| Turbo |
© prawa autorskie - Grzegorz Grabowski
Zwiększanie mocy silników może być realizowane w różny sposób, ale w zastosowaniu do seryjnych silników używanych do jazdy na co dzień, bez wątpienia najlepszym rozwiązaniem są modyfikacje turbo. Ich zasada zwiększania mocy polega na zwiększaniu napełnienia cylindrów poprzez zwiększanie ciśnienia powietrza w kolektorze ssącym. Do wytwarzania nadciśnienia w kolektorze ssącym służą turbosprężarki wraz z niezbędnym osprzętem zwane zestawami turbo. Tak więc modyfikacje turbo polegają na zamontowaniu do seryjnego silnika zestawu turbo i wykonaniu stosownych regulacji.
W skład typowego zestawu turbo wchodzą:
- turbosprężarka z zaworem upustowym
- kolektor wydechowy
- intercooler
- orurowanie ssące i tłoczące
- fragment układu wydechowego
- zawór blow off
- układ dodatkowego wtrysku paliwa ze sterownikiem
- power rura ze stożkowym filtrem powietrza
- układ smarowania i chłodzenia turbosprężarki
- olej silnikowy z filtrem oleju
Szczególnym przypadkiem modyfikacji turbo są tzw. turbo soft, które w sensie działania różnią się od typowego turbo jedynie niższym ciśnieniem doładowania. To niższe ciśnienie doładowania z reguły nie przekraczające 0,5 bar powoduje, że modyfikacje turbo soft nie wymagają żadnych ingerencji w seryjny silnik i jego seryjną elektronikę, ponieważ generowany przyrost mocy nie jest szkodliwy dla seryjnych konstrukcji współczesnych silników. Tym samym koszt ich wykonania w stosunku do uzyskanych efektów nie jest duży, a jednocześnie ( w przypadku takiej konieczności ), ów brak ingerencji umożliwia szybkie i tanie przywrócenie silnika do stanu seryjności.
Modyfikacje turbo soft dedykowane są
przede wszystkim do jazdy na co dzień z tego powodu, że nie zmieniają
one charakterystyki silnika. Tzn. obroty momentu maksymalnego i
maksymalnej mocy po zamontowaniu zestawu turbo soft pozostają bez
zmian, a zmianie ulegają jedynie wartości momentu i mocy co powoduje
ogromna poprawę elastyczności silnika, umożliwiającą niewielkie
zużycie paliwa przy niepełnych obciążeniach. Przy maksymalnej
regulacji turbo soft umożliwia uzyskanie mocy ok.100KM z litra
pojemności skokowej oraz wzrost maksymalnego momentu obrotowego o ok.
50%, tym samym powodując ogromną poprawę dynamiki, szybkości
maksymalnej samochodu, elastyczności silnika oraz niewielkiego zużycia
paliwa w zakresie częściowych obciążeń. W przypadku stosowania się do
ogólnie przyjętych zasad eksploatacji silnika turbodoładowanego,
stosowania paliwa o wymaganej LO98, stosowaniu odpowiedniego oleju
silnikowego ( markowe 100% syntetyki 10W60 latem i 5W50 zimą ) -
modyfikacja taka jest praktycznie nieszkodliwa dla silnika, a jeżeli
skraca jego żywotność, to w stopniu trudnym do zauważenia.
Reasumując: dlaczego turbo soft?
Dlatego, że w zastosowaniu do jazdy na co dzień wykazują zdecydowaną przewagę nad wszelkimi innymi modyfikacjami wolnossącymi, a w szczególności:
- są najskuteczniejszym sposobem poprawiania osiągów samochodów, a w stosunku do uzyskiwanych efektów sposobem również najtańszym
- umożliwiają znacznie większy bezpieczny dla silnika wzrost momentu obrotowego i mocy maksymalnej
- ze wzrostem mocy nie pogarszają elastyczności silnika i nie przesuwają charakterystyki w wyższy zakres obrotów
- gwarantują wysoką moc, ogromną elastyczność silnika i bardzo wysoki moment obrotowy już przy niskich obrotach
- przy spokojnej jeździe nie zwiększają zużycia paliwa
- gwarantują seryjną kulturę pracy silnika, pomimo dużego wzrostu momentu obrotowego i maksymalnej mocy.
