Тюнинг и эксплуатация турбодизеля

[Nikolay]

Как-то меня просили найти эту статейку, нашел, читайте на здоровье, тут есть интересные моменты

Кстати у этих товарищей есть стенд для измерения мощности и Кр. момента

"Наша команда "4х4 Экстрим моторспорт" за годы своего существования очень плотно работала с турбодизельными двигателями. Зачастую, в связи с нехваткой информации приходилось действовать методом проб и ошибок. При этом возникала масса вопросов, что-то работало не так, как должно было работать. Особенно неприятно, когда такие проблемы и вопросы возникают во время гонки, где время крайне ограничено. Но, как Вам известно, кроме подготовки спортивных автомобилей наши механики также занимаются тюнингом внедорожников: установкой турбосистем, чипов, амортизаторов и многих других аксессуаров. В связи с этим также очень часто всплывают те проблемы, которых нет на спортивных машинах. Поэтому нам в голову пришла мысль о том, что хорошо было-бы суммировать все наши знания, ответить на все возникавшие вопросы, с тем, чтобы Вам не пришлось проходить через то, что прошли мы.

Возьмем, к примеру, выхлопные системы. В некоторых тюнинговых выхлопных системах дизельных двигателей применяют большие 125 мм трубы. Но не существуют ли в стандартных системах ограничений, и не создают ли они резонанс в салоне? Главной причиной, побуждающей конструировать выхлопную систему большего диаметра, является попытка уменьшить противодавление. С уменьшением противодавления при такте выпуска поршням легче проталкивать отработанные газы из цилиндров. При этом увеличивается мощность на маховике. У разработчиков это уменьшение противодавления означает снижение "потерь при работе насоса" или потерь мощности при работе двигателя. В двигателях с турбонаддувом с уменьшением противодавления преимущества еще более очевидны. При снижении противодавления турбина работает более рационально, поэтому будет создавать больший наддув и охлаждать газы.

Существует ограничение на величину диаметра труб, которое определяется целесообразностью полученного результата. Недавно команда "4х4 Экстрим мотоспорт" провела сравнительный тест двух выхлопных систем: стандартной выхлопной системы диаметром 90 мм с глушителем и тюнинговой выхлопной системы диаметром 100 мм с глушителем. Различия ошеломили. При максимальном противодавлении 0,14 бар у стандартной системы, у тюнинговой фиксировалось 0,002 бара, а это 98,37 % уменьшение противодавления по сравнению со стандартной. Но при переходе на систему диаметром больше, чем 100 мм, в идеальных условиях вы получите выигрыш в 0.002 бара (1,63 %). Поразительно! Поэтому выхлопные системы диаметром 120 или 150 мм не эффективны. Они почти не увеличивают мощность и крутящий момент - их вряд ли можно считать гордостью инженерной мысли.




Тюнинг внедорожников - это бизнес, которым движут амбиции. Главная идея - "чем больше, тем лучше", и инженерное искусство здесь ни при чем. Если одна компания продает выхлопную систему диаметром 100 мм, то другая считает просто необходимым продавать 120 мм или 150 мм выхлопную систему. Затем вступают в силу фактор цены и чисто технические детали. Вы когда-нибудь пробовали установить выхлопную систему диаметром 150 мм под машину? Из-за больших радиусов изгиба это очень и очень непросто. И трубы недешевые. Но покупатель в погоне за 150 мм выхлопной системой даже не интересуется, улучшился ли поток, увеличилась ли мощность; для него главное, что труба огромная, он хочет именно такую и все остальное не имеет значения. В конце концов, он находит того, кто для него это сделает.

В настоящее время распространена тенденция устанавливать сдвоенные выхлопные системы для турбодизельных внедорожников. Сдвоенная выхлопная система обеспечивает лучшие характеристики звука, чем большая одинарная, но мы только недавно начали ее тестировать, с целью исследовать добавляет ли они мощность и крутящий момент. Есть также и проблемы с установкой. Если говорить о резонансе, то за последние годы заводские выхлопные системы стали намного лучше, но при сравнении они все еще кое в чем уступают правильно сконструированным тюнинговым системам. Большинство заводских выхлопных систем не вызывают резонанс - чаще всего он возникает в плохо сконструированных тюнинговых выхлопных системах с глушителем, который не был разработан специально для применения в дизельном двигателе (т.е. глушитель для бензинового двигателя). Когда такие глушители ставят на дизельную машину, они провоцируют резонанс в салоне. Самый простой способ решения проблемы - поставить глушитель, специально разработанный для дизельного двигателя и который не производит неприятные шумы. В таком случае можно гарантировать его надежную работу.

