Скільки кінських сил додає турбокомпресор?
Раніше турбокомпресори були ексклюзивною прерогативою гоночних трас та екзотичних автомобілів. А тепер? Вони є у вашому повсякденному автомобілі для поїздок на роботу. Реальне питання вже не в тому, скільки кінських сил додає турбокомпресор. Йдеться про ефективність. Сучасні турбокомпресори отримують більше енергії з двигунів меншого робочого об’єму. Вони забезпечують можливість підтримки високих швидкостей на шосе, при цьому заощаджуючи паливо. Це зрушення змінює все. Йдеться не лише про чисту потужність. Йдеться про те, щоб робити більше із меншими витратами.
Механіка наддуву
Турбокомпресор – це система наддуву. Він працює за рахунок стиснення повітря, що надходить. Стиснене повітря дозволяє двигуну закачувати більше кисню в кожен циліндр. Більше кисню означає можливість спалювати більше палива. Результат? Більш сильні вибухи. Більш сильні поштовхи поршнів. Турбований двигун перевершує свій атмосферний аналог того самого обсягу. Співвідношення потужності до маси різко зростає. Двигун об’ємом 2,0 літра може змагатися за потужністю з двигуном V8 об’ємом 4,0 літра. Саме тому виробники зменшують об’єм двигунів. Найменші двигуни означають рідше заїзди на заправку.
Магія відбувається у вихлопній системі.
Система вловлює відпрацьовані гази. Ці гази обертають колесо турбіни. Турбіна з’єднана із колесом компресора через центральний вал. Компресор нагнітає повітря у впускний колектор. Турбіна обертається з надзвичайно високою швидкістю. Йдеться про 80 000 – 200 000 оборотів на хвилину. Подумайте про це. Ваш автомобільний двигун на холостому ході працює на 800 об/хв. Гранична частота обертання (червона зона) становить близько 7000 об/хв. Турбокомпресор обертається у 30 разів швидше. Крім того, він працює за умов екстремальних температур. Вихлопні гази гарячі. Турбіна виживає завдяки використанню керамічних підшипників чи передових сплавів. Це тонкий, швидкісний танець.
Турбокомпресори та довговічність двигуна
Додавання турбокомпресора створює навантаження на двигун. Він збільшує тиск у циліндрах. Температури зростають. Блок циліндрів та головка блоку повинні витримувати ці навантаження. Сучасні двигуни побудовані міцніше. Вони використовують посилені блоки. Вони мають найкращі системи охолодження. Безпосереднє упорскування палива допомагає контролювати процес згоряння. Ці досягнення дозволяють двигунам меншого обсягу витримувати турбонаддув. Вони не вибухають. Вони служать довго. Ключем є правильне технічне обслуговування. Важливими є заміни масла. Якісна синтетична олія допомагає підшипникам турбокомпресора. Періоди охолодження після інтенсивної їзди допомагають турбіні. Нехтування вбиває турбокомпресори. Швидкість убиває їх. Турбо-затримка (турбо-лаг) – ще один фактор. Турбіні потрібен потік вихлопних газів для розкручування. На низьких обертах турбокомпресор може допомагати. Це створює затримку. Сучасні турбокомпресори із змінною геометрією зменшують цю затримку. Вони регулюють кут нахилу лопаток. Вони розкручуються швидше. Результат – потужність тоді, коли вона вам потрібна. А не лише на високих оборотах.
Паливна економічність проти продуктивності
Навіщо вибирати турбокомпресор? Відповідь залежить від вашого стилю водіння. Якщо ви буксируєте важкі вантажі, додатковий момент, що крутить, допомагає. Якщо ви їздите на роботу, перемагає економічність. Двигуни меншого обсягу споживають менше палива на крейсерських швидкостях. Турбокомпресор включається лише тоді, коли це необхідно. Ця подвійна природа – суперсила турбокомпресора. Він пропонує найкраще з обох світів. Ви отримуєте чуйне прискорення. Ви отримуєте пристойну витрату палива (миль на галон). Це компроміс. Атмосферний двигун працює плавніше. Має лінійну віддачу потужності. Немає затримок. Нема зайвої складності. Але турбований двигун може видавати значно більше потужності за менших габаритів. Дебати продовжуються. Деякі пуристи ненавидять турбокомпресори. Вони стверджують, що
Наддув – це найдешевша потужність, яку можна купити. Це також незрозуміле поліпшення. Бажаєте більше потужності? Вам потрібно більше повітря. Проста фізика. Можна розточити циліндри, додати новий ряд циліндрів або встановити турбіну на існуючу конструкцію. Останній варіант виграє більшість ентузіастів, які хочуть перебирати двигун з нуля.
