Игорь Скрипник
Тюнинг автомобиля своими руками

Полная версия

Наддув двигателя

Также для увеличения мощности двигателя применяют наддув. Мощность двигателя с наддувом в значительной мере пропорциональна давлению наддува. Это позволяет ориентировочно оценить значение мощности, получаемое при наддуве двигателя, по формуле: Pek = Pe (р_ka / рo), где Pek – мощность двигателя с наддувом; Pe – мощность двигателя без наддува; р_ka – абсолютное давление наддува; рo – атмосферное давление.

Применение наддува влечет за собой увеличение тепловой нагрузки на детали двигателя. Решение этой проблемы может быть достигнуто, например, путем охлаждения поршней маслом через специальные форсунки со стороны картера, а также установкой жаростойких клапанов. Система охлаждения также должна быть рассчитана на отвод большего количества теплоты. Это достигается установкой радиатора большего размера, а у двигателей с воздушным охлаждением – увеличением количества охлаждающего цилиндры воздуха. В зависимости от уровня форсирования двигателя может потребоваться и эффективное охлаждение смазочного масла.

Следует иметь в виду, что при отсутствии наддува мощность наддуваемого бензинового двигателя, как правило, ниже, чем у двигателя без наддува, который не предназначается для наддува. Основная причина здесь в том, что у двигателя с наддувом для предотвращения детонационного сгорания геометрическую степень сжатия несколько уменьшают. Вопрос о правильном выборе степени сжатия для двигателя с наддувом имеет очень важное значение, особенно для бензиновых двигателей.

В этой связи необходимо различать степень сжатия геометрическую е и степень сжатия эффективную ее. Для пояснения напомним формулу для определения геометрической степени сжатия, которая имеет вид е = (Vs + Vc) / Vc, где Vs – рабочий объем цилиндра; Vc – объем камеры сгорания.

То есть геометрическая степень сжатия (далее – степень сжатия) представляет собой отношение полного объема над поршнем (при положении поршня в НМТ) к объему над поршнем при положении его в ВМТ.

В современных автомобильных двигателях стремятся иметь значение степени сжатия максимально возможным, так как при этом достигаются наиболее высокие значения мощности и крутящего момента, а удельный эффективный расход топлива будет меньше. И все же верхнее значение е не может быть безгранично высоким.

В бензиновых двигателях значение е ограничивают из условия недопустимости возникновения детонационного сгорания. Удовлетворяющую этому условию границу называют границей детонации. Граница детонации зависит не только от значения е, но и от других конструктивных параметров двигателя (например, от формы камеры сгорания, количества свечей зажигания на один цилиндр и т. п.), а также качества используемого топлива.

В дизельных двигателях в связи с особенностями процесса смесеобразования (в цилиндре сжимается чистый воздух, а не готовая к сгоранию смесь) проблема возникновения детонационного сгорания отсутствует. Здесь необходимо избегать пониженных значений степени сжатия, с тем чтобы и при неблагоприятных условиях (например, при очень низкой температуре окружающей среды) обеспечить надежное самовоспламенение смеси в цилиндре. Поэтому легковые автомобили оснащаются дизельными двигателями со степенью сжатия от 19 до 23. При этом более высокие значения е назначаются в двигателях с предкамерным и вихрекамерным смесеобразованием, где поверхность камеры сгорания увеличенная. Большие значения е являются основной причиной высокой экономичности дизельных двигателей. Дальнейшее увеличение е не дает существенного выигрыша в экономичности, но требует более жесткой конструкции основных деталей двигателя, а следовательно, увеличения его металлоемкости, что для автомобильного двигателя крайне нежелательно.

Степень сжатия автомобильных дизельных двигателей с наддувом оставляют практически такой же, как и в двигателях без наддува. При возникновении значительной тепловой нагрузки на поршни проблема решается, например, путем опрыскивания днища поршней моторным маслом через специальные форсунки со стороны картера. Степень сжатия бензиновых двигателей без наддува при используемом в центральной Европе топливе составляет от 7 до 11. Для нижней границы этого диапазона применяется бензин А-76, тогда как для верхней требуется бензин Super с октановым числом, определенным по исследовательскому методу, не менее 98 единиц (соответствует АИ-98).

В бензиновых двигателях за счет настройки систем впуска и выпуска даже при отсутствии наддува давление конца сжатия в цилиндре может превышать давление, обеспечиваемое только за счет геометрической степени сжатия. А в случае применения наддува уровень давления, при котором осуществляется рабочий цикл, становится выше, поэтому, если не принять специальных мер, легко может быть достигнута и даже превышена граница детонации.