Если мы говорим о турбодизеле, то нельзя обойти стороной такой вопрос: появляется ли какое-либо преимущество, если ускорить передвижения выхлопных газов от двигателя к турбокомпрессору? Например, если добавить трубу меньшего диаметра, создаст ли это дополнительный поток газов и вызовет ли ускорение работы турбокомпрессора? Так вот применение трубы меньшего диаметра не может создать дополнительный поток, но может увеличить скорость газов и противодавление. Поэтому с помощью коллектора меньшего диаметра невозможно увеличить поток выхлопных газов от двигателя к турбокомпрессору. Вот основной принцип для разработки такой системы: система труб от двигателя к турбокомпрессору должна быть заложена достаточно большого диаметра, чтобы пропустить поток, необходимый для обеспечения требуемых показателей по мощности. Реконструкция турбокомпрессора заключается в замене лопаток для более быстрого вращения турбины. Ускорить турбину могут два фактора: 1) Уменьшение корпуса турбины. 2) Выхлопная система меньшего сопротивления и большего диаметра (после турбины), которая уменьшит противодавление выхлопа.

Попытки увеличить скорость работы турбокомпрессора предпринимались с момента его изобретения. Если турбокомпрессор мал, он быстро раскручивается, и, столь же быстро перестает производить наддув. Если турбокомпрессор слишком велик, он не сможет работать в нужном Вам темпе, и, возможно, будет вырабатывать больше наддува, чем вы можете использовать. Другим способом ускорить работу турбокомпрессора является использование турбокомпрессора с изменяемой геометрией (ТИГ). ТИГи - это относительно новое направление в турбокомпрессорах, они используют набор перестраиваемых лопаток или других устройств, которые позволяют турбокомпрессору, при необходимости, работать с характеристиками от малого турбокомпрессора, который разгоняется очень быстро, и до большого турбокомпрессора, который производит высокое давление наддува, или как турбокомпрессор любого размера в этом промежутке. Другими словами, ТИГи создают поток там, где он Вам нужен, обеспечивают больший вращающий момент при старте и работают настолько хорошо, что выхлопа практически не видно. Большинство производителей ставят ТИГи на выпускаемые в настоящее время внедорожники. Несомненно, что в ближайшем будущем к ним присоединятся и остальные.

Иногда для улучшения работы турбины некоторые меняют выпускную трубу турбокомпрессора. Но как это отразится на мощности турбодизельного двигателя? Будет ли она по-прежнему помогать охлаждать турбокомпрессор? При замене выпускной трубы турбокомпрессора на трубу большего диаметра с меньшим сопротивлением можно получить несколько преимуществ. Во-первых, применяя большую выпускную трубу с меньшим сопротивлением и большей пропускной способностью, которая уменьшает противодавление, Вы увеличите мощность двигателя. Также с уменьшением противодавления снизится температура выхлопных газов (ТВГ).

Однако, часть турбодизельных двигателей, при замене выпускной трубы на большую, только частично улучшают свои характеристики. Зачастую уменьшение потока газов в системе связано с распределением выпуска из турбины. Существуют варианты, когда можно заменить одновременно и выпускную трубу и выхлопную систему на более эффективные, но при этом распределение выпуска из турбины остается основным ограничением в системе. В некоторых моделях есть основные ограничения, которые решаются путем установки тюнингового выпуска турбины.

Для эффективной работы турбодизеля важно понимать, что такое выходные охладители и как они работают. Выходной охладитель - это теплообменник, расположенный в потоке сжатого воздуха, выпускаемого из турбокомпрессора. Теплообменник производит теплообмен между двумя жидкостями (или газами), которые его обтекают. Большинство теплообменников, с целью получить постоянный поток охлаждающего воздуха, располагают перед радиатором системы охлаждения. По определению, интеркулер - это охладитель поступающего воздуха, расположенный между двумя нагнетателями, двумя турбокомпрессорами или между комбинацией таковых.

Большинство людей не понимают разницы между выходным охладителем и интеркулером. Поэтому название "интеркулер" стало широко употребляемым общим названием как для выходных охладителей, так и для интеркулеров. В инженерных кругах и выходные охладители, и интеркулеры рекомендуют называть "охладителями поступающего воздуха". Было бы хорошо, если бы широкая общественность пользовалась "корректными" терминами.

