Выбор комплектующего оборудования двигателя

Выбор комплектующего оборудования двигателя

В следующих главах мы более подробно рассмотрим выбор комплектующего оборудования для двигателя. Однако на данном этапе очень важно рассмотреть основные положения, применимые ко всем турбированным двигателям. Любые модификации, которые понижают крутящий момент на низкой частоте вращения в атмосферном двигателе, будут давать такой же результат и в турбированном двигателе, но, так как в турбированном двигателе предельное значение мощности намного выше, более низкая степень сжатия и менее быстрая реакция дроссельной заслонки, нестабильная работа двигателя при низкой частоте вращения будет более выражена. Поэтому даже незначительные изменения фаз газораспределения и высоты подъема кулачков распредвала, диаметров впускного и выпускного каналов, а также диаметра выхлопной трубы могут крайне негативно сказаться на технических характеристиках при низкой частоте вращения, при этом небольшое Стратегия предотвращения турбоям в турбокомпрессорах появится только в верхнем диапазоне.

Даже кажущиеся не слишком значимыми изменения, в частности размера задней выхлопной трубы, могут снизить мощность в верхней части диапазона. Я помню, как один из гонщиков компании Nissan был очень разочарован, когда, забирая автомобиль после капитального ремонта, обнаружил, что диаметр выхлопной трубы сократился с 76 мм до 63 мм непосредственно перед задним мостом. Конечно же, мощность в верхнем диапазоне пострадала, к тому же все гонщики устанавливали выхлопные трубы диаметром 76 мм, а то и 102 мм. Механикам не удалось убедить гонщика в пользе этих модификаций, поэтому некоторое время спустя он попросил установить на его автомобиль выхлопную трубу большего диаметра. Работая по принципу «клиент всегда прав», механики отправили гонщика в специализированный магазин неподалеку. Через неделю гонщик вернулся и попросил вернуть оригинальную выхлопную трубу диаметром 63мм. Причиной столь резкой перемены стало то, что верхняя часть диапазона мощности «исчезла», а при средней частоте вращения была слишком низкой.

Эффективность комплектующего оборудования двигателя определяется соответствующей установкой и обслуживанием. Даже самые лучшие выхлопные трубы не улучшат технические характеристики, если фланцы прокладок протекают, повреждены или деформированы, а также если трубопроводы потрескались, так как на них был установлен турбокомпрессор и отводящий патрубок. Любые утечки в системе выпуска отработанных газов перед турбокомпрессором увеличивают вероятность возникновения турбоям. Конечно же, то же самое относится и к системе впуска, поэтому тщательно проверьте все соединения, смочив их мыльной водой при работающем турбокомпрессоре. Также устраните утечки вклапане сброса давления.

Важность соответствующей настройки

Меня расстраивают люди, которые готовы потратиться на дорогие высокотехнологичные турбокомпрессоры, а потом признаются, что не могут позволить себе оптимизировать систему впрыска и зажигания. Нет смысла устанавливать дорогую систему питания, которая не будет откалибрована должным образом, и будет просто безумием сделать все правильно и пожалеть средства на программирование системы управления двигателем на динамометрическом стенде, чтобы системы питания и зажигания работали должным образом на всем диапазоне частоты вращения двигателя и при любой нагрузке. Запомните: появление турбоям может быть вызвано как несоответствующими настройками, так и неправильным подбором размера турбокомпрессора или распредвала. Поэтому, если вашего бюджета не хватит на покупку дорогого турбокомпрессора инастройку системы управления двигателя, лучше выбрать более дешевый турбокомпрессор и сэкономить деньги на калибровку.