Между геометрической и эффективной степенью сжатия, действительно имеющейся в двигателе, часто возникает значительная разница. Определить значение эффективной степени сжатия приближенно можно по формуле ее = е (р_ka /ро)^1/к, где k – показатель адиабаты (численное значение равно 1,41). Формула дает удовлетворительные результаты при допущении, что температура в конце процесса сжатия у двигателя с наддувом и без наддува одинаковая. Очевидно, что для обеспечения бездетонационного сгорания при увеличении наддува геометрическую степень сжатия необходимо уменьшать. Например, если двигатель без наддува имеет степень сжатия 10, то в случае наддува его при давлении р_ka = 1,3 бар следует геометрическую степень сжатия уменьшить до 8,3, а в случае наддува при давлении р_ka = 1,8 бар – до относительно низкого значения 6,6.

Важным фактором, позволяющим повысить степень сжатия без риска возникновения детонационного сгорания, является охлаждение наддувочного воздуха. Например, если двигатель с наддувом и без холодильника наддувочного воздуха уже при степени сжатия 8 работает близко к границе детонации, то при оснащении его эффективным холодильником степень сжатия удается повысить до 9.

В своем пособии В. Н. Степанов выделяет два вида тюнинга двигателя посредством наддува. Первый, сравнительно простой вид, заключается в увеличении мощности имеющегося двигателя с наддувом. Второй, более сложный вид, состоит в наддуве двигателя, проектировавшегося первоначально для работы без наддува.

В первом случае можно повысить мощность относительно просто за счет увеличения давления наддува. Используемые для этого приемы будут рассмотрены ниже. Определяющим критерием здесь является прирост мощности двигателя примерно на 10 % при увеличении наддува на 0,1 бар. Но подходить к этому следует, конечно, достаточно осторожно. Без проведения дополнительных мероприятий нельзя рекомендовать повышение давления наддува двигателя более чем на 0,1 бар. Это связано с возможностью возникновения детонации и перегрузок деталей кривошипно-шатунного механизма. Однако давление наддува можно увеличить, например, и на 0,2 бар, если дополнительно установить холодильник наддувочного воздуха или заменить уже имеющийся холодильник на холодильник большего размера, соответственно увеличив его пропускную способность. При форсировании двигателя за счет наддува возрастают тепловая нагрузка на детали цилиндро-поршневой группы и механическая нагрузка на трансмиссию. Поэтому, если не предпринять меры по более эффективному охлаждению наддувочного воздуха и усилению трансмиссии, то даже достаточно мощные двигатели можно форсировать лишь незначительно. Не рекомендуется эксплуатировать такие двигатели длительное время с полной нагрузкой.

Второй вид тюнинга, то есть последующее оснащение наддувом безнаддувного двигателя, предъявляет значительные требования к специальным знаниям, а также техническим решениям, которые практически может реализовать занимающаяся тюнингом фирма. Трудность заключается не только в том, что не всегда просто выбрать и настроить турбокомпрессор. Помимо этого необходимо конструировать некоторые детали заново или же изменить их конструкцию. И чем больше должна быть мощность двигателя, тем выше, в принципе, затраты на проведение работ. В непосредственном окружении двигателя подвергаются изменениям или заново проектируются и изготавливаются следующие узлы и системы: передача силового потока от двигателя к трансмиссии (сцепление); система выпуска отработавших газов; впускной тракт системы питания, включая приготовление горючей смеси; системы охлаждения и смазки; система зажигания, включая свечи зажигания.

При наддуве двигателя, который первоначально не предназначался для наддува, часто необходимо уменьшить его геометрическую степень сжатия е. Уменьшение возможно за счет применения поршней с уменьшенной высотой от оси поршневого пальца до днища, за счет более толстой уплотнительной прокладки головки цилиндров, а также за счет увеличения объема камеры сгорания непосредственно в самой головке цилиндров. Прочие мероприятия (например, охлаждение днища поршня путем опрыскивания его маслом из специальной форсунки со стороны картера или усиление поршневых пальцев из-за возрастающих затрат на реконструкцию) проводятся очень редко. Часто, чтобы затраты на тюнинг двигателя не превысили определенного значения, отказываются даже от уменьшения степени сжатия. В этом случае для бензиновых двигателей необходимо угол опережения зажигания и давление наддува согласовать с высокой степенью сжатия. При значительном повышении мощности двигателя за счет наддува могут потребоваться значительные изменения ходовой части, тормозной системы и трансмиссии (передаточных отношений коробки передач и главной передачи).