Охладитель поступающего воздуха - одна из самых важных частей современного турбодизеля. При охлаждении порции впускного воздуха, он становится более плотным, содержание кислорода повышается, что приводит к более полному сгоранию.

Несколько тюнинговых компаний предлагают охладители поступающего воздуха для турбодизельных моделей, на которые они не устанавливались на заводе. Также для внедорожников с заводскими охладителями поступающего воздуха предлагаются бо?льшие тюнинговые охладители воздуха и бо?льшие трубы наддува (системы труб).

Применяя бо?льшие охладители поступающего воздуха, можно на 10-14% увеличить плотность воздуха. При той же ТВГ это дает выигрыш в 50-60 лошадиных сил. Также это позволяет продлить время действия дополнительной мощности, так как ТВГ не достигает уровней, когда компьютерный чип начинает корректировать параметры горючей смеси (обеднять ее).

В общем, охладители поступающего воздуха - вещь хорошая, а большие охладители поступающего воздуха - еще лучше. Турбокомпрессоры и охладители поступающего воздуха - основные факторы влияния на мощность дизеля. Хотя работа над каналами головки блока цилиндров тоже не помешает.

Затронув вопрос охлаждения впускного воздуха нельзя не спросить - а существует ли способ охлаждения впускного воздуха (как в турбокомпрессоре) впускным коллектором с большим потоком или интеркулером, и будет ли изменяться температура выхлопных газов при возрастании нагрузок на серьезном бездорожье? Ответ прост - да. В дизельных двигателях температура впускного воздуха напрямую влияет на температуру выходящих газов (ТВГ). Зависимость приблизительно следующая: для определения температуры выходящих газов сложите температуру впускного воздуха и температуру, которую создает в цилиндрах горючее. При преодолении препятствий на бездорожье ТВГ обязательно вырастет. Момент достижения температуры, которая может разрушить двигатель, напрямую зависит от температуры впускного воздуха и соотношения воздух/топливо.

Сейчас мы говорим о тюнинговых внедорожниках, а не о стандартных, поэтому необходимо объяснить эффект от дополнительного оснащения их программаторами мощности или дизельными компьютерными чипами. Дросселирование дизельных двигателей происходит с помощью горючего, а не воздуха, как в бензиновых. Говоря проще, чем больше горючего поступит в дизельный двигатель, тем больше лошадиных сил от двигателя вы получите. Конечно, для сжигания горючего вам нужен воздух (особенно, кислород), и поэтому можно достичь такой точки заполнения топливом, что для полного сжигания не хватит воздуха. При добавлении топлива без добавления воздуха, у двигателя повышается ТВГ, а выхлоп состоит из черного дыма с копотью, которая является побочным продуктом неполного сгорания при недостатке кислорода. Есть хорошая фраза: "Думайте о дыме, как о мощности, которую вы можете видеть, но не можете почувствовать".

Многие компьютерные чипы проданы неосведомленным потребителям, которые убеждены, что выбрасываемые столбы черной копоти позади автомобиля - это признак увеличения мощности. На самом деле, черный дым сигнализирует о высокой ТВГ. В любой момент высокая ТВГ может вызвать нагрев поршней до температуры, когда они просто увеличатся в размерах и "застрянут" в стенках цилиндров, заклинив двигатель. Нельзя увеличивать мощность за счет повреждения двигателя. Таким образом, когда чип дизеля добавляет больше горючего, для обеспечения полного сгорания нужно добавить дополнительное количество воздуха (или, в особых случаях, кислорода). Надеюсь, нам удалось развеять всякие домыслы о том, что черный дым - это хорошо, потому что это не так.

Достаточный поток воздуха - это важное замечание, потому что ТВГ напрямую зависит от температуры и плотности воздуха. Более холодный воздух является более плотным и содержит больше кислорода. Так как для сгорания нужен кислород, при втягивании большего количества кислорода может полностью сгореть большее количество топлива. Главное - не залить слишком много топлива (смесь с соотношением воздух/горючее более чем 20:1 считается слишком обогащенной). В таком случае двигатель перенасыщен горючим и выдает газы с высокой ТВГ.

Существуют различные варианты улучшения потока. Начнем с самого простого и наименее дорогого способа - высокопоточная система впуска воздуха с фильтром нулевого сопротивления. Производители автомобилей всегда оставляют место для попыток улучшить свои системы впуска воздуха - этим объясняется то, что на этом рынке сейчас так много производителей.