В автомобилях, оснащенных заводским турбокомпрессором, стоит сохранить оригинальный блок управления, датчик интенсивности потока воздуха и форсунки, так как это поможет значительно сократить затраты на калибровку и избежать трудностей, которые могут привести кобразованию турбоям. Запомните: производитель тратит огромные средства на создание графиков производительности систем питания изажигания, поэтому не думайте, что сможете выполнить эту работу лучше. Если это действительно заводские настройки, старайтесь быть консервативны и не меняйте ничего, так как обогащенная топливовоздушная смесь при высокой нагрузке и смещении угла опережения зажигания в сторону отставания действительно может быть полезна в модифицированном двигателе с большим турбокомпрессором и более высоким давлением наддува. Важным условием в таком случае является наличие промежуточного охладителя, который сможет понижать температуру впускного заряда при более высоком давлении наддува.

Чтобы увеличить интенсивность потока воздуха и количество топлива, поступающего в двигатель, устанавливается вторичная система. Как показано на рис. 8.1, вторичная система направляет поток непосредственно в турбокомпрессор, в то время как в заводском исполнении поток будет направлен под углом. Вторичная система оснащена встроенным корпусом дроссельной заслонки с сервоприводом, которая управляется электромагнитным клапаном посредством датчика давления. Вместо того чтобы использовать датчик интенсивности потока воздуха, вторичная система работает на основании сигналов датчика абсолютного давления в коллекторе с отдельным блоком управления, контролирующим подачу топлива, и дополнительным комплектом форсунок, которые подают топливо в область около впускного отверстия каналов.

Рис. 8.1. Вторичная система впуска позволяет заводскому электронному блоку управления обеспечивать подачу необходимого количества топлива и угол опережения зажигания при стандартных технических характеристиках, а вторичный электронный блок управления контролирует дополнительный комплект форсунок, которые подают топливо при повышенной интенсивности потока воздуха.

Подобная система идеально подойдет для автомобиля, который используется как для ежедневных поездок в условиях городского движения, так идля участия в гонках. Заводской блок управления обеспечивает соответствующее функционирование всего дополнительного оборудования автомобиля и также подходящие для движения по городу технические характеристики, а в то же время вторичная система будет поставлять дополнительные количества воздуха и топлива при высоких уровнях нагрузки. В действительности, если правилами соревнований разрешено использовать экзотические виды топлива, вторичная система может быть оснащена отдельным топливным баком и насосом. Затем, вместо того чтобы использовать впрыск воды, чтобы устранить детонацию, вторичная система может впрыскивать толуол, топливо Avgas или другое топливо свысоким октановым числом во впускной заряд.

Влияние передаточных отношений

Мы подробно поговорим о передаточных отношениях в последней главе, а пока мы обсуждаем тему турбоям, важно учитывать, что слишком большие зазоры между передаточными отношениями и слишком высокие передаточные отношения усугубляют проблемы, связанные споявлением турбоям. Следовательно, если вы планируете выполнять модификации, которые снижают крутящий момент на низкой частоте вращения двигателя и реакцию дроссельной заслонки, необходимо также подумать о снижении передаточного отношения главной передачи, атакже об укороченной передаче коробки передач.

Необходимо признать тот факт, что за несколькими исключениями производители оснащают автомобиль повышающей передачей с высоким передаточным отношением только для того, чтобы снизить уровень шума в салоне, а также расход топлива при движении по скоростным шоссе. Обычно с шестиступенчатыми коробками передач проблем не возникает. Часто верхняя передача будет одинаковой в пятиступенчатой ишестиступенчатой коробке передач. Это означает, что зубья шестерни будут расположены ближе друг к другу в шестиступенчатой коробке передач и, следовательно, будут способны преодолевать турбоямы, так как двигатель сможет работать в оптимальной части диапазона мощности при выходе из поворота в большинстве случаев.