Ориентировочно за верхнюю границу абсолютного давления наддува в зависимости от назначения двигателя можно принять следующие значения:

• серийные автомобили для обычных дорог – р_ka = 1,41,8 бар;

• автомобили спортивные и для ралли – р_ka = 1,8–2,5 бар;

• автомобили Формулы-1 и для установления рекордов – р_ka = 2,8–3,4 бар.

В серийных автомобилях имеет место тенденция к установке двигателей с высокой степенью сжатия и невысоким давлением турбонаддува, тогда как в гоночных автомобилях за счет различных дополнительных мероприятий (например, впрыскивания воды) стремятся к все более высоким давлениям наддува.

В современном автомобилестроении наддув двигателей выполняется различными способами, для реализации которых применяют основанные на разных принципах действия нагнетатели и турбокомпрессоры. Исторически сложилось так, что термин «нагнетатель» применяется, в основном, к устройствам сжатия воздуха, имеющим механический привод от коленчатого вала двигателя. Наддув двигателя с помощью нагнетателей, имеющих механический привод от коленчатого вала, известен с 30-х годов XX в. В настоящее время наиболее известны конструкции механических нагнетателей Roots, Sprintex (со спиральными лопастями), Zoller, Wankel. Справедливости ради следует сказать, что нагнетатели фирмы Wankel и Zoller (шиберные или пластинчатые) так и не вышли из стадии опытной разработки.

Более сложным технологически в изготовлении является нагнетатель серии G, получивший свое название из-за формы спиралей, напоминающей эту букву. Идея такого нагнетателя была известна еще в начале XX века, но впервые была реализована фирмой Volkswagen в 1985 г. Нагнетателем G40 фирма VW оснащала двигатели автомобилей Polo вплоть до 1994 г. При рабочем объеме двигателя 1,3 л применение наддува позволило получить мощность 83,2 кВт (113 л. с.). С 1988 г. фирма комплектовала некоторые двигатели автомобилей Corrado и Passat нагнетателем повышенной производительности G60, в результате чего при рабочем объеме двигателя 1,8 л он развивал мощность 117,8 кВт (160 л. с.).

Цифра в маркировке нагнетателей серии G означает ширину их спиралей. При частоте вращения ротора 10200 1/мин нагнетатель серии G способен создать избыточное давление до 0,72 бар. При параметрах нагнетателя, обеспечивающих наибольшее значение максимального крутящего момента, заслонка перепускного трубопровода во время работы бензинового двигателя на номинальной мощности должна приоткрываться, чтобы избежать переобеднения смеси.

Общий существенный недостаток, присущий всем нагнетателям с механическим приводом от KB, по мнению В. Н. Степанова, – это необходимость затрат на их привод части мощности, развиваемой двигателем. По этой причине при одинаковом давлении наддува двигатель с нагнетателем несколько проигрывает в экономичности двигателю с турбокомпрессором. Главные преимущества нагнетателей с механическим приводом от KB заключаются в том, что при воздействии на педаль акселератора их производительность практически мгновенно изменяется. Это позволяет обеспечивать быструю ответную реакцию двигателя на изменение нагрузки и его высокую приемистость. Кроме того, двигатель с таким нагнетателем характеризуется более крутой кривой зависимости мощности от частоты вращения KB и отличается достаточно большим крутящим моментом при пониженной частоте вращения.

Именно благодаря названным преимуществам эти нагнетатели достаточно широко применяются при тюнинге двигателей автомобилей, к динамическим качествам которых предъявляются повышенные требования. Последнее наглядно продемонстрировано на международной автомобильной выставке во Франкфурте в сентябре 1999 г., где представили свою продукцию три десятка европейских тюнинговых фирм. Так, фирма Lorinser показала автомобили Mercedes с V-образными 8-цилиндровыми бензиновыми двигателями, оборудованными системой впрыскивания с измерителем массового расхода воздуха и нагнетателем с механическим приводом. Благодаря наддуву мощность базового двигателя Е430 была увеличена на 24 % и составила 255,4 кВт (347 л. с.). Максимальный крутящий момент возрос на 27,5 % и достиг значения 510 Нм. Форсирование аналогичным способом базового двигателя Е 50 AMG позволило увеличить мощность и максимальный крутящий момент примерно на 17 %, в результате чего эти показатели достигли значений соответственно 305,4 кВт (415 л. с.) и 620 Нм.