Скільки насправді додає турбокомпресор?
Давайте без зайвих слів. Штатний двигун на рівні моря споживає повітря при тиску 14,7 psi. Це атмосферний тиск. Це базовий рівень. Коли ви встановлюєте турбіну, ви примусово подаєте більше повітря у циліндри.
Типові рівні наддуву становлять від 6 до 8 psi. Порахуйте самі. Додайте це до існуючих 14,7 psi і ви отримаєте приблизно 20–23 psi загального тиску. Це майже на 50% більше за щільність повітря. В ідеальному світі 50% більше повітря означають 50% більше потужності.
Але світ не є ідеальним.
Термодинаміка жорстока. Турбіни немає ККД 100%. Тепло вбиває потужність. Тертя вбиває потужність. Турбіна, що обертається у потоці гарячих вихлопних газів, не дає безкоштовної енергії; на її обертання витрачається робота. Це створює протитиск. Під час такту випуску поршень повинен боротися із цим стиснутим газом, що виходить із циліндра. Це свого роду податок. Невеликий, але існує.
Отже, який реальний показник? Чекайте на приріст на 30–40%.
Якщо ваш базовий двигун видає 200 кінських сил, правильно налаштована турбіна може збільшити цей показник до 240-280 к.с. Не вдвічі. Навіть близько нема. Але приріст помітний. Він відчутний. Цього достатньо, щоб зробити щоденні поїздки на роботу менш нудними.
Турбіна проти компресора
Магія відбувається на одному валу. Два колеса. Одна вісь.
Випускний колектор подає гарячий швидкий газ у турбіну. Це вихлопний бік. Газ потрапляє на лопатки турбіни, обертаючи колесо. Швидший потік вихлопних газів означає вищі оберти. Просто.
Цей вал з’єднаний з компресором на стороні впуску. Це колесо розташоване між повітряним фільтром та впускним колектором. Це відцентровий насос. Він засмоктує повітря в центр і викидає його назовні за рахунок відцентрової сили. Слід стиснене повітря.
Результат? Щільне повітря. Більше кисню. Можна спалити більше палива. Більше вибухів за хвилину. Більше крутного моменту на колесах.
Чому ваш приріст не є лінійним
Можна подумати, що 10 psi наддуву завжди дають однаковий приріст потужності. Це негаразд.
Архітектура двигуна має значення. 2,0-літровий чотирициліндровий двигун реагує інакше, ніж 5,0-літровий V8. Розмір турбіни має значення. Маленька турбіна швидко розкручується, але задихається на високих оборотах. Велика турбіна видає величезну потужність на верхньому діапазоні обертів, але має затримку (турбояму), доки ви вже не обганяєте когось. Налаштування має значення. Кут випередження запалення, паливна суміш та ефективність інтеркулера визначають, яка частина цього потенціалу фактично передається на дорогу.
«Турбокомпресори дозволяють двигуну спалювати більше палива та повітря, упаковуючи більше суміші у існуючі циліндри».
Але неефективність пов’язана не лише із теплом. Вона пов’язана з обмеженням потоку. Турбіна знаходиться в дорозі вихлопних газів. Це фільтр із вентилятором усередині. Вона обмежує потік. Двигуну доводиться працювати важче, щоб виштовхувати вихлопні гази. Це той самий протитиск, про який ми говорили. Воно забирає потужність у циліндрів, які здійснюють робочий хід. Ви виграє за рахунок стиснення впускного повітря. Ви втрачаєте через обмеження потоку вихлопних газів. Чистий результат – це оптимальний діапазон 30-40%.
Конструкція та розміщення
Турбокомпресор кріпиться безпосередньо до випускного колектора. Це не аксесуар, який можна просто прикрутити до рами. Він інтегрований у цикл дихання двигуна.
Подивіться на [IMG:0]
Розгін валу до 200 000 об/хв призведе до руйнування стандартних компонентів. Більшість підшипників буквально вибухне під таким навантаженням. Саме тому турбокомпресори використовують технологію рідких або гідродинамічних підшипників. Замість тертя металу об метал вал обертається, плаваючи на тонкому шарі олії під тиском.