Например, в заводском исполнении автомобиль Subaru WRX является типичным представителем с турбированным двигателем и пятиступенчатой коробкой передач. При выборе верхней передачи двигатель будет вращаться с частотой чуть выше 3200 об/мин, автомобиль будет двигаться со скоростью 120 км/ч, а промежуток между третьей и четвертой передачами будет очень большим – примерно 30%. Для сравнения стоит отметить, что в коробках передач с укороченными передаточными отношениями промежуток между передачами будет составлять 22–24%, а в коробках передач с короткими передаточными отношениями – 26–28% между второй и третьей передачами и 20–23% между третьей и четвертой передачами.

Когда компания Subaru разработала высокотехнологичный двигатель WRX Sti с модифицированными распредвалами, более низкой степенью сжатия (8:1 против 9:1), турбокомпрессором больших размеров, передаточные отношения были понижены (частота вращения на скорости 120 км/ч составила 4000 об/мин), а промежутки между второй и третьей, третьей и четвертой передачами составили около 25%. Но даже после изменения передаточных отношений двухлитровый двигатель Sti не демонстрировал высокую мощность при частоте вращения 4000 об/мин. Следовательно, когда появился двигатель объемом 2,2 л 22-В Sti, компания Subaru решила не менять передаточные отношения.

Для некоторых рынков компания Subaru также производила модель WRX Rally. По-моему, эта версия оснащена пятиступенчатой коробкой передач, которая бы идеально подошла модели WRX, предназначенной для использования в условиях городского движения. Повышающая передача достаточно скоростная и не сводила бы вас с ума при движении по шоссе, как в модели Sti. Промежутки между передаточными отношениями позволяют сохранить заводские кулачки, высокую степень сжатия (8,5:1 при установке промежуточного охладителя в передней части) и турбокомпрессор несколько меньших размеров, чем на модели Sti.

Когда я готовил этот материал к печати, компания Subaru указала, что в следующей модели WRX (MYO2) передаточные отношения будут изменены, чтобы устранить недоработки. Первые три передачи будут иметь более низкие передаточные отношения (3,166; 1,882; 1,296), но четвертая и пятая передачи останутся такими же (0,97 и 0,74). Передаточное отношение дифференциала будет изменено с 3,9:1 до 4,444:1, чтобы обеспечить более низкое общее передаточное отношение, близкое по значению к модели WRX Rally (14,07; 8,36; 5,76; 4,31; 3,29). Промежутки между передачами от первой до пятой будут составлять соответственно 40,6%, 31,31%, 25,2% и 23,7%, что позволит уменьшить промежуток между третьей и четвертой передачами.

Технологии, использующиеся в турбокомпрессорах, чтобы уменьшить турбоямы

В главе3 мы рассмотрели разработки компании Porsche в области последовательных турбокомпрессоров, которые были направлены на устранение турбоям. Компании Toyota и Mazda последовали по тому же пути в более поздних моделях Supra и RX-7, а автомобиль Subaru Liberty B4 был сразу оснащен последовательным турбокомпрессором. Также несколько крупных компаний, занимающихся тюнингом, выпустили комплекты для последовательных турбокомпрессоров, но в целом эти системы не получили распространения. На самом деле некоторые ателье по тюнингу сколотили капитал на модификации моделей RX-7, устанавливая один турбокомпрессор на автомобили, владельцы которых разочаровались вналичии второго турбокомпрессора. Подобное произошло и с автомобилями модели Supra, так как многие владельцы предпочли небольшой турбокомпрессор с более узкими выхлопными трубами заводской комплектации с двумя турбокомпрессорами.

Производители автомобилей и турбокомпрессоров искали более простой и экономный способ борьбы с турбоямами. В той же главе мы увидели, что пристальное внимание в этот момент привлекли керамические турбинные колеса, которые устраняли большую часть инерционности вращающихся компонентов (с тех пор компания Nissan устанавливала также очень легкую крыльчатку из углеродного волокна на модели Skyline GT-R), а шариковые подшипники использовались для снижения трения. Однако самой яркой новацией, без сомнения, была технология регулируемого сопла.

