Турбо и все что нужно знать про ЭТО! (Часть 1)

С тех пор, как начали появляться первые турбины на тюнингованных автомобилях, возникает вопрос - кто быстрее, автомобили с турбонаддувом или атмосферники с большими распредвалами?

Ответ однозначен - правильно собранный турбо мотор не оставит никакого шанса самому "злому атмо". Самый мощный атмосферный двигатель на данный момент применяется в боллидах Формула-1, с одного литра объёма двигателя снимается около 300 л/с.

формула 1 турбо Для примера: правильно собранный турбо мотор выдаёт до 900 л/с с литра объёма, при наддуве 5,5 атмосфер. Такие моторы применялись на Формуле-1 во времена турбо-эры с 1977 по 1988 г, с мотора объёмом 1,5 литра снимали от 700 до 1400 л/с (на фото)
.
Подобные моторы сейчас применяются в драг рейсинге класса "top fuel" в США, с мотора объёмом 8,2 литра снимается 7000 л/с.
От куда же берутся эти лошадиные силы? Ведь обычный мотор внутреннего сгорания имеет около 60 л/с с литра.
Обычный мотор расчитан на езду в городских условиях, с крутящим моментом на низких оборотах. Такая компоновка имеет свои ограничения в максимальной мощности и скорости. Цилиндры двигателя имеют огромный потенциал для увеличения мощности без увеличения объёма двигателя.

На сколько можно повысить мощность двигателя с помощью турбины? При увеличении наддува на 1 атмосферу, мощность увеличивается примерно на 100%. То есть если двигатель имел изначально 100 л/с, то при давлении турбонаддува 3 атмосферы (3 бар), его мощность возрастёт до 300 л/с. Естественно двигатель должен быть подготовлен к такой нагрузке: резко возрастает тепловой режим работы мотора - повышается температура клапанов, поршней, масла, охлаждающей жидкости, выпускной системы. Эти элементы должны быть доработаны к условиям возросшей температуры. Возрастает нагрузка на поршни, шатуны, коленвал, блок двигателя, сцепление, трансмиссию. Эти элементы автомобиля должны быть подобраны в соответствии с возросшей мощностью.

Степень сжатия на турбо моторах должна быть уменьшена в зависимости от давления наддува. На самом деле высокая степень сжатия с использованием высокооктанового топлива даёт не такую уж большую прибавку мощности, как разница в цене на топливо. При увеличении степени сжатия на единицу - мощность возрастает примерно на 1,5%. Конечно существует топливо с октановым числом 150 - метиловый спирт. Его использование на атмосферном двигателе позволяет применять степень сжатия 1:15, но прибавка мощности с высокооктановым топливом слишком несущественна. Так что не нужно скупиться на уменьшении степени сжатия на турбо моторах, и в моторах с закисью азота. На мощных турбо моторах степень сжатия находится в пределах 7-8, в зависимости от применяемого топлива. Детонация очень разрушает мотор, так что лучше меньше, чем больше.

Выбор турбины.
Турбины ТКР.

ТКР
Турбины произведённые в России и странах СНГ имеют обозначение - ТКР. Существует несколько типов, которые отличаются размерами и производительностью, а так же КПД от 43 до 77%. Они используются на дизельных двигателях разной мощности, серийное применение на бензиновых двигателях данных турбин пока отсутствует.
Возможно ли применение турбин ТКР на бензиновых двигателях?
Да возможно.
Не сгорят ли лопасти турбины, предназначенной для дизельных двигателей, на бензиновом моторе, ведь температура горения бензина выше чем солярки?
Случаев сгорания лопастей турбины от дизеля на бензиновом двигателе в практике не обнаружено. Температура выхлопных газов прежде всего отдаётся поршням, клапанам, блоку цилинров, выпускному коллектору, и только потом - турбине.

Турбины Garrett.

Широкое распространение в использовании на серийных дизельных и бензиновых двигателях получили турбины Garrett, которые производятся на 14 заводах по всему миру. Они так же активно используются в автоспорте и тюнинге. Имеются турбины Garrett не только с подшипниками скольжения (бронзовые втулки) как на ТКР, но и с шарикоподшипниками, которые имеют обозначение с буквой "R", например GT42R. Шарикоподшипники менее чувствительны к масляному голоданию, повышенным оборотам, имеют меньшее трение, и соответственно быстрее раскручиваются. Так же имеются турбины с каналом для охлаждения подшипника с помощью охлаждающей жидкости, что благоприятно сказавается на их сроке службы.

