Тюнинг мотора с наддувом.

Количество прокачиваемого воздуха через двигатель можно увеличить с помощью увеличения давления подаваемого воздуха. Такой способ форсирования двигателя называется наддув. Существует два основных вида наддува: турбонаддув и приводной компрессор.

Турбонаддув – это наддув с помощью центробежного компрессора, который приводиться с помощью турбины, работающей за счет энергии отработанных газов.

Компрессор – это наддув с помощью компрессора с механическим или электрическим приводом.

В целом, технология наддува довольно эффективное решение, позволяющее добиться фантастических показателей литровой мощности в 200-300 лс.. 

Однако не все так просто. 

Начнём с общего понимания процессов в моторе с наддувом. Процессы происходящие в моторе с наддувом аналогичны таковым в атмосферном моторе. Однако количество воздуха в цилиндре больше и соответственно выше давление и температура. То есть в моторе с наддувом больше склонность к детонации, больше нагрузка на поршень и прочие детали двигателя.

Таким образом, если сравнивать с атмосферным мотором, то степень сжатия будет меньше, а детали поршневой группы и системы охлаждения будут усилены.

А теперь нюансы по различным нагнетателям:

Особенности турбонаддува.

Моторам с турбонаддувом требуется время для выхода на режим наддува, этот эффект называется турбояма. До тех пор, пока двигатель не наберет некие рабочие обороты 2000-3000 об/мин турбина не работает и двигатель не тянет. Кроме того из-за низкой степени сжатия в этих режимах турбированный мотор еще и работает не эффективно. Для борьбы с этим явлением ставят параллельно две малые турбины вместо одной, делают двухзаходные турбины (twin-scroll), раскручивающие ротор турбокомпрессора за счет импульсов выхлопных газов фазированных по цилиндрам итд. Но не сморят на все эти мероприятия этот эффект остаётся.

Второе - это сложность контроля крутящего момента в режиме частичных нагрузок. У турбированного мотора взаимосвязь положение педали газа - крутящий момент носит не линейный характер, более того, эта характеристика переменна по своей природе: приоткрыли дроссельную заслонку, пошел поток газов на турбину, увеличилось давление, не линейно возрос момент, чуть прикрыли заслонку турбина снизила свою мощность давление упало, и снизился крутящий момент. Опять же мы изменяем положение педали газа на 1-2% а диапазон изменения крутящего момента уже может быть 10-15%. И что особенно неприятно, что из-за длинны парубков от турбокомпрессора до впускного коллектора, все это происходит с довольной ощутимой задержкой. То есть по сути мы имеем систему с нелинейным регулированием работающую с запаздыванием на сигналы органов управления.

Turbo-Direct-Injection

Что бы как-то исправить эту ситуацию BMW применило сочетание Doublevanos + Turbo + Direct-Injection.

Начнем с главного – в этих двигателях уже можно формировать внутри цилиндра зоны с различной степенью обогащений топливом. А именно в режиме частичных нагрузок вокруг свечи формируется зона с богатой смесью, чем ближе к стенкам цилиндра смесь становиться беднее. То есть по факту в цилиндре у нас супербедная смесь. Но поскольку вокруг свечи у нас смесь обогащенная, то эта сверхбедная смесь сгорает полностью. Таким образом регулирование крутящего момента в режиме частичных нагрузок происходит не только за счет дросселирования потока воздуха, но и за счет уровня обогащения смести. Как в дизеле, где вообще дроссельная заслонка не выполняет функцию регулирования мощности двигателя. А поскольку такое регулирование меньше влияет на поток воздуха в впускном тракте и подводящих патрубках, то это благотворно сказывается линейности такого регулирования. Кроме того это еще и способствует экономии топлива.

В свою очередь регулировка фаз газораспределения позволят получить максимально равномерную внешнюю скоростную характеристику двигателя.

Кроме того есть еще один нюанс – прямой впрыск топлива существенно снижает температуру рабочего тела перед воспламенением, что позволяет на таких двигателях использовать высокую степень сжатия (10:1) что так же сказывается положительно на расходе топлива.