Компания IHI разработала специальные шариковые подшипники для быстрого раскручивания турбинного колеса для двигателей Honda, участвующих в гонках «Формулы-1», а позже эти технологии применялись при производстве серийных автомобилей.

Легкое керамическое турбинное колесо ускоряет раскручивание турбокомпрессора, но следует избегать слишком высокого давления наддува.

Мы уже рассматривали турбокомпрессор с регулируемым соплом компании Garett, оснащенный большим количеством лопаток. Они закрывались, когда интенсивность потока выхлопных газов становилась низкой, уменьшая диаметр сопла и оптимизируя ускорение турбинного колеса. Затем лопатки постепенно открывались по мере увеличения интенсивности потока выхлопных газов, чтобы сократить обратное давление, контролировать давление наддува, снизить расход топлива и увеличить мощность (см. рис. 8.2). По сути, все это работало по принципу турбокомпрессора с маленьким отношением A/R при низкой частоте вращения, а при увеличении частоты вращения турбокомпрессор работал так, как будто отношение A/R было выше. Следовательно, турбоямы резко сократились. Если же сравнивать время реакции турбокомпрессоров срегулируемым соплом с большим количеством лопаток и обычных турбокомпрессоров того же размера, оказывается, что последним необходимо на 70–90% больше времени, чтобы создать то же давление наддува (рис. 8.3).

Рис. 8.2. Турбокомпрессор компании Garett с регулируемым соплом представляет собой конструкцию сизменяемой геометрией и большим количеством лопаток.

Рис. 8.3. Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией создают необходимое давление наддува намного быстрее, чем обычные турбокомпрессоры.

Компания Garett была не единственной компанией, которая производила турбокомпрессоры с регулируемым соплом с несколькими лопатками. Компании Mitsubishi и IHI также занимались разработками в этой области, но, возможно, Aerodyne Aerocharger был наиболее известным образцом. Конечно, конструкция с большим количеством лопаток обходится производителю дороже, к тому же большое количество подвижных лопаток негативно сказывается на прочности агрегата. В некоторых видах конструкций в зависимости от вида турбокомпрессора и ограничителей давления наддува иногда нет необходимости в установке перепускного клапана (скорость вращения турбинного колеса и давление наддува будут регулироваться при полном открытии лопаток), поэтому тут можно сэкономить некоторые средства.

Эти факторы – высокая стоимость, сложность исполнения и проблемы с надежностью – способствовали развитию других конструкций спеременными соплами. Возможно, наибольшее распространение получит конструкция типа «twin scroll» (так как она обеспечивает хорошие технические характеристики, кроме того, она достаточно прочная и дешевая в производстве). Обычно размеры первичного и вторичного каналов отличаются. Небольшой первичный канал, например в двигателе Mazda RX-7, открывается при низкой частоте вращения, в режиме работы снебольшим объемом газа. Оба канала открываются при высокой частоте вращения, в режиме работы с интенсивным потоком выхлопных газов (рис. 8.4). Опять же влияние на технические характеристики аналогично случаю с корпусом турбинного колеса с небольшим отношением A/R при низкой частоте вращения и большим отношением A/R при высокой частоте вращения.

В турбокомпрессоре с регулируемым соплом поток выхлопных газов может контролироваться посредством заслонки в конструкции типа «twin scroll».

Единственной проблемой конструкции типа «twin scroll» с подвижной заслонкой является то, что в закрытом состоянии заслонка создает колебание потока выхлопных газов, а любые препятствия, которые могут ограничить или создать турбулентность потока, приведут кзначительному снижению технических характеристик.