К сожалению, большинство производителей тюнинговых систем не используют преимущества эффекта скоростного напора воздуха, который достигается за счет расположения входа непосредственно в сильно сжатом пространстве спереди автомобиля - они просто переделывают систему впуска для уменьшения сопротивления или снимают ее и ставят на трубу конический воздушный фильтр. В данном случае, как правило, забирается горячий воздух из-под капота. И хотя система со скоростным напором не обеспечивает воздухом, более холодным, чем температура окружающей среды, воздух будет более плотным и холодным, чем горячий воздух возле двигателя. У правильно сконструированной высокопоточной системы впуска плотность порции воздуха будет больше, чем у стандартной системы впуска. Как я и говорил ранее, плотность воздуха влияет на мощность. Повышение плотности воздуха происходит за счет меньшего падения давления в тюнинговой системе впуска воздуха по сравнению с заводской системой. Только при добавлении высокопоточной системы впуска воздуха при тестировании мы получили выигрыш в плотности воздуха в 6-7% при скоростном напоре воздуха 0,07 бара! Для тех, кто ограничен в средствах, это будет хорошим первым шагом. Запомните, горячий воздух на впуске - это плохо. Холодный воздух под давлением на впуске - это хорошо. И напоследок: некоторые тюнинговые системы впуска воздуха работают хуже, чем стандартные, поэтому если вы решили приобрести систему впуска воздуха, убедитесь, что производитель может подтвердить свои заявления насчет мощности. После того как воздух проходит через систему впуска воздуха он направляется к турбокомпрессору, который его сжимает. При сжатии воздух нагревается, но стоит отметить, что если воздух, поступающий через высокопоточную систему впуска, более холодный и плотный, то и выйдет из турбокомпрессора он более холодным, чем он был бы без высопоточной системы. Опять же, чем холоднее воздух, тем меньше температура выхлопа.

Стоит также отметить, что одни турбокомпрессоры работают более эффективно, чем другие, т.е. создают тот же наддув без такого нагрева воздуха, как другие. Повышение эффективности турбокомпрессора - это дорогое удовольствие по сравнению с результатами. Намного экономнее будет купить больший, более эффективный интеркулер, чем улучшать турбокомпрессор.

Теперь поговорим о хорошем. При прохождении сжатого воздуха через больший высокопоточный воздушный охладитель, впускной воздух значительно охлаждается. Высокопоточный воздушный охладитель может охладить сжатый турбокомпрессором воздух до 120-150°С и более. Этот более холодный, плотный и с большим содержанием кислорода, воздух позволяет добавлять больше горючего (для получения большего значения мощности) без роста ТВГ. Это действительно важно, т.к. производительность растет за счет увеличения плотности, а это напрямую увеличивает силу, прикладываемую к поршням. Остаток энергии идет в выхлопную трубу в виде дыма - а вы уже знаете, как в команде "4х4 Экстрим Моторспорт" относятся к дыму.

ТВГ - это наиболее значимый фактор, влияющий на мощность дизельных двигателей. В большинстве компьютерных чипов дизелей заложено ограничение по ТВГ, т.е. при достижении заданной температуры подача горючего ограничивается или снижается.

При снижении температуры впускного воздуха ТВГ не доходит до предельного значения, и Вы действительно получает ту мощность, на которую рассчитываете. Думайте об этом так: установка большего воздушного охладителя сделает дизельный двигатель более мощным при любой величине наддува и любой ТВГ.

Хотелось бы напомнить и о других обстоятельствах: Вы можете достичь Вашей ТВГ и даже не знать об этом, потому что Вы можете и не видеть дыма из выхлопной трубы. Дым может иметь вид обычного, и Вы можете ни о чем и не подозревать; но это бывает лишь в случаях, когда ТВГ высока настолько, что Ваш дизельный чип снижает добавление топлива.

И, наконец, если Ваша система сконструирована должным образом, то ни при каких обстоятельствах Вы не сможете достичь точки "ограничения" или "обеднения" с помощью высокой ТВГ. Конечно, всегда остается место для непредвиденных ситуаций, когда и хорошо сконструированная система в целях безопасности ограничивает температуру. Например, если одна из Ваших труб наддува слетает с хомута и пропускает воздух? Конечно, существуют ситуации, когда меры безопасности просто необходимы, но система должна быть сконструирована настолько хорошо, что это, скорее, должно быть исключением, чем нормой.

Мы бы весьма огорчились, если бы на наших автомобилях постоянно загорался "процент обеднения". За исключением непредвиденных обстоятельств, "процент обеднения" всегда должен быть нулевым."

[BataneG]