Турбонаддув на мотоцикл

Турбины предназначены для увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания. При объеме двигателя 1.5 литра - "на выходе" можно получить до 600 лошадиных сил. Пример - довольно известная в Интернете Hayabusa GhostRider'а, показывающая на диностенде, судя по информации на зарубежных сайтах - мощность более 500hp.

Однако, установка турбины - дело сложное, и требует дорогостоящего оборудования и профессиональных знаний во многих областях науки и техники. Есть много примеров в России и за рубежом, когда люди собирали турбомотор, обладая довольно отдаленными познаниями в данной области – такие мотоциклы, в среднем «ходят» не более 1000-1500км.

Но, как это ни странно – турбо - это самый бюджетный способ достичь высокой мощности.

Давайте сравним примерные затраты и результат. Скажем, хотим увеличить мощность Хаябусы (Hayabusa).

Атмосферный тюнинг:

система управления топливоподачей + настройка на диностенде         16 000
прямоточный выпуск от                                                                       20 000
тюнингованные распредвалы с увеличенным подъемом кулачка          25 000
воздушный фильтр нулевого сопротивления                                           2000
комплект поршней увеличенного объема                                              18 000
переборка двигателя с расточкой для увеличения рабочего объема     20 000
Считаем. 101 000 рублей. Такой "набор" несомненно, увеличит мощность мотоцикла. Как показывает статистика - прирост получается в районе 30 лошадиных сил. Получаем, 101 000 / 30 = 3366 рублей за лошадиную силу.

Теперь, самый простой комплект турбонаддува:

турбина 20 000р
подключение к ней подачи масла и антифриза 5000р
выпускной коллектор 20 000р
впускной коллектор 15 000р
Blowoff 3000р
система управления топливом и настройка на стенде 18000
Это самый простой набор компонентов, рассчитанный на давление около 0.3-0.4Bar и не требующий доработки двигателя. 81999р. На стенде такая Hayabusa показывает 220лс, что на 80лс превышает сток.

81999 /80 = 1025р за "лс" , что более чем в 3 раза дешевле атмосферного тюнинга.

Есть еще интересная вещь - чем большую мы хотим получить мощность, тем дешевле оказывается турбо-тюнинг по сравнению с атмосферным.

 

Турбонаддув позволяет успешно модернизировать существующие двигатели. Установив систему турбонаддува на серийный мотоцикл, при грамотном подходе - можно добиться увеличения мощности в 1,5-2 раза без существенного уменьшения ресурса - ведь грамотно спроектированная система подразумевает не только "разгон" двигателя, но и увеличение прочности многих узлов. Достоинства мотоцикла с турбиной - высокая мощность и крутящий момент, что обеспечивает рекордно малое время разгона до 100км/ч и ни с чем не сравнимые ощущения от езды.

Система турбонаддува не ограничивается одной турбиной, и включает в себя - как правило:

собственно - саму турбину
впускной и выпускной коллектора
интеркуллер для охлаждения воздуха
перепускной клапан wastegate ("вестгейт") и клапан сброса давления Blowoff
систему управления наддувом (буст-контроллер)
система подачи и слива масла
датчики и вспомогательные устройства
Расскажем подробнее про каждый из элементов системы.

 

Турбина 

Принцип действия турбонагнетателя прост. По сути, это центробежный вентилятор, который приводится в движение энергией выхлопных газов двигателя.
Турбина состоит из корпуса ("housing") и двух колес с лопатками, которые соединены валом. Турбинное колесо раскручивается благодаря выхлопным газам, и приводит в движение компрессорное колесо. Результатом работы турбины является избыточное давление, которое улучшает наполнение двигателя топливо-воздушной смесью.

Правильный выбор турбины - залог успеха всего проекта в целом.