В другой конструкции турбокомпрессора с регулируемым соплом используется перемещающаяся в горизонтальном положении пластина (рис. 8.5), чтобы заблокировать вторичный канал и не пропустить поток выхлопных газов к турбинному колесу. Подобная конструкция создает еще большую турбулентность потока на входе в корпус турбинного колеса, когда вторичный канал закрыт. Однако эта конструкция обладает некоторыми преимуществами, так как для приведения в действие этой пластины нужен только один привод, при этом пластина будет выполнять функции регулируемого сопла и перепускного клапана. Привод поворачивает управляющий рычаг на 90°, чтобы переместить пластину в открытое положение. Когда давление наддува достигает предельного значения, привод перемещает управляющий рычаг дальше, таким образом отодвигая пластину от края вторичного канала, соединяя его с отводящим каналом.

Рис. 8.5. В альтернативной конструкции используется перемещающаяся пластина, контролирующая поток выхлопных газов. В некоторых типах конструкции пластина работает в качестве перепускного клапана, перемещаясь дальше вправо, чтобы подсоединить вторичный канал к отводящему каналу.

В 1992 году компания Garett выпустила еще один турбокомпрессор с регулируемым соплом, который получил название VAT 25 (Variable Area Turbine). Установленный на автомобиль Peugeot с двухлитровым двигателем модели Т16, турбокомпрессор позволил получить мощность 196 л.с. при частоте вращения 5200 об/мин и крутящий момент 287 Н•м при частоте вращения от 2600 об/мин до 4500 об/мин. При овербусте мощность увеличивалась до 216 л.с., а крутящий момент – до 317 Н•м при частоте вращения от 2400 до 4500 об/мин. Конструктивно это устройство состояло из одной подвижной лопатки, которая контролировала скорость перемещения потока выхлопных газов по мере приближения ктурбинному колесу. В закрытом положении интенсивность потока увеличивается, что заставляет турбинное колесо вращаться быстрее, подобно корпусу турбинного колеса с небольшим отношением A/R. По мере увеличения скорости вращения и объема выхлопных газов пластина перемещается в открытое положение, эффективно увеличивая объем корпуса, снижая обратное давление выхлопных газов и увеличивая интенсивность их потока (рис. 8.6). Этот тип конструкции достаточно надежен в эксплуатации, однако в режиме закрытой пластины энергия выхлопных газов не расходуется оптимально. Наличие одной лопатки приводит к потерям из-за образования турбулентного следа. Также нагнетание газа в турбинное колесо далеко от идеального из-за угла соударения и неравномерного распределения интенсивности потока, что приводит к еще большим потерям.

Рис. 8.6. Турбокомпрессор компании Garett оснащен одной подвижной лопаткой.

Возможно, в попытке преодолеть эти потери компания Mitsubishi разработала конструкцию с двумя лопатками (рис. 8.7), которая была практически такой же эффективной, как и конструкция с большим количеством лопаток, но более надежной и дешевой в производстве. Две лопатки перемещались одновременно и вместо двух положений (закрыто/открыто) обеспечивали действительно регулируемый размер сопла. Однако ситуация может измениться, так как различия в технических характеристиках между положением открыто/закрыто и постоянно изменяемым положением незначительны. На ранних этапах исследований компания Mitsubishi установила, что стандартному турбокомпрессору стандартного размера потребуется на 70–80% больше времени, чтобы создать такое же давление наддува, а максимальное значение наддува не будет достигнуто, пока частота вращения двигателя не увеличится на 15%. На этом двигателе объемом 2,0 л лопатки остаются закрытыми, пока частота вращения не достигнет 1750 об/мин. После этого двигатель будет производить на 25% больше мощности, чем двигатель, оснащенный стандартным турбокомпрессором. Как только частота вращения превысит значение 1750 об/мин, лопатки будут постепенно открываться иоткроются полностью, когда частота вращения достигнет значения 2500 об/мин. Похвально то, что из-за особенностей конструкции корпуса турбинного колеса мощность при высокой частоте вращения будет такой же, как и в стандартном турбокомпрессоре. Это указывает на то, что энергия потока выхлопных газов используется оптимально.

Рис 8.7. Компания Mitsubishi использует конструкцию с двумя лопатками.