Однако с точки зрения экологии, такой мотор доставляет определенные хлопоты: работа на сверхбедных смесях приводит к образованию оксидов азота. Для нейтрализации NOx приходиться устанавливать дополнительный нейтрализатор-накопитель, который накапливает в себе эти оксиды, а при соответствующих условиях восстанавливает NOx до N2O2.

TVDI - Turbo-Valvetronic-Direct-Injection

Это уже система следующего поколения объединены Doublevnos + Valvetronic + Turbo + Direct-Injection. В терминологии BMW такая система управления двигателем называется TVDI. В рамках данных двигателей возможности для получения вполне приемлемых характеристик уже существенно выше.

На этих двигателях уже появилась возможность отказаться от работы на супербедных смесях, которые требовали неких мероприятий для борьбы с окислами азота. Теперь дросселирование можно осуществлять, регулируя высоту подъема клапана и за счет фаз газораспределения. А это, в сочетании с турбонаддувом, дает широчайшие возможности для получения линейности регулирования в режиме частичных нагрузок.

Колебательные процессы незначительных масс воздуха во впускных каналах коллектора и ГБЦ практически не оказывают влияния на воздух в ресивере впускного коллектора и в подводящих патрубках. А это в свою очередь обеспечивает практически линейное регулирование процесса как в атмосферном моторе.

Ну и, как обычно, такая правильная настройка мотора оказывает еще и самое благотворное влияние на экономичность и экологичность. Так как регулирование крутящего момента в режиме частичных нагрузок происходит за счет фаз газораспределения, то благодаря этому удалось отказаться от супербедных смесей и мероприятий по нейтрализации окислов азоте связанных с этим.

Кроме того регулировка фаз газораспределения позволят получить максимально равномерную внешнюю скоростную характеристику двигателя вплоть до 7000 об/мин.

Компрессор.

Различают два основных вида компрессора:

Объемный компрессор (Roots, Lysholm). Эти компрессоры имеют линейную характеристики и довольно хорошо сочетаются с двигателем по характеристикам расхода воздуха, что и определило их широкое использование в рамках серийных конструкций.

По внешней скоростной характеристике тюнинг, с применением такого компрессора, очень похож на увеличение рабочего объема. Тот же хороший крутящий момент снизу и затухание на высоких оборотах.

Центробежный компрессор. Эти компрессоры имеют нелинейную характеристику, что и определяет характер такого мотора: незначительное снижение крутящего момента снизу и довольно бурный рост момента после 3000 об/мин. В целом простор для творчества довольно широк, можно ставить валы с узкими фазами и получать более-менее ровный мотор в рамках рабочей частоты вращения колен вала. Можно оставить фазы стандартные или сделать чуть шире и получать достаточно серьезную прибавку мощности на высоких оборотах с расширением рабочего диапазона частоты вращения коленчатого вала.

Особенности объемных компрессоров:

Как уже указал выше объемный компрессор в достаточно широком диапазоне оборотов имеет линейную характеристику производительности, то есть его производительность растет пропорционально оборотам его ротора. Это очень замечательно согласуется с такой же характеристикой поршневого двигателя и позволяет получать самые широкие возможности по формированию необходимой внешней скоростной характеристики двигателя. Можно варьировать фазы газораспределения и настройки коллекторов и получать как моментную, так и оборотистую характеристику двигателя.

На этом, к сожалению, достоинства заканчиваться. Компрессор имеет довольно большие геометрические размеры, что, с учетом привода и интеграции в коллектор, делает задачу по его установке не из простых. Производительность имеет линейный характер, но, к сожалению, не во всем диапазоне и с ростом оборотов ротора компрессора ее характер становиться ниспадающим вплоть до помпажа. Кроме того объемные компрессоры довольно шумные.

Рисунок Диаграмма мотора с компрессором, рисунок объемного компрессора.

Так же требуется понижение степени сжатия, так как в наиболее детанационно опасном диапазоне оборотов двигателя (1500-3000 об/мин) имеется существенный рост давления наддува, что может привести к детонации.