В нагнетателях, названных выше, сжатие воздуха и вытеснение его во впускной коллектор двигателя происходит благодаря уменьшению объема полости, заключенной между рабочими элементами нагнетателя. То есть имеет место механическое сжатие свежего заряда. В волновом нагнетателе Comprex фирмы Asea-Brown-Boweri объем аксиально расположенных полостей в роторе не изменяется. По конструкции ротор, имеющий механический привод от KB, напоминает барабан револьвера. При вращении ротора торец полости с заполнившим ее свежим воздухом подходит к отверстию, через которое в эту полость начинают поступать отработавшие газы. В результате взаимодействия горячих ОГ с холодным воздухом образуется волна давления. Фронт этой волны сжимает воздух, и при подходе торца полости к отверстию впускного коллектора происходит вытеснение воздуха в коллектор.

Так как ротор продолжает вращаться, то торец полости ротора уходит от отверстия впускного коллектора, и ОГ не успевают проникнуть туда вслед за сжатым воздухом. Выпуск ОГ происходит уже в отверстие выпускного трубопровода, после чего в полости ротора создается разрежение, способствующее наполнению полости свежим воздухом при перемещении торца ротора к отверстию впускного трубопровода. Далее этот процесс при вращении ротора повторяется в каждой его полости.

Волновой нагнетатель уже достаточно хорошо себя зарекомендовал и успешно применяется некоторыми автомобильными фирмами. В частности, японская фирма Mazda использует его на одном из своих серийных двигателей.

Сравнение приемистости механического и волнового нагнетателей показывает, что оба они достаточно быстро реагируют на изменение положения педали акселератора, обеспечивая требуемое давление наддува за считанные доли секунды. Тем не менее, механический нагнетатель делает это несколько быстрее.

Реакция турбокомпрессора (ТК) на изменение положения педали акселератора более замедленная. Для примера можно привести такие цифры: с момента изменения положения педали в режиме холостого хода давление наддува в 1,5 бар механический нагнетатель обеспечивает примерно за 0,25 секунды, волновой нагнетатель – за 0,80 секунды, а ТК – за 2,15 секунды. Такая низкая приемистость объясняется отсутствием механической связи ротора ТК с коленчатым валом двигателя. Замедленная реакция срабатывания ТК на изменение частоты вращения KB наглядно представлена на рисунке 10.

Рис. 10. Изменение параметров рабочего процесса дизельного двигателя 8ЧН13/14 при пуске из холодного состояния при температуре окружающей среды +20 °C: p_ka – абсолютное давление наддува; n_k – частота вращения ротора ТК; а – коэффициент избытка воздуха; n – частота вращения KB; p_max – максимальное давление сгорания; p_c – давление конца сжатия

Отсчет времени дан с момента достижения ВМТ поршнем в индицируемом цилиндре. Как видно из рисунка, в течение первых 0,6–0,7 секунды при возрастающей частоте вращения KB давление во впускном коллекторе p_ka уменьшается, несмотря на повышение значения nk.

Некоторое увеличение при этом коэффициента избытка воздуха а является следствием уменьшения цикловой подачи топлива, обеспечиваемой регулятором частоты вращения КВ. Монотонное увеличение давления наддува p_ka начинает проявляться лишь по достижении ротором ТК значения nk = 8500 1/мин. На значительную инерционность ротора ТК указывает и то, что после выключения регулятором цикловой подачи топлива при достижении коленчатым валом частоты вращения 1200 1/мин и последующем отсутствии вспышек в цилиндрах двигателя в течение примерно 0,6 секунды частота вращения ротора ТК продолжает возрастать. Но даже при nk ≈ 12500 1/мин давление наддува остается все еще ниже атмосферного давления. Это обстоятельство косвенно указывает на то, что при частичных нагрузках энергии отработавших газов недостаточно, чтобы обеспечить давление наддува, необходимое для создания повышенного крутящего момента.