Для начала, нужно определить тип турбины - "ШАРИК" или "ВТУЛКА". Это две большие группы турбин, разделенные по устройству подшипникового узла. Суть в том, что крыльчатка вращается с частотой более сто тысяч оборотов в минуту. У "втулочной" турбины вал крыльчатки закреплен во втулке, которая смазывается маслом под давлением, примерный аналог - коленвал со вкладышами. В шариковой вал вращается в узле с шарикоподшипником, смазываемым при помощи масляных брызг. Преимущество шарикового подшипника - меньшее трение, следовательно - турбина быстрее раскручивается (выходит на рабочий режим на 1000-1500об раньше втулочной), и ей требуется меньший расход масла. Недостаток - высокая цена и несколько бОльшие габариты картриджа (узел турбины, в котором установлен подшипник либо втулка).

Если цена турбины и ее габариты не имеют значения - Ваш выбор, однозначно - "шарик"!

Далее, необходимо определить параметры геометрии крыльчаток турбины. Для этого нужно знать две вещи:

График желаемой мощности двигателя
График объемной эффективности имеющегося атмосферного двигателя.
С желаемой мощностью все понятно. Единственные критерии - бюджет проекта, и здравый смысл.

С объемной эффективностью все сложнее. Дело в том, что нужно знать - на каких оборотах, сколько воздуха пропускает через себя двигатель - и сколько при этом выдает мощности. По сути, это график КПД мотора на разных режимах работы. Для определения этих параметров мы используем динамометрический стенд со специально написанной программой обработки данных.

Опуская многие технические подробности - скажем, что на основе этих двух графиков строится так называемая Target Turbo Map - требуемая турбокарта, показывающая эффективность турбокомпрессора на разных оборотах двигателя и давлениях. После получения карты - просматриваются каталоги турбин на предмет наличия подходящей, и если ее нет - то турбина собирается "с нуля" из комплектующих фирм Garrett, KKK, IHI .

Если турбина была собрана с нуля - ее характеристика проверяется на специальном продувочном стенде. В результате, мы получаем турбину - в точности подходящую Вашему мотоциклу.

 

Впускной и выпускной коллекторы

Турбина подключается к двигателю при помощи двух коллекторов

Впуск – это система подачи двигателя от турбины к двигателю. Включает в себя «пайпинги» (дословный перевод – соединительные трубы), ресивер и некоторые другие узлы. Объем ресивера вычисляется исходя из мгновенного расхода воздуха через двигатель при открытии газа 0-100%. Но ресивер не может быть очень большим – иначе получим большую задержку и провал в характеристике крутящего момента.

Выпускной коллектор обеспечивает передачу потока выхлопных газов от двигателя к турбине. Самое главное, правильно свести 4 патрубка в один. От формы этого узла зависит эффективность работы турбины.

 

Интеркуллер 

 

Турбина сжимает воздух. При адиабатическом (без обмена с окружающей средой) сжатии воздуха в системе наддува - его температура повышается. Приведем простую формулу:
(Твход нагнетателя)/(Твых нагнетателя) = (Рвых/Рвход)(n–1)/n

Предположим, что подобранная турбина создает избыточное давление 0.5 бара. Температура на входе = 20 градусов.
Тогда Pвых/Pвход = 1.5 / 1 = 1.5. Следовательно, разница температур после однократного цикла сжатия составит 45 градусов, что даст на выходе температуру воздуха в 65 градусов!

Согласно расчётам, при начальной температуре 50 °C повышение температуры воздуха на 10 °C при постоянном давлении приводит к уменьшению его плотности на 3 %. Поэтому, если не охлаждать воздух после нагнетателя, эффект наддува может быть значительно ослаблен. 
Пример: при отношении Рвых/Рвхода = 1,5 плотность воздуха после сжатия (значит, и мощность) падает на 14 %; при отношении Рвых/Рвхода = 2 плотность воздуха падает на 25 %.

В двигателе внутреннего сгорания воздух, который подается в цилиндры, требуется дополнительно охлаждать, повышая его плотность, что в свою очередь повышает эффективность наддува, а также повышает давление, при котором возникает детонация.

Интеркуллер может быть водяной, воздушный, или отсутствовать в принципе.