Особенности центробежных компрессоров:

Центробежный компрессор это по сути турбина с механическим приводом и отсюда все особенности этого компрессора. К достоинству можно отнести компактные размеры и относительную простоту установки. Ну и так же возможность серьезной прибавки мощности при высоких оборотах. Кроме того из-за незначительного роста давления наддува при 1500-3000 об/мин нет необходимости понижать степень сжатия. 

К недостаткам относиться: очень незначительная степень повышения давления при низких оборотах, большая инерционность мотора из-за высоких оборотов ротора и малая надежность все из-за тех же высоких оборотов рабочего колеса компрессора.

Как не сложно понять, наибольшую популярность при тюнинге получили именно центробежные компрессоры из простоты их установки, отсутствия необходимости существенного изменения конструкции двигателя, а так же из относительной дешевизны самого комплекта.

Расход топлива.

Хотелось бы поговорить об общем недостатке любого компрессора – повышенный расход топлива.

Как уже понятно степень расширения рабочего тела в двигателе не возрастает, а в некоторых случаях еще и падает. А это в свою очередь уменьшает эффективную отдачу энергии и приводит к выбросу части энергии в атмосферу в виде выхлопных газов повышенной температуры и давления.

Собственно, та энергия, которая в моторе с турбонаддувом вращает турбину, здесь просто выбрасывается. Это и есть основная причина малого распространения компрессоров в настоящее время.

Кроме того не лишним будет заметить, что поскольку выпуск в компрессорном моторе свободный, то и давление наддува для тех же уровней литровой мощности требуется существенно меньше. И если в моторе с турбонаддувом давление наддува в 1 атм. дает где-то 130 лс с литра, то для компрессорного мотора для достижения такого уровня мощности будет уже достаточно и 0,5-0,6 атм. Хотя по сути это не меняет, ибо количество воздуха, попавшего в цилиндр, будет в этих случаях все равно примерно одинаковое.

А это значит, что  необходимость усиления системы охлаждения и поршневой группы остаются в силе, ибо определявшим является конечная мощность, а не давление наддува.

Компрессоры для тюнинга бензиновых моторов BMW.

В силу того, что современные моторы BMW уже имеют турбонаддув, то применять компрессор для их форсировки нецелесообразно. Хотя для повышения мощности старых моторов BMW это довольно эффективный способ.

Однако надо понимать, что спрос на такие проекты уже незначительный, и ни о каком серийном производстве неких комплектов переоснащения речь уже идти не может. Так что это будут сугубо индивидуальные проекты, стоимость которых уже сравнима с установкой современных моторов.

Тюнинг современных бензиновых моторов BMW.

Начиная с 2011 года практически все моторы BMW выполнение по технологии (TVDI), и теперь самое время поговорить об их тюнинге.

Начнем с истории. BMW не сразу создали эти двигатели, а долго проверяли надежность этой системы по отдельности на разных моторах. Сначала на моторе N73 была отработана связка Dublevanos, Valvetronic и непосредственный впрыск топлива. Потом на двигателе N54 была отработана связка Dublevanos турбонаддув и непосредственный впрыск топлива.

И только после этого появились моторы N20 и N55 на которых уже полностью была использована эта технология.

В чем же преимущество этой технологии:

- За счет изменяемых фаз газораспределения и использования на низких оборотах узких фаз уже при оборотах 1200-1300 об\мин можно получить высокий крутящий момент. По мере набора оборотов фазы газораспределения становятся шире, что позволяет растянуть эффективный диапазон оборотов.

- Регулирование фаз газораспределения и турбонаддув позволяет добиться очень высокого крутящего момента. Однако длинная характеристика мотора позволяет не использовать пиковые значения крутящего момента на средних оборотах, что очень положительно сказывается на управляемости автомобиля. Благодаря такой «обрезке» максимального крутящего момента можно получить очень ровную и длинную внешнюю скоростную характеристику двигателя.

- Интенсивное испарение топлива в цилиндре существенно снижает температуру рабочего тела перед воспламенением, что позволяет использовать высокую степень сжатия без риска детонации.

