цепь, пропускная способность насоса снизится до 7л/мин, а потребление тока сократится до 3А. Чтобы переключить насос в режим полной пропускной способности, необходимо привести в действие цепь полного напряжения посредством кулачка на оси дроссельной заслонки. При нажатии педали акселератора, чтобы дроссельная заслонка открылась примерно на 25%, кулачок замыкает микровыключатель, который приводит в действие реле, посылая сигнал высокого напряжения на насос. Если вы используете автомобиль для участия в гонках по выходным, стоит также установить переключатель изменения скорости и сигнальную лампочку, чтобы обеспечить постоянную работу насоса под нагрузкой (см.рис. 10.14).

Рис. 10.14. Электрическая схема работы насоса в двух скоростных режимах.

Техническое обслуживание промежуточного охладителя

Промежуточные охладители в отличие от радиаторов системы охлаждения действительно нуждаются в регулярном техническом обслуживании, вряд ли получится просто установить и забыть о нем. Водяные промежуточные охладители нуждаются в техническом обслуживании намного реже, а вот воздушным промежуточным охладителям придется уделять внимание регулярно. Если вы установили бывший в употреблении промежуточный охладитель, тщательно очистите его перед вводом в эксплуатацию. Нежелательно, чтобы загрязнения из ранее поврежденного турбокомпрессора попали в двигатель. К тому же в промежуточном охладителе, в трубопроводах и турбулизаторах, мог остаться масляный налет, образовавшийся вследствие прорыва картерных газов или утечки через сальники нагнетателя. Этот налет будет значительно снижать интенсивность потока воздуха и теплоотдачу.

Внешняя часть промежуточного охладителя также должна быть чистой, необходимо удалить все внешние загрязнения и посторонние предметы между ребрами. Следует также выровнять все ребра и придать им исходную форму. Все эти действия повысят эффективность промежуточного охладителя, а также эффективность системы охлаждения двигателя, если радиатор расположен за промежуточным охладителем.

Промежуточные охладители нуждаются в регулярном техническом обслуживании. Коррозия ребер изасорения внутри охладителя значительно снижают интенсивность потока воздуха и теплоотдачу. Масляный налет внутри промежуточного охладителя также негативно влияет на его эффективность.

Команда Renault в гонках «Формула-1» использовала комбинированный водяной и воздушный промежуточный охладитель. Сжатый воздух попадал в водяной охладитель, затем проходил через воздушный охладитель, расположенный сверху. Обратите внимание на то, что трубопроводы воздушного промежуточного охладителя достаточно короткие. Конструкция заднего бачка специально разработана так, чтобы сократить потерю интенсивности потока воздуха. Впускное отверстие с регулируемым размером сопла DVP, которое было разработано Жаном-Пьером Буди во времена его работы на команду Renault, хорошо видно во впускном отверстии (см.главу 3).

На иллюстрации в разрезе показаны воздуховоды, которые используются для подачи воздуха через промежуточные охладители и радиаторы (радиаторы установлены над воздуховодами, а горячие выхлопные газы выходят через вентиляционные решетки в верхней части боковых обтекателей).

Возможно, самой сложной является процедура удаления частиц шин, которые попадают в промежуточный охладитель во время гонок. Единственный способ удалить эту резину – использовать растворитель, залив его в промежуточный охладитель и оставив там на несколько часов. Обязательно закройте впускное и выпускное отверстия, чтобы растворитель не вылился наружу. После этого используйте сжатый воздух, направив его через заднюю часть промежуточного охладителя, чтобы удалить остатки резины, которые могли остаться между ребрами. Подобную очистку рекомендуется выполнять после каждой гонки.

Хотя промежуточные охладители легковых автомобилей не так подвержены растрескиванию, как промежуточные охладители фургонов, рекомендуется время от времени подвергать их испытанию под давлением. В мастерских по ремонту радиаторов квалифицированные специалисты могут сделать это, однако, если ваш автомобиль участвует в гонках, возможно, вы захотите приобрести оборудование, чтобы проводить проверки самостоятельно перед каждой гонкой.

Другие преимущества охлаждения заряда

Кроме таких очевидных преимуществ, как увеличение плотности заряда и, следовательно, мощности двигателя на выходе, промежуточное охлаждение выполняет ряд других полезных функций. Низкая температура впускного заряда снижает риск возникновения детонации и раннего зажигания. Из-за этого я видел большое количество атмосферных двигателей, работающих при давлении наддува 0,55бар, при этом система зажигания, управляемая микропроцессором на основе трехмерной характеристики, не требовала модификаций даже при использовании обычного неэтилированного топлива. Я также видел несколько заводских турбированных двигателей, работающих при давлении наддува в два раза выше исходного значения (1,38 – 1,55 бар) с большими турбокомпрессорами и промежуточными охладителями на топливе Avgas с октановым числом 100/130 со стандартными настройками зажигания. Во всех случаях сохранялся заводской распредвал, и даже в таком случае при изменении настроек зажигания угол опережения увеличивался или уменьшался всего на 1° без реального увеличения мощности. И все это говорит лишь отом, что эффективное охлаждение впускного заряда значительно облегчает процесс горения.

Но на этом плюсы не заканчиваются. Выделение тепла на такте выпуска также снижается (снижение температуры впускного заряда на 50°С снижает температуру выхлопных газов на 50°С). Поэтому рабочая температура выпускного клапана и в особенности днища поршня также понизится. Следовательно, температура свежей порции впускного заряда также не будет повышаться при следующем такте впуска. Поэтому все остатки выхлопных газов в цилиндре не будут иметь столь высокую температуру, что также будет способствовать снижению температуры свежей порции впускного заряда.

Конечно же, в случае с турбированными двигателями впускной коллектор, турбинное колесо и корпус будут подвергаться меньшим тепловым нагрузкам. Это значительно увеличит срок службы этих компонентов, но в данном случае может быть и обратная сторона медали. Более низкая температура может стать причиной снижения скорости вращения турбинного колеса, если отношение A/R корпуса слишком большое. К тому же времени на раскручивание турбинного колеса также понадобится больше, а максимальное значение наддува может сократиться, так как крыльчатка компрессора не будет вращаться с необходимой частотой. Такая ситуация может возникнуть, если перед установкой промежуточного охладителя корпус был настолько большим, что перепускной поток практически не проходил через перепускной клапан. Хотя этот недостаток можно легко устранить, уменьшив отношение A/R корпуса турбинного колеса.