Така конструкція виконує дві критично важливі функції. По-перше, вона підтримує тертя на низькому рівні, дозволяючи валу обертатися вільно. По-друге, вона діє як радіатор, відводячи теплову енергію від валу та інших гарячих компонентів. Без постійної циркуляції олії турбокомпресор розплавився б у суцільний шматок стали лише за кілька секунд.
Однак існує межа того, який тиск наддуву можна використовувати безпечно. Турбокомпресор нагнітає повітря у циліндри. Потім поршень додатково стискає це повітря. Більше стиснення означає більш високі температури. Коли повітря нагрівається досить сильно, воно може спалахнути паливну суміш ще до того, як спрацює свічка запалювання.
Це називається детонацією.
Детонація руйнівна. Вона виникає через нагрівання стисненого повітря. Якщо температура перевищить точку самозаймання палива, відбувається неконтрольоване згоряння. Це звучить як металевий стукіт у вихлопній системі, але відчувається як удари молота по блоку циліндрів.
Для боротьби з цим явищем автомобілі з турбонаддувом часто вимагають використання палива із високим октановим числом. Високий октановий номер запобігає передчасному займанню. Якщо тиск наддуву стає занадто агресивним, інженерам може знадобитися знизити ступінь стиснення двигуна. Це суворий компромісний захід. Ви жертвуєте частиною ефективності на низьких обертах, щоб запобігти руйнуванню двигуна при високих навантаженнях.
Багато системах на вирішення частини проблеми перегріву використовується интеркулер. Цей пристрій розташовується між турбокомпресором та циліндрами двигуна. Воно охолоджує стиснене повітря перед його надходженням у камеру згоряння. Холодне повітря більш щільне. Це також знижує ризик детонації.
Проектування турбокомпресора переважно полягає в управлінні цими компромісами. У наступному розділі докладно розглядаються конкретні деталі, які роблять це можливим.
Деталі турбокомпресора
Вирішення проблеми турбозалежності та управління наддувом
Турбозалежність (турболог) – це «ахіллесова п’ята» систем із примусовим наддувом. Ви натискаєте на педаль. Нічого немає. І раптом автомобіль різко штовхає вас у спину.
Затримка виникає тому, що вихлопних газів потрібен час, щоб фізично розкрутити турбіну до робочої швидкості. Потрібен час для набору інерції. У цей короткий проміжок часу ви просто керуєте автомобілем із атмосферним двигуном.
Виробники використовують вентиль скидання тиску (wastegate) для керування цим процесом. Це клапан скидання тиску. Він безпосередньо відстежує тиск наддуву. Якщо турбіна обертається дуже швидко, вентиль скидання тиску відкривається. Вихлопні гази обходять лопатки турбіни. Турбіна сповільнюється. Це запобігає надлишковому наддуву і захищає двигун.
Маленька турбіна обертається швидше. Це знижує турбозалежність. Але вона обмежує потужність на високих оборотах. Вентиль скидання тиску дозволяє використовувати маленьку турбіну для швидкого відгуку та скидати надлишкові вихлопні гази, щоб запобігти її руйнуванню.
Прецизійні підшипники для більш швидкого набору обертів
Рідкісні підшипники є стандартом. Олія амортизує вал. Але олія створює опір.
Турбіни високого класу використовують шарикопідшипники. Це не звичайні деталі із господарського магазину. Це гібридні конструкції з кераміки та сталі. Вони виготовлені з прецизійною точністю до мікронів. Вони витримують екстремальні температури та швидкості.
Найменше тертя означає меншу інерцію. Вал розкручується швидше. Турбіна набирає обертів швидше. Турбозалежність зменшується.
Деякі виробники також використовують легший вал. Найменша маса означає, що для прискорення вузла потрібно менше енергії. В результаті виходить турбокомпресор, який реагує практично миттєво на натискання педалі акселератора.
Подвійні турбокомпресори для широкого діапазону крутного моменту
Одна турбіна – це компроміс. Вона або швидка, але невелика, або повільна, але велика.
Подвійні турбокомпресори вирішують цю проблему. Ви встановлюєте два агрегати різного розміру. Маленька турбіна працює на низьких обертах. Вона швидко набирає обертів. Ви отримуєте миттєвий відгук педалі акселератора. Без турбозалежності.
Коли обороти зростають, маленька турбіна досягає межі. Включається велика турбіна. Вона забезпечує величезний потік повітря. Двигун зберігає потужність на високих швидкостях.