- Формирования максимально гомогенной смеси внутри цилиндра так же препятствует образованию детонации в цилиндре.

И все вышеперечисленное открывает поистине фантастические возможности для тюнинга двигателя.

Именно благодаря тому, что моментная характеристика искусственно ограничена и возникает возможность получить существенный прирост крутящего момент, практически без ущерба для надежности двигателя.

Так же можно получить и прирост мощности, однако здесь уже надо понимать, что существенное увеличение мощности (30% и более) сопровождается значительным ростом тепловыделения и такую форсировку нужно всегда сопровождать усилением эффективности системы охлаждения, а также желательно устанавливать поршня с более толстым днищем.

И если с системой охлаждения все понятно – больше тепла, больше радиатор, мощнее вентилятор, то вот на поршнях нужно остановиться отдельно, что бы было понимание зачем это нужно.

Рассмотрим тепловой баланс поршня. Подвод тепла идет через днище на такте рабочий ход и выпуск. А на такте впуск и сжатие поршень отдает тепло рабочему телу. Так же поршень рассеивает тепло через поршневые кольца и юбку в блок цилиндров и затем в систему охлаждения. После форсировки масса рабочего тела возросла. Возрос и тепловой импульс подводящий поток тепла, а вот отдача тепла практически не изменилась.

К чему это приведет?

А приведет это к более сильному локальному нагреву днища поршня. Как с этим бороться? В целом элементарно: надо адекватно увеличить теплоемкость днища поршня, то есть увеличить его толщину. Благодаря этому у поршня появиться достаточная тепловая инерция, что выдержать повышенный тепловой импульс.

А теперь давайте попробуем понять зачем усиливать эффективность охлаждения.

Если речь идет о коротких уличных гонках, то особых проблем не возникает, сам по себе двигатель имеет внушительную теплоемкость и нагреть эти 100 с лишим килограмм на лишние 1-2 градуса довольно серьезная задача. За те 20-30 секунд, что двигатель выдает полную мощность, не выделятся достаточно энергии, чтобы нарушить тепловой баланс.

А теперь допустим вы едете на все деньги по автобану и длиться это уже десятки минут. Пока скорость высока, обдув радиатора обеспечивает достаточный отвод тепла, и двигатель находится в рабочем диапазоне температур. Однако мы понимаем, что в этот момент в двигателе довольно много деталей, температура которых уже выше 100 градусов: поршни, шатуны, коленчатый вал, маховик и гидротрансформатор, клапана, распределительные валы итд. И чем мы дольше едем в режиме полной мощности, тем выше поднимается температура этих деталей. (рабочая температура масла до 140-150 гр. С)

И вот мы снизили скорость или остановились, обдув радиатора понизился и рассеивание тепла в окружающую среду тоже снизилось. Казалось бы, что нам за печаль, мощность минимальна и подвод тепла тоже прекратился.

Но в этот раз теплоемкость двигателя играет обратную роль, все это накопленное тепло двигатель начинает отдаваться в систему охлаждения. И вот здесь и включается электровентилятор, чтобы это тепло рассеять в атмосферу. Как не сложно догадаться, форсированый мотор накопит тепла больше и для сохранения теплового баланса потребуется более мощный вентилятор и радиатор с большей поверхностью.

Интеркулер.

Когда речь заходит об эффективности охлаждения при форсировке, то все почему-то начинают задумываться о замене интеркулера. Ходят легенды, что это может дать чуть ли не 10-20% мощности. Давайте попробуем разобраться так ли это.

Зачем нужен интеркулер, думаю, все знают – в нем охлаждается воздух, который нагрелся в результате сжатия в компрессоре (приводном или турбокомпрессоре).

Работает следующим образом: температура воздуха подаваемого во впускной коллектор снижается за счет охлаждения интеркулера потоком набегающего воздуха. Чем выше скорость, тем выше поток набегающего воздуха, тем эффективнее работает интеркулер. Остановились, перешли в режим частичных нагрузок итд, набегающий поток воздуха тоже ослаб, но и количество тепла от сжатого турбиной воздуха тоже стало меньше.