Причины плохой приемистости ТК обусловлены принципом его действия. В турбокомпрессоре с одного конца ротора жестко закреплено турбинное колесо, а с другого конца – компрессорное колесо. Протекающие через лопатки турбинного колеса горячие отработавшие газы приводят ротор во вращение, благодаря чему компрессорное колесо вращается с такой же скоростью и производит сжатие и подачу в двигатель необходимого ему воздуха. Обеспечив таким образом подачу в цилиндры большего количества воздуха, можно увеличить и количество подаваемого топлива, повышая за счет этого агрегатную мощность двигателя. При этом на привод ТК не требуется отбирать от двигателя часть его мощности, как это имеет место в случае применения нагнетателей с механическим приводом. В данном случае ТК для сжатия свежего заряда использует часть энергии отработавших газов, которая в двигателях без наддува безвозвратно теряется. Благодаря этому у двигателя с турбонаддувом эффективный КПД и экономичность несколько выше, чем у двигателя без наддува или с нагнетателем, имеющим механический привод. Однако по приемистости двигатель с турбонаддувом из-за инерционности ТК уступает как двигателю без наддува, так и двигателю с нагнетателем, имеющим механический привод.

Турбокомпрессоры для автомобильных двигателей имеют относительно небольшие габаритные размеры и незначительную массу. Чем меньше габариты ТК, тем большую частоту вращения может иметь ротор (нередко она превышает значение 100 000 1/мин).

Наиболее известными в мире изготовителями ТК для легковых автомобилей считаются немецкая фирма ККК (Kuhnle, Kopp и Kausch), специализирующиеся по турбонаддуву американская фирма Garrett и японская фирма IHI. Названные фирмы в программе поставок имеют ТК различных типоразмеров практически для любого диапазона мощности.

На практике для правильного выбора ТК, предназначенного для наддува автомобильного двигателя сравнительно небольшой мощности, необходимо знать следующие параметры двигателя: рабочий объем; максимальную частоту вращения KB; максимальную мощность; внешнюю скоростную характеристику по мощности.

При сжатии в нагнетателе или компрессоре воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а следовательно и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Чтобы создать условия для сгорания в цилиндре большего количества топлива, принимают меры для увеличения коэффициента наполнения n_v. Для этого сжимаемый в нагнетателе воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в холодильнике, который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом.

Холодильники наддувочного воздуха бывают двух типов. В одних холодильниках охлаждение наддувочного воздуха производится путем обдувания их оребренной поверхности набегающим воздушным потоком, в других функцию охладителя выполняет жидкость системы охлаждения двигателя. При использовании в качестве охладителя потока набегающего воздуха для повышения эффективности охлаждения холодильник должен устанавливаться рядом с радиатором системы охлаждения или перед ним. Холодильник второго типа может устанавливаться в любой зоне объема моторного отсека, однако предпочтение следует отдавать такому его расположению, при котором путь наддувочного воздуха от нагнетателя или турбокомпрессора до цилиндров двигателя будет более коротким и без резких изменений направления движения. С точки зрения экономии места в моторном отсеке предпочтение следует отдать холодильнику, в котором охлаждение производится жидкостью системы охлаждения, так как он при одинаковой эффективности охлаждения имеет меньшие габариты. Приблизительные расчеты показывают, что понижение температуры наддувочного воздуха на 10 °C позволяет увеличить его плотность примерно на 3 %. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент, так что, к примеру, охлаждение воздуха на 33 °C даст увеличение мощности приблизительно на 10 %.

С другой стороны, охлаждение воздушного заряда приводит к понижению температуры в начале такта сжатия и позволяет реализовать ту же мощность двигателя при уменьшенной степени повышения давления в цилиндре. Следствием этого является уменьшение температуры отработавших газов, что положительно сказывается на уменьшении тепловой нагрузки деталей камеры сгорания, а в бензиновых двигателях, кроме того, понижает склонность смеси к детонационному сгоранию. Эта возможность реализуется преимущественно в двигателях с турбонаддувом для дорожных автомобилей. Так как при уменьшении давления наддува требуется меньшая мощность на привод компрессора, то благодаря этому в большинстве случаев возможно использование турбины меньших размеров. Оба мероприятия (уменьшение степени повышения давления и уменьшение размеров турбины) улучшают типично слабые стороны двигателя с турбонаддувом, а именно: позволяют увеличить крутящий момент при низких частотах вращения KB и сократить время выхода на новый режим работы при резком ускорении. Оба этих фактора для эксплуатации двигателя с наддувом в дорожных условиях, конечно, намного важнее, чем достижение высокой максимальной мощности.

В том же направлении оказывают влияние и прочие мероприятия, целью которых является охлаждение наддувочного воздуха в бензиновых двигателях. Пониженные благодаря охлаждению наддувочного воздуха требования к значению октанового числа бензина позволяют увеличить базовую степень сжатия и увеличить угол опережения зажигания. Все вместе это улучшает характеристику крутящего момента и приемистость двигателя с турбонаддувом.