·         Главная

·         Воздушная смесь

o        Впуск

o        Патрубки

o        Турбина

o        Интеркулер

o        Дроссельная заслонка

o        Клапан «blow-off»

o        Впускной коллектор

o        ГБЦ

o        Камера сгорания

o        Выпускная система

·         Система охлаждения

·         Система зажигания

·         Система смазки

·         Система подачи топлива

Воздушная смесь/

Выпускная система

Обратное давление: друг или враг?

Существует 2 «школы мысли», которые борются за главенство в мире:

Одни говорят, что обратное давление это зло и от него надо избавиться раз и навсегда. Другие говорят, что какая-то часть обратного давления нужна двигателю, чтобы работать плавно и эффективно.

Сторонники того, что это зло, приводят контраргумент: «какая польза может быть от ограничения потоков воздуха», а это и есть обратное давление. Другие говорят, что если беспрепятственно выпустить все выхлопные газы, то машина лучше не поедет, а будет дёргаться и работать нестабильно.

Кто прав, а кто неправ? А может, обе точки зрения правильны (или ошибочны)?

Так и есть, обе школы в чём-то правы, а в чём-то нет. 

Давайте по порядку...

Нет постоянной величины обратного давления. Оно очень сильно изменяется и зависит в большей степени от оборотов и в меньшей степени от нагрузки на двигатель. Как правило, это почти «0» на холостых, и доли psi на средних оборотах. К моменту, когда обороты на максимуме, обратное давление тоже подскакивает и может достичь нескольких psi. Когда мы говорим об «обратном давлении выхлопа», мы говорим о максимальных оборотах и полном газе.

На атмосферных двигателях впускная система также испытывает влияние обратного давления, но не с меньшими перепадами.

Двигатель с механическим компрессором будет иметь обратное давление схожее  с таковым на атмосферных двигателях, но цифры будут больше, так как большее количество воздуха будет проходить по такой же обычной выхлопной системе.

На двигателе с турбокомпрессором до того как начнётся непосредственно выхлоп газов в атмосферу стоит ограничитель потоков воздуха. Это турбина, она сжимает потоки выхлопных газов. Конструкция заводской турбины очень ограничивает потоки воздуха, пытаясь выжать из него всю энергию для того, чтобы разогнать турбину. Если вам нужен наддув на низких и средних оборотах, то выпускной коллектор прямо перед турбиной необходимо сжать, как шланг с водой, когда вы пытаетесь кого-то обрызгать. Это очень сильно ограничивает потоки воздуха, мы потеряем несколько psi давления, но будем иметь хороший наддув на средних оборотах.  На высоких оборотах это ограничение ещё сильнее и это ещё до того как выхлопные трубы внесут свою лепту.

«Турбы» подготовленные для гонок используют корпуса с большим соотношением объём/радиус. Это значит, что крыльчатка турбины будет больше, но корпус вокруг неё будет ещё больше, настолько, что можно просунуть туда палец. Это значительно улучшает скорость потоков воздуха, особенно на высоких оборотах. Большая часть молекул воздуха может пройти через турбину, так и не коснувшись её крыльчатки. Это приведёт к уменьшению обратного давления, но если молекулы воздуха не раскручивали крыльчатку, то кто это должен сделать за них? Поэтому гоночные «турбы» развивают наддув к 5 тыс. об./мин.

Но есть ещё и «гибриды» где-то посередине между большими и маленькими турбинами (намного ближе к заводской турбине).

Почему же мы должны беспокоиться об обратном давлении?

Одна из причин – взаимодействие между работой клапанов и выхлопом.

В определённый момент может случиться так, что впускные и выпускные клапана одновременно открыты – момент перекрытия клапанов.  Это значит, что содержимое цилиндров может выйти либо во впуск, либо в выпуск. Мы, конечно, не хотим, чтобы что-то ушло в ненужном направлении. Нам хотелось бы, чтобы содержимое оставалось на месте либо двигалось в направлении выхлопного коллектора. Это помогло бы свежему (прохладному) воздуху вытолкнуть остатки сгоревшей смеси из цилиндров и немного охладить клапана.