Таке налаштування імітує криву потужності більшого двигуна. Вона відчувається лінійною. Вона відчувається потужною. Вона усуває розрив між моментом, що крутить, на низьких оборотах і потужністю на високих оборотах.
Інтеркулери: щільність повітря важливіша за тиск
Стиснення створює тепло. Гаряче повітря розширюється. Він стає менш щільним.
Турбокомпресор стискає повітря, щоб загнати більше молекул у циліндр. Але якщо це повітря гаряче, воно розширюється. Ви можете мати тиск 7 psi. Але якщо він гарячий, він містить менше молекул кисню, ніж холодніше повітря при тому ж тиску.
Потужність залежить від кисню. Більше кисню означає, що можна спалити більше палива. Більше згоряння означає більше потужності.
Інтеркулер чи охолоджувач наддуву вирішує проблему тепла. Він виглядає як радіатор. Повітря проходить через внутрішні внутрішні герметичні канали. Зовнішнє повітря обдуває ребра за допомогою вентилятора.
Інтеркулер знижує температуру стисненого повітря. Холодне повітря більш щільне. При тиску 7 psi повітря, що пройшло через інтеркулер, містить значно більше молекул кисню, ніж гаряче повітря. Двигун спалює паливо ефективніше. Потужність зростає. Детонація знижується.
Продуктивність на великій висоті
У горах повітря розріджене. Атмосферний двигун втрачає потужність на великій висоті. У циліндр потрапляє менше молекул кисню. Двигун “задихається”.
Турбокомпресор компенсує це. Він стискає розріджене повітря. Він заганяє більш щільну суміш у циліндр.
Втрата потужності не зникає повністю. Але вона стає значно меншою. Турбіна підтримує тиск у впускному колекторі. Двигун “дихає”. Він працює ближче до показників на рівні моря.
Управління паливом та тюнінг
Сучасні двигуни використовують датчики кисню у вихлопній системі. Вони контролюють співвідношення повітря та палива.
Коли ви встановлюєте турбіну, у двигун надходить більше повітря. ЕБУ (електронний блок керування) виявляє це. Він автоматично додає паливо. Це підтримує правильне стехіометричне співвідношення.
Проте є межі.
Якщо ви встановите турбіну з надлишковим потенціалом наддуву, штатна паливна система може не впоратися. Паливний насос може не подавати достатній обсяг. Форсунки можуть працювати на межі своєї пропускної спроможності. Програмне забезпечення ЕБУ також може обмежувати подачу палива для захисту двигуна.
У таких випадках штатних компонентів недостатньо. Вам потрібні більші форсунки. Паливний насос підвищеної продуктивності. Перепрошивка ЕБУ.
Без цих покращень двигун працює на бідній суміші. Він перегрівається. Виникає детонація. Він виходить із ладу.
Часті питання: міфи і факти про турбокомпресори
У чому різниця між турбокомпресором та нагнітачем (суперчарджером)?
Нагнітачі рухаються механічно від колінчастого валу через ремінь. Вони забирають потужність безпосередньо від двигуна. Турбокомпресори використовують енергію вихлопних газів. Технічно вони є різновидом нагнітачів, але працюють самостійно за рахунок відпрацьованого тепла.
Скільки кінських сил додає турбокомпресор?
Правильно встановлений турбокомпресор може збільшити потужність на 30-40%. Для звичайного седана це 70-150 додаткових кінських сил. Це залежить від обсягу двигуна та характеристик турбіни.
Чи шкідливий турбокомпресор для двигуна?
Не сам собою. Але він підвищує навантаження. Стиснення підвищує температуру. Висока температура може спричинити передчасне займання або детонацію. Якщо система охолодження або ступінь стиснення не контролюється, це ушкоджує двигун. Правильний тюнінг та охолодження знижують цей ризик.
Який бренд турбокомпресорів найкращий?
Немає одного найкращого бренду. Garrett, BorgWarner та Honeywell є великими постачальниками для автовиробників (OEM). Популярні бренди для тюнінгу включають Precision Turbo та лінійку S200 від BorgWarner. Вивчіть свою конкретну платформу двигуна. Зверніться до фахівця.
Скільки коштує турбокомпресор?
Ціни варіюються залежно від автомобіля. Для невеликих автомобілів вони дешевші. Для вантажівок – дорожче. Післяринкової турбіни коштують від 1500 до 7500 доларів. Ця ціна часто стосується лише самої деталі. Робота зі встановлення та налаштування додасть до вартості ще тисячі доларів.