Воздушный интеркуллер - самая простая конструкция. Представьте большой радиатор, через который продувается воздух после турбины - это и есть воздушный кулер. Преимущества - простота конструкции, большая скорость теплообмена сжатого воздуха с окружающей средой.

Из недостатков - большие габариты и объем, следовательно - турбине нужно некоторое время, чтобы создать давление в системе - что увеличивает "лаг" (задержку увеличения давления при открытии дроссельной заслонки). Так же данный тип интеркуллера плохо работает с системой антилаг - когда турбина может создавать большие избыточные давления при малых скоростях движения.

Обдува воздухом нет - следовательно, охлаждения тоже нет.

Водяной интеркулер - довольно сложная конструкция, состоящая из

радиатора воздух - вода
водяной помпы и системы шлангов
радиатора вода - воздух
Воздух после турбины нагревает воду в системе. Вода, в свою очередь - охлаждается набегающим потоком воздуха. Казалось бы - недостатков больше, чем плюсов. Но есть один интересный момент - когда мотоцикл стоит на месте, воздух - проходящий через двигатель - охлаждает воду. "Даем буст" - и вода, за счет своей большой теплоемкости - начинает охлаждать воздух. К моменту прогрева воды до критической температуры мотоцикл как раз успевает набрать скорость, достаточную для охлаждения водяного радиатора набегающим воздухом.

Выбор правильного интеркуллера и его габаритов - сложная инженерная задача.

 

Зато, с перепускными клапанами все проще.
Wastegate - клапан сброса избыточного давления. Как только турбина "надувает" больше чем требуется - открывается вестгейт, и выхлопные газы идут мимо горячей крыльчатки. Турбина замедляет вращение и давление падает. Управляя моментом открытия вестгейта - можно задавать любую характеристику набора давления в системе.

Blow-off, блооф. Крыльчатка турбины вращается с большими оборотами, и требуется некоторое время для ее остановки. Закрыли дроссельную заслонку (газ) - а турбина продолжает дуть! Соскочившие шланги на впускных коллекторах, погнутые дроссельные заслонки и сломанная крыльчатка турбины - далеко не весь список возможных проблем. Блоуофф стравливает избыточное давление в атмосферу, предотвращая повреждение частей системы.

Вестгейт как правило не требует подбора, он установлен внутри турбины. У Blowoff настраивается момент срабатывания - регулировкой жесткости пружины клапана, но в целом - подходит любой автомобильный. Еще он создает «пшикающий» звук на сбросе газа, есть способы как увеличения громкости - так и ее уменьшения – все зависит от Ваших пожеланий.

 

Система управления наддувом (бустконтроллер)

Вам же не нужно 400лс на первой передаче? Позволяет запрограммировать произвольную характеристику увеличения давления. Например, на первой передаче используем 10% наддува, на 4 - 50%, на 6 - 100%. Бустконтроллер - электромеханическое устройство, которое позволяет бортовому компьютеру управлять вестгейтом и ограничивать давление наддува. Эта система дает возможность сделать характеристику двигателя идеально ровной, без провалов и «подхватов».

 

Система подачи и слива масла

Турбина работает на больших оборотах и смазывается маслом под давлением. Система подачи - как правило, трубка определенного диаметра, подключенная к системе смазки двигателя. Диаметр трубки подбирается исходя из нужного расхода масла через турбину и давления в точке подключения.

Со сливом все сложнее. На выходе турбины нет давления масла, поэтому оно должно стекать из подшипника под действием силы тяжести. Трубка довольно большого диаметра (15-20мм), и ее конец не должен находится под уровнем масла. К тому же, трубка не может иметь отрицательных углов наклона. Если эти условия не выполнить - масло остается в подшипнике и начинает "выдавливаться" на впуск или выпуск. В итоге получаем большой расход масла и "дымящий" двигатель.

На мотоцикле очень сложно сделать слив выше уровня масла - поэтому мы рекомендуем использовать дополнительную емкость и откачивающий шестеренчатый насос. После заполнения емкости под турбиной - датчик включает насос и масло откачивается обратно в картер двигателя. В случае отказа насоса или датчика, масло сливается в поддон обычным образом.