Если всё пойдёт не так как надо, остатки сгоревшей смеси останутся в цилиндрах, а часть пойдёт во впускные каналы. Это нагреет каналы и клапана, частично заменит собой свежую смесь, т.е. загрязнит  её. При нагревании элементов впуска снизится плотность воздуха, которому удалось добраться до цилиндров. И это происходит достаточно часто –  одна из причин, почему объемная эффективность не достигает 100%.

Старые гоночные двигатели работали с постоянным перекрытием клапанов. На определённых оборотах обратное давление просто загоняло выхлопные газы обратно в карбюраторы. Но на высоких оборотах выхлопные газы вытягивали воздух из цилиндров в выхлопную систему, создавая таким образом вакуум, и затягивая свежую смесь… Объёмный КПД на этих оборотах достигала 110-120%. Из-за этого ненормального перекрытия клапанов, машина не могла нормально работать на холостых оборотах, так же как и на низких оборотах. Но гоночные двигатели должны работать на максимальных оборотах, поэтому это не проблема. Потребление топлива и содержание выхлопных газов тогда тоже мало кого заботило. Но заботит теперь, поэтому современные заводские конструкции стремятся к минимальному перекрытию клапанов.

Назад к «турбам»: существует мнение, что перекрытие клапанов позволяет наддуву уходить прямо в выхлоп. Это без конца повторяется «экспертами» и «тюнерами», так что обычные люди даже не подвергают это сомнению. Некоторые книги по установке турбокомпрессоров тоже подпитывают это убеждение.

Вот короткий список заблуждений по этому поводу:

1.     На атмосферных двигателях входящая смесь всасывается, а выхлопные газы выдавливаются посредством взрыва. Поэтому впускные клапана всегда больше.

2.     При перекрытии клапанов «турбы» теряют наддув.

3.     Полностью прямоточный выхлоп только помогает турбине вращаться быстрее. Отрицательных последствий быть не может.

Этих заблуждений больше, но общую картину вы видите. Причина, по которой они существуют, это то, что они «звучат логично и правильно».

Давайте присмотримся к этим «истинам» повнимательнее:

1. Во-первых, никаких взрывов в цилиндрах не происходит. А если они всё-таки происходят, то у нас проблема и двигатель долго так не протянет. Мы стараемся сделать так, чтобы смесь сгорала контролируемо. Всё должно происходить в строго установленной последовательности без неожиданностей. Мы не хотим, чтобы высокое давление в цилиндрах (после воспламенения) использовалось для выдавливания выхлопных газов. Мы ведь не фейерверками занимаемся, нам надо, чтобы энергия использовалась для того, чтобы давить вниз на поршень!

2. Как может кто-то узнать, что давление турбонаддува «уходит» во время перекрытия клапанов? Они что палец туда просовывали, чтобы почувствовать ветерок?

Всё дело в соотношении давления впускного и выпускного коллектора. Замерьте их и всё поймёте. Если на впуске двигателя давление равно 20 psi, а на выпуске 30psi обратного давления, будет ли воздух, сжатый в компрессоре, уходить во время перекрытия клапанов. Вряд ли. Чтобы это случилось, нужно, чтобы давление на впуске было, скажем 5psi, а на выпуске 2psi.

Ниже представлена таблица замеров давления на впуске и выпуске, сделанных одним из английских турбо фанатов.

Впускной коллектор/Выпускной коллектор (бар)

- 0,2 / 0,25
0,0 / 0,45
0,1 / 0,55
0,3 / 0,75
0,5 / 0,90
0,7 / 1,30
0,9 / 1,80
1,1 / 2,00
1,3 / 2,20
1,5 / 2,45

На высоких оборотах, давления на выпуске почти на 1 бар больше, чем турбонаддува на впуске. Это огромное обратное давление! Эти цифры относятся к заводской турбине и выхлопному коллектору. Но при установке прямоточной выпускной системы или гибрида, цифры будут намного лучше. Для серьёзных мощностей, соотношение объём/радиус должно быть больше.