Вроде все просто чем больше интеркулер, тем больше его теплоотдача, тем в итоге холоднее воздух… И на этой простате все и строиться.

Однако как обычно нюансы:

Начнем с эффективности, как уже упоминали выше интеркулер охлаждается набегающим потоком и поэтому интересует нас лишь та его часть, которая в этом потоке находиться. Если же часть интеркулера находиться в тени радиатора или каких других элементов конструкции, то эта часть практически не работает. Поэтому конструкции, которые увеличивают площадь интрекулера за счет увеличения размеров таких его частей никакого влияния на максимальную мощность оказывать не будут.

Но люди же ставят такие интеркулены и чувствуют прибавку мощности. Как так?

А все просто: у любого интеркулера есть еще один параметр - его теплоемкость и при кратковременных нагрузках чем выше теплоемкость интрекулера, тем дольше его будет нагревать проходящий через него воздух от турбины. То есть иными словами такой интеркулер будет повышать эффективность при разгоне с места. Что большинству «гонщиков» и надо.

Так же не лишним будет сказать, что на высоких скоростях эффективность интеркулера обычна чрезмерна. Понятно, что холоднее наружного воздуха вряд ли удастся охладить воздух, но и установка интрекулера большей площади вряд ли как то улучшит эту ситуацию.

Так же есть еще один нюанс. Как мы помним, то из-за скоротечности процессов впуска инерционность воздуха и его колебания оказывают существенное влияние на наполняемость цилиндра. Классический интеркулер, расположенный под или перед основным радиатором, вместе с патрубками представляет собой достаточно объемный колебательный контур, который замедляет реакцию двигателя на открытие или закрытие дроссельной заслонки. Что явно не идет на пользу управляемости автомобиля. А увеличение объема интеркулера усиливает этот негативный момент.

Таким образом можно с одной стороны увеличить мощность в начале разгона, но потерять в управляемость автомобиля в поворотах.

Еще один важный момент про который хотелось бы рассказать. Как уже упоминалось выше, чем меньше внутренний объем системы интрекулер - патрубки, тем лучше управляемость автомобиля. Но с другой стороны наиболее эффективное место установки интеркулера - это перед или под радиатором спереди, что явно не сочетается с короткими патрубками. 

Как решить эту проблему? 

Довольно просто. Установить жидкостный интекулер в удобное место из соображений минимального объема парубков, а уже радиатор такого интеркулера вынести перед или под основной радиатор. При всей простоте все же это сложное решение, так как это отдельный жидкостный охлаждающий контур с электронасосом итд.

В общем, исходя из нашего опыта, замена интеркулера не то что бы дает уж такой результат, что бы его реально заметить. Причем это касается даже систем распыления перед ним воды или некого сжиженного газа.

Итак можно резюмировать все вышесказанное по поводу тюнинга современных бензиновых моторов BMW:

Если мы ставим перед собой задачу увеличения мощности на 20%, или у нас есть мотор, которые в силу тех или иных причин задушен по мощности, то самый обычный чип-тюнинг удовлетворит все ваши пожелания.

Если же ваши желания существенно выше, то и тюнинг проект будет существенно сложнее. Однозначно надо начинать с замены поршней, по возможности понижения степени сжатия до 9,2-9,5, усиление системы охлаждения, замены интеркулера и замены катализаторов на Down Pipe.

В целом, в рамках таких проектов можно получить следующие характеристики: 

• с мотора N13 порядка 250 лс и 290-300 нм крутящего момента, 
• с мотора N20 порядка 350 лс и 450-480 нм крутящего момента, 
• с мотора N55 порядка 460 лс и порядка 550-570 нм крутящего момента, 
• с мотора N63 порядка 650 лс и 820 - 850 нм крутящего момента,

Однако надо понимать, что кроме мотора в автомобиле есть еще некоторые элементы, которые так же участвуют в процессе освоения мощности мотора, а именно коробка передач и редуктор заднего моста. И эти детали тоже имеют предел возможностей. Подробнее об этом можно прочитать в разделе настройка шасси.