Расход воздуха турбинами и степень повышения наддува.


Каждая турбина имеет определённую производительность накачки воздуха. Максимальное давление наддува получается на оптимальных оборотах ротора, превышать которые не стоит, иначе пострадает подшипник турбины. На данной схеме показана производительность турбин ТКР. Для примера: расход воздуха 0.10 кг/с равняется 130 л/с мощности двигателя. К примеру турбина ТКР-6, которая применяется на машинах типа "Бычок", "Валдай", выдаёт максимально 150 л/с.
На ТКР-6 диаметр компрессорного колеса 60 мм, а на ТКР-10 соответственно 100 мм, это видно из маркировки турбин.

На данной схеме представлен расход воздуха турбин Garrett в фунтах/мин и степень повышения давления (атм). Расход воздуха 50 фунтов в минуту равняется примерно 410 л/с конечной мощности двигателя.
Турбину для тюнинга стоит выбирать с запасом, что бы она работала не на пределе своей производительности. У больших турбин немного больше турболаг (провал), но у них гораздо больший потенциал конечной мощности по сравнению с маленькими турбинами. Маленькая турбина при достижении своего пика прекращает повышать мощность двигателя, и стравливает выхлопные газы в обход крыльчатки (при наличии клапана вестгейт), или разрушается, при отсутствии клапана.
Клапан вестгейт (Wastegate).

Обходной клапан вестгейт служит для защиты подшипника турбины и двигателя от разрушения. Поток выхлопных газов старается раскрутить крыльчатку до бесконечности, тем самым нагнетая всё больше и больше воздуха в двигатель. Соответственно воздух увеличивает количество рабочей смеси, увеличивая поток выхлопных газов. Турбина раскручивается ещё быстрее. Получается замкнутый цикл.
Если этот цикл не остановить, турбина набирает обороты гораздо больше максимальных 100000 об/мин, и подшипник приходит в негодность. Получается люфт, и крыльчатка начинает задевать о корпус турбокомпрессора, мгновенно изнашиваясь. Так же от неконтролируемого повышения мощности может пострадать двигатель.
Обходной клапан бывает двух видов: встроенный и внешний. Встроенный крепится прямо на турбине, и имеет заслонку, которая отводит часть выхлопных газов, при достижении определённого давления, в обход турбины, в глушитель. У него ограниченные возможности, он не может отводить слишком большой поток выхлопных газов.
Внешний клапан выполняет те же функции, но крепится на выпускном коллекторе. При достиженнии заданного давления компрессора, открывается, и начинает стравливать выхлопные газы с выпускного коллектора, в обход турбины - в глушитель, не позволяя раскручиваться турбине больше положенного.


Клапан блоу-оф (Blow-Off).

Его так же называют - байпас, перепускной клапан (Bypass valve). Этот клапан имеет похожее устройство с клапаном вестгейт, и тоже предназначен для того, что бы увеличить срок службы турбокомпрессора. В отличии от вестгейта этот клапан открывается не от давления турбокомпрессора, а от вакуума, который создаётся во впуске при закрытии дроссельной заслонки. Клапан блоу-оф ставится на впускной патрубок, между компрессором и дросселем. А вакуум берётся там же, где и на тормоза: во впускном коллекторе.
Представьте ситуацию: вы разгоняете двигатель, турбина набирает максимальные обороты, давление воздуха во впуске 2,5 атмосферы, поток воздуха на большой скорости поступает в двигатель, и... вы бросаете газ, что бы переключить скорость. Дроссельная заслонка закрывается, но турбина крутится на тех же оборотах. Упс... кажется это был пневмоудар. Лопаткам компрессора в этот момент не позавидуешь.
Вы переключили скорость, а лопатки турбины уже уменьшили своё вращение, и нужно опять их раскручивать, а это потеря времени.
Для того, что бы при закрытии дросселя, воздух нашёл себе путь, и существует клапан блоу-оф. Вакуум образуемый при закрытии дроссельной заслонки мгновенно открывает перепускной клапан, и поток воздуха безпрепятственно выходит на улицу, или на вход турбокомпрессора. Крыльчатка турбины при этом не теряет своих оборотов, и готова раскручиваться вновь, на новой передаче.
Кто то задастся вопросом: ведь воздух на инжекторе посчитан ДМРВ, и не попал в двигатель? При закрытии дросселя на инжекторном двигателе программой прекращается топливоподача, и расчёт подачи топлива вознобновляется, когда мотор сбавит обороты до холостых. Так что никакой "посчитанный" воздух не пропадёт с выходом на улицу.