Заряженные атмосферники, склонны к тому, чтобы давление у них на впуске было выше, чем на выпуске.

В данном случае, понятно, что при перекрытии клапанов, часть входящего воздуха, будет напрямую выбрасываться в выхлопную систему. Но в этом тоже есть небольшой плюс, так как при этом немного охлаждаются клапана.

Турбированные двигатели – совсем другое дело. Обратное давление растёт большими темпами сразу после достижения максимального крутящего момента, в то время как давление турбонаддува так быстро не растёт. Как результат – большое обратное давление.

3. Итак, почему же прямоточный выхлоп не помогает турбине вращаться быстрее?

Основной способ контролировать давление – это посредством интегрированного вестгейт клапана.

Обычно он расположен рядом с турбиной и когда открывается, выхлопные газы перенаправляются в сторону от турбины.

Потоки воздуха, которые используются для открытия вестгейт клапана, напрямую зависит от обратного давления за турбиной. Чем свободнее крутится турбина, тем меньше причин для воздуха идти через вестгейт клапан. 10-ти сантиметровый прямоточный выпуск серьёзно снизит эффективность клапана вестгейта.

Как результат, вы получите скачки давления воздуха, которые заставят турбину развивать скорости вращения, на которые она просто не рассчитана. Ничего хорошего с точки зрения надёжности, это не сулит.

Кто-то скажет: Но у меня есть датчик давления! И я не вижу никаких скачков!

Приборы гасят колебания, а иначе вы бы просто не смогли прочитать данные, - стрелка просто прыгала бы постоянно. Скачки гасятся жидкостью внутри прибора, и то, что вы видите, это усреднённые данные.

Может ли прямоточный выхлоп сократить КПД двигателя?

Вообще-то, да. Эффективность работы турбированного двигателя во многом зависит от работы ГБЦ при «правильных» температурах, а точнее от температуры выхлопных газов между выпускными клапанами и глушителем (или катализатором). Скорость и температура этих газов определяют силу, которая будет вращать турбину. Если скорость газов мала или температура низкая, турбина не будет вращаться так же сильно, как могла бы.  Результатом будет повышенное обратное давление и небольшой турбонаддув.

Слишком прямоточный выхлоп может привести к тому, что двигатель будет работать неуверенно на низких оборотах. Выхлопные газы, которые выпускаются слишком быстро, приводят к низкой температуре, что приводит к потере тяги на низких оборотах. Точно также на высоких оборотах скорость выпуска выхлопных газов высока, а температура понижена. Разница лишь в том, что теперь нам это на руку – температура ниже предельно допустимой (хорошо для безопасности), в то время как при низких оборотах она была слишком низкой для хорошего КПД.

Хорошим решением было бы использовать специальную обмотку для выхлопной системы. Таким образом, мы повысим температуру выхлопных газов и сохраним все преимущества прямоточной выхлопной системы.

Перепускной клапан

То, насколько свободно выхлопные газы могут покинуть двигатель, напрямую зависит и от работы интегрированного перепускного клапана. Трещинки на лицевой стороне перепускного клапана ничего хорошего не сулят. Они появляются от постоянных сжатий и расширений металла, клапана, который постоянно бьётся об неё, потому что актуатор постоянно воздействует на него.

Некоторые увеличивают это отверстие, чтобы увеличить пропускную способность перепускного клапана. На самом деле эта возня того не стоит, потому что для серьёзной доработки всё равно обязательно потребуется внешний перепускной клапан.

