Проэкт увеличения мощности двигателя автомобиля Audi 100 путем установки турбины.

 

Проэкт увеличения мощности двигателя автомобиля Audi 100

путем установки  турбины.

 

 

 

Рис. 1 Автомобиль Ауди 100.

    

 

     Мощность, развиваемая двигателем, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощность двигателя, нужно увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большого количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя, который к тому же сильно дымит.

      Одним из решений проблемы повышения мощности двигателя является увеличение количества воздуха, поступающего в цилиндры, при этом можно сжечь больше топлива и получить, соответственно, большую энергию. Это подразумевает, что необходимый для сгорания топлива воздух должен быть сжат перед подачей в цилиндры.

      Увеличение мощности атмосферного двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо оборотов. Увеличение рабочего объема, сразу же увеличивает вес, размеры двигателя и в конечном итоге его стоимость. Увеличение оборотов проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно в случае двигателя со значительным рабочим объемом.

      Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности, является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что подающийся в двигатель воздух сжимают перед его впуском в камеру сгорания.

      Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при прежнем рабочем объеме и тех же оборотах мы получаем большую мощность.

      Существует два основных типа компрессоров: с механическим приводом и "турбо" (использующие энергию отработанных газов).

Рис. 2 Принцип работы турбины.

Рис. 3 Механический нагнетатель.

     Нас интересует турбонаддув, т.к. эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут по-прежнему быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности.

      Турбокомпрессор был впервые сконструирован швейцарским инженером Бюши еще в 1905 году, но только много лет спустя он был доработан и использован на серийных двигателях с большим рабочим объемом.

      В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, связанных при помощи общей жесткой оси между собой. Оба эти элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потоков отработавших газов, которая в обычных двигателях , преобразуется здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор. Происходит это так. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они разгоняются до большой скорости и вступают в контакт с лопатками турбины, которая и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент).

          Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить характеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов.

          Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от числа оборотов двигателя и характеризуется некоторой инерционностью, т.е. сначала увеличивается подача топлива, увеличивается энергия потоков отработавших газов, а затем уже увеличиваются обороты турбины и давление нагнетания и в цилиндры двигателя поступает еще больше воздуха, что дает возможность увеличить подачу топлива.

          Подача и давление воздуха в турбокомпрессоре без регулирования давления наддува, прямо пропорциональны энергии отработавших газов, т.е. числу оборотов турбины.

         Для двигателей, работающих в широком диапазоне оборотов (например, в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах. Именно поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, т.е. турбина очень быстро разгоняется и давление воздуха очень быстро достигает требуемого значения. Регулировочный клапан следит за тем, чтобы давление наддува не возрастало выше определенного значения, при превышении которого двигатель может быть поврежден.

Рис. 4 Турбокомпрессор с регулируемым давлением.

      Выхлопные газы из двигателя вращают ротор турбины, тот, в свою очередь, приводит в движение компрессор, который нагнетает сжатый воздух в цилиндры. Перед тем как это произойдёт, воздух проходит через интеркулер и охлаждается — так можно повысить его плотность.

Рис.5 Интеркуллер.

Рис. 6 Принцип работы интеркуллера.

        В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

       Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

1 – промежуточный  охладитель воздуха;  2 – винтовой хомут;  3 – шланг подачи воздуха от компрессора  к охладителю;  4 – сливной маслопровод;  5 – труба подачи охлаждающей жидкости  к компрессору;  6 – труба слива охлаждающей жидкости;  7 – турбокомпрессор;  8 – прокладка;  9 – патрубок подачи масла к турбокомпрессору

10 – приемная  труба глушителя; 11 – выпускной  коллектор;  12 – промежуточная труба;  13 – регулятор отключения компрессора;  14 – термовыключатель;  15 – датчик включения вентилятора охлаждения;  16 – клапан стабилизатора холостого хода;  17 – патрубок рубашки охлаждения двигателя;  18 – шланг от охладителя к головке блока цилиндров;  19 – шланг подачи воздуха к впускной трубе двигателя

Технический раздел

    Для проэкта используется автомобиль Audi 100 1989 года выпуска с двигателем 2226 см³ оснащенный турбонаддувом.

Некоторые параметры системы впрыска:  
Управляющее давление (Т мотора = 20С): 1,5-1,8 бар  
Управляющее давление (мотор прогрет): 3,4-3,8 бар  
Системное давление: 5,8-6,6 бар  
Остаточное давление (через 10 мин.): 3,0 бар  
Время работы пусковой форсунки, сек (Т,оС): 10(-30С); 3(0С); 1(+20С); 0(+30С)  
Давление открытия основных форсунок: 4,3-4,6 бар  
Обороты холостого хода, МКПП(АКПП): 800(720)+-50  
СО, %: 0,3-1,2

Словестное описание:

     Двигатель с кодом МС устанавливался  на автомобили Audi-100/200 с МКПП/АКПП  с передним или полным приводом, один из самых распространенных 10V турбомоторов Audi. Ближайшие «родственники» этого мотора: 1В (он же МВ), 2В. Двигатель бензиновый (мин ОЧ=92), имеет 5 циллиндров, расположенных в ряд, рабочий объем 2226 см3 и турбонаддув с промежуточным охлаждением воздуха (интеркулер). Максимальная мощность составляет 165 л.с. (121kW) при 5500 об/мин, а максимальный крутящий момент 240 Нм при 3000 об/мин. Система питания двигателя называется K-Jetronic+turbo и имеет ряд отличий от системы K-Jetronic. Система управления двигателем называется VEZ (возможен опрос ЭБУ в режиме диагностики на предмет наличия ошибок по датчикам). Лямбда-регулирование состава смеси реализовано с помощью частотного клапана в дозаторе. Управление зажиганием и отчасти наддувом (режим овербуста) осуществляется с помощью датчиков: Холла, положения коленвала, температуры охлаждающей жидкости, температуры нагнетаемого воздуха, давления наддува, детонации, положения дроссельной заслонки. Начальная регулировка угла опережения зажигания на этом двигателе не производится (положение распределителя зажигания однозначно выставляется по меткам). Порядок работы цилиндров 1-2-4-5-3. Высоковольтная часть системы зажигания состоит из одной катушки зажигания с коммутатором ввиде транзистора, распределителя, высоковольтных проводов и трехэлектродных свечей. Геометрическая степень сжатия двигателя – 7,8 (8,4)*. Максимальное давление, развиваемое турбонаддувом составляет 1,42 (1,39)* бар (абсолютного давления). 

МС2

Обороты	2000	2975	4000	5000	5325	5575	6000	6375
Давление наддува	1.36	1.38	1.37	1.375	1.39	1.39	1.38	1.37

 

 

Ч

Рис. 7  Турбокарта К-24

 

        Для максимального увеличения момента и мощности нужно стремиться к возможно большему давлению наддува, чтобы вводить в цилиндр большее количество горючей смеси. А если нам не требуется для повседневной езды «рекордный» автомобиль? Тогда разделим все системы наддува ДВС на низкий (0,2-0,4 бара), средний (0,4-0,8 бара) и высокий (0,8-2 бара). В тюнинге для форсирования атмосферных двигателей наддувом, как правило, применяют низкий и средний наддув. При этом улучшается коэффициент наполнения цилиндров, однако, возрастают нагрузки на многие детали двигателя, снижается запас их прочности, возникают условия для детонации, снижается моторесурс. Впрочем, атмосферные двигатели, которые подвергаются такой переделке и выдерживают нагрузки, сохраняют необходимые эксплуатационные свойства. Причем без каких-либо существенных изменений в их конструкции, можно применить низкий, а иногда и средний наддув. Высокий наддув чаще всего применяют, для дальнейшего повышения мощности двигателей с нагнетателями низкого или среднего наддува, а также для специально переконструированных атмосферных двигателей. Необходимо отметить, что компрессоры практически не изменяют форму кривых ни мощности, ни момента, а изменяют лишь числовые значения в сторону увеличения.

 

       Принадлежность турбокомпрессоров к категориям низкого и высокого наддува зависит от размеров и массы подвижных частей турбины (инерционности вращения лопаток) и схемы установки на выпускной трубопровод. Сейчас широко используют три схемы питания турбокомпрессора. Самая простая и наиболее применяемая схема, при которой турбокомпрессор питается от всех цилиндров, т.е. колесо газотурбины раскручивает выхлоп всех цилиндров. Примером такой схемы является двигатель VW 1.8, который имеет много вариантов мощности, в зависимости от степени наддува. Серийный атмосферный 1,8-литровый агрегат выдает лишь 125 л.с, серийные турбированные 150 л.с, (при абсолютном давлении наддува 1,4 бара), 180 л.с. (1,65 бара) и 225 л.с. (1,9 бара). Их прекрасно дополняют тюнинговые от АВТ (235 л.с.) и ТЕС (330 л.с.) и другие. Американская фирма EIP Tuning подготовила детали для турбирования двигателя VW VR6. За комплект деталек для переделки, включая турбокомпрессор Garrett Т-4, но и мощность существенно увеличится со 174 л.с. до 380 л.с. при избыточном давлении 1 бар. А немецкая фирма Rothe Motorsport предлагает три варианта этого же мотора на 310,380 и 450 л.с. Турбонаддувные 5-ти цилиндровые 10-ти клапанные моторы Ауди

 

      Турбонаддувные 5-цилиндровые двигатели Ауди относятся к числу весьма удачных и «живучих» конструкций, их долгая жизнь в России – лучшее тому подтверждение. Ниже приводится обзор устройства и основных характеристик десятиклапанных турбомоторов, ставившихся в основном на Ауди 200 в период с 84 по 90г.в. (За базовый двигатель принят KG, все, что относится к МС\1В – выделено курсивом, то, что характерно для всех моторов – помечено ***).

 

       Наиболее распространенным из всей плеяды является KG – 182 л. с, 2144 куб.см, Dцил. = 79,5мм. Степень сжатия – 8,8. Имеет вариантное исполнение JY, от KG отличается перепуском и треугольными выступами на днище поршня, в остальном – идентичны. КН – сильно дефорсированный вариант (2144куб.см, 146л.с, топливо с ОЧ 91) для US, в Европе практически не встечается, система управления близка к МС. Давление наддува у всех 3-х – 1,6бар. Заявленный фирмой бензин – 98, но все долго и счастливо применяют 95 без каких-либо последствий. Применение 91 нежелательно, но допустимо (чтобы доехать до заправки с 95-м), при условии не превышения 3000 оборотов, хотя некоторые экземпляры достаточно долго ездили и на нем, правда, с понижением ресурса и отсутствием мах.режимов.

 

***При применении бензинов  с более низким числом и  езде на режимах близких к максимальным быстро произойдет детонационное разрушение поршневой группы с весьма плачевными последствиями. Несмотря на относительно небольшие значения степени сжатия у турбо, фактически она значительно больше при режиме наддува + тяжелые тепловые режимы = разрушение мотора при низкооктановом топливе.