Интеркулер.

Интеркулер ( промежуточный охладитель воздуха ) является неотъемлемой частью двигателя с турбонаддувом. Он работает примерно как радиатор в автомобиле, только охлаждает не тосол, а воздух, нагретый турбиной. Турбокомпрессор имеет две части - горячую и холодную. Горячая часть раскручивается выхлопными газами, и сильно нагревается. Холодная часть закачивает атмосферный воздух в мотор, при этом тоже сильно нагревается от горячей части.
Горячий воздух сильно расширен, и в нём меньше молекул кислорода, так нужного двигателю. Поэтому воздух нужно охладить, иначе весь эффект от турбонаддува не будет иметь смысла. Чем холоднее воздух, поступающий в двигатель, тем больше его мощность.

Размер интеркулера тоже нельзя увеличивать бесконечно, чем больше интеркулер, тем больше турбопровал, то есть накачанный воздух пропадает в недрах слишком большого интеркулера при прибавке "газа". Но на мощных моторах он должен быть достаточно большим, иначе маленький интеркулер будет тормозить поток воздуха от большого турбокомпрессора. К примеру на моторе мощностью 1000 л/с входное и выходное отверстие интеркулера должно быть не менее 100 мм.
Интеркулер немного отличается по своему устройству от радиатора для тосола. В его каналах существуют дополнительные перегородки, для того чтобы воздух отдавал тепло как можно быстрее. Так же он выдерживает большое давление и температуру, и выполнен целиком из металла ( аллюминия ) для большей прочности.


Мал золотник, да дорог.

Регулятор давления топлива (РДТ) применяется на инжекторных двигателях для поддержания постоянного давления топлива в топливной рейке, от которой питаются форсунки. Обычно давление топлива составляет 3 атмосферы, из этой цифры и расчитывается производительность форсунок у всех производителей. На новых моторах ВАЗ объёмом 1,6л (РДТ 380) давление топлива увеличено до 3,8 атм.
Но у РДТ 300 есть ещё одна полезная функция - он корректирует давление топлива, в зависимости от давления во впускном коллекторе. Для этого к регулятору подходит резиновый шланг. На атмосферных двигателях при закрытии дроссельной заслонки в коллекторе создаётся вакуум, и соответственно топливо начинает поступать в двигатель интенсивнее. Обратный эффект происходит на двигателях с турбонаддувом: во впускном коллекторе образуется большое давление наддува, и топливо из форсунок поступает в меньших количествах, чем расчитывалось. Получается что производительность форсунок расчитывается на атмосферное давление. Но регулятор с функцией корректировки давления топлива помогает справиться с этой задачей.
Рекомендуемая корректировка давления топлива - 1:1 к изменению давления воздуха.
Для справки: при увеличении давления топлива на 100%, производительность форсунок увеличивается на 50%.

Масляный радиатор.


На двигателях с турбонаддувом сильно возрастает тепловой режим работы двигателя. Количество сгоревшей рабочей смеси за единицу времени увеличивается пропорционально давлению наддува, соответственно тепло переходит не только в мощность двигателя, но и передаётся его частям. Сильно нагреваются поршни, цилиндры, выпускная система и турбина.
При температуре 260`С минеральные компоненты в масле могут закоксоваться, и отложиться в масляных каналах и подшипнике турбокомпрессора. Так же масло при большом нагреве становится очень жидким и теряет смазывающие свойства. Синтетическое масло менее подвержено воздействию нагрева, почти не теряет вязкость и не коксуется, поэтому предпочтительней для двигателей.
Что бы не допустить перегрева масла, для этого служит масляный радиатор. Он подсоединяется к специальному переходнику под масляным фильтром. Большинство турбин не имеют канал для охлаждающей жидкости (тосола), и поэтому единственный способ охладить подшипник турбины - смазка холодным маслом.
Для отвода излишней температуры от турбо мотора все средства хороши, и поэтому иметь масляный радиатор желательно на каждой турбированной машине.