У внешнего перепускного клапана есть ещё одно преимущество, - он может выбрасывать лишние выхлопные газы в атмосферу, так что они не будут вмешиваться в потоки остальных выхлопных газов. Такое вмешательство создаёт даже больше обратного давления тогда, когда вы этого меньше всего хотите: при максимальном турбонаддуве. Если же всё-таки эти газы должны вливаться в общий поток, то это должно происходить под минимальным углом и подальше от крыльчатки турбины. Это помогло бы избежать снижения КПД турбины, который всегда снижается в турбинах с интегрированным дизайном.

Насколько жёстким должен быть перепускной клапан? Ведь он не испытывает сильных нагрузок.

Выхлопные газы достаточно сильны в этом месте. Если просто поднести руку к выхлопной трубе, то это не даст вам ничего. Не забывайте, что эти газы раскручивают турбину до 100 тыс. и более оборотов в минуту!

На низких оборотах, соотношение давления на выпуске/впуске немного больше 1, и быстро растёт в сторону 2:1. При наддуве в 1 бар оно достигает приблизительно 2.5:1, а дальше оно растёт непропорционально.

Конечно, это зависит от диаметра турбины, соотношения объём/радиус турбины, и обратного давления остальной выпускной системы. Соотношение давлений будет меньше, если турбина и отношение объём/радиус будут больше, а выпуск будет прямоточным.

Если грубо посчитать, при заводской турбине с выхлопной системой без катализатора, обратное давление будет в 2.5 раза больше давления на впуске. То есть у нас 2.5 бара давят на пружину актуатора вестгейт клапана.

Теперь примем площадь отверстия вестгейта за 6 см2. Итого мы имеем 6см2*2,5бар*1,0197(коэфф.)=15,3 кг!

Эти 15 кг давят на клапан вестгейта, это давление, которое он должен держать!

Вот поэтому актуаторы, которые должны справляться с высоким турбонаддувом, должны иметь мощные (жёсткие) пружины. 

Тюнинговые актуаторы – будьте внимательны!

Доработанный актуатор должен иметь жёсткую пружину. Любой актуатор можно выдать за тюнинговый, и даже можно заставить его работать как тюнинговый, если его хорошенько подтянуть болтами вестгейта. Но это не выход, на самом деле. И вот почему…

Допустим, что шток актуатора должен выходить на 20 мм, чтобы полностью открыть клапан вестгейта. Если у вас актуатор со слабой пружиной, то вам пришлось бы подтянуть гайки вестгейта на штоке так, чтобы он вышел миллиметров на 15, чтобы выдержать давление в 1,3 бар например. Но, что получается на самом деле? Мы просто предварительно загрузили пружину внутри актуатора. Это далеко не то же самое, что поставить более жёсткую пружину.

У вас будет стоять слабая (мягкая) пружина, и она просто преднатянута.  Да, благодаря этому, клапан будет открываться только при 1,3 бара, но откроется он только на 5 мм, потому что пружина уже преднатянута и шток уже вышел на 15 мм.

5мм хода совсем недостаточно для правильного открытия клапана вестгейта, и не сможете контролировать наддув.

Колено

Неплохой доработкой стала бы замена родного колена на другое, лучшей конструкции. Из-за ограниченности пространства под капотом, заводское колено имеет угол поворота в 90 градусов, поэтому любое улучшение не пропадёт даром.

Обратите внимание на более сглаженные повороты, что важно для снижения обратного давления, потому что они находятся прямо у турбины.

Обратите внимание на то, что выхлопные газы вестгейта отделены от остальных на самом важном, начальном этапе. Преимущество такой конструкции заключается в лучшем контроле давления при переключениях передач на большом наддуве.

А это гоночная версия C20LET. Как видите, она следует тем же конструктивным принципам:

Контролируемый выхлоп

Глушители

Глушитель находится слишком далеко от турбины, чтобы как-то серьёзно влиять на обратное давление. Но это не значит, что двигатель надо душить или, что он должен быть очень шумным. Для лучшего прохождения воздуха прямоточные глушители предпочтительнее. Но если вы хотите и свободного выхода выхлопных газов и нешумной работы двигателя, конструкция глушителя должна быть аналогична такой.

К Системе охлаждения…