- w wersji soft nie stanowią zagrożenia dla trwałości i bezpieczeństwa silnika
- w wersji soft nie wymagają żadnych ingerencji w seryjny silnik i jego elektronikę i w razie potrzeby, umożliwiają szybki i tani powrót do seryjności.
Stopień sprężania w
turbo
Dobór turbosprężąrki
Dobór układu
zasilania paliwem
Stopień sprężania w
turbo
Doładowanie zwiększa ciśnienie sprężania i powoduje wzrost
skłonności silnika do występowania spalania detonacyjnego. W
przypadku niskociśnieniowego turbo (soft) w silnikach
seryjnie zasilanych paliwem LO85 z reguły nie zachodzi
potrzeba ich odprężania, ponieważ w celu zapobieżenia
spalaniu detonacyjnemu wystarczy przejść na paliwo LO98 i
ew. zmienić seryjne świece zapłonowe na świece o tej samej
wartości cieplnej, ale o konstrukcji z wewnętrzną (schowaną)
elektrodą. Natomiast w pozostałych przypadkach silnik należy
odprężyć w/g wzoru:
E turbo = E wolnossące -
(P/1,32)
gdzie:
P = ciśnienie doładowania
1,32 = wykładnik politropy
E = stopień sprężania
Oczywiście zmniejszanie stopnia sprężania powoduje spadek
mocy silnika w zakresie obrotów, przy których turbosprężarka
nie wytwarza jeszcze nadciśnienia.
Odprężenie silnika (zwiększenie pojemności komory spalania)
najprościej można uzyskać przez odpowiednie podniesienie
głowicy, stosując w tym celu dodatkową uszczelkę seryjną i
umieszczoną pomiędzy uszczelkami metalową przekładkę o
odpowiedniej grubości. Zastosowanie jedynie dwóch lub więcej
seryjnych uszczelek pod głowicę bez metalowej przekładki
gwarantuje niezawodność tylko w przypadku, gdy seryjne
uszczelki są metalowe.
Potrzebne podniesienie głowicy
h (w cm) w celu otrzymania
wymaganego odprężenia silnika, obliczamy w następujący
sposób:
h = ((V/(E turbo - 1) - V/(E
wolnossące - 1)) / (Pi*(d/2)^2)
gdzie:
V = pojemność skokowa jednego cylindra w cm3
d = średnica cylindra w cm
E turbo = stopień sprężania dla turbo
E wolnossące = stopień sprężania seryjny
Pi = 3,1415926
Wykonując modyfikację turbo soft, podstawową sprawą jest dobór właściwej turbosprężarki. Zasadniczo są dwa sposoby doboru, profesjonalny i amatorski. Profesjonalny, to obliczenie przewidywanego zapotrzebowania powietrza naszego silnika z turbo i na tej podstawie dobranie odpowiedniej turbosprężarki korzystając z ich charakterystyk publikowanych przez producentów. Zaś amatorski, to zastosowanie przez analogię takiej turbosprężarki jaka akurat jest stosowana w jakimś seryjnym silniku z turbo o podobnej pojemności i charakterystyce.
Przykładowe obliczanie maksymalnego zapotrzebowania powietrza dla silnika Hondy D16Z5
Dla precyzyjnego określenia zapotrzebowania powietrza, potrzebna jest charakterystyka silnika z przed modyfikacji turbo. Poniżej charakterystyka silnika n/a przed modyfikacją turbo.
Przebieg krzywej momentu obrotowego odzwierciedla przebieg napełnienia co oznacza, że najwyższe napełnienie występuje przy maksymalnym momencie obrotowym. Sprawność napełnienia współczesnych silników przy obrotach momentu maksymalnego wynosi ok. 100%. Zaś cykl pracy każdego silnika czterosuwowego zawiera się w dwóch obrotach wału korbowego. Tak więc przy obrotach maksymalnego momentu obrotowego każdy współczesny silnik czterosuwowy zasysa swoją całkowitą pojemność skokową na każde dwa obroty wału korbowego.
Zapotrzebowanie wolnossącego
silnika na powietrze przy obrotach momentu maksymalnego obliczamy
mnożąc całkowitą pojemność skokową silnika przez połowę obrotów
momentu maksymalnego.
- pojemność silnika 1,59 l
- obroty momentu maksymalnego 5900obr/min
1,59*5900/2=4690,5 l/min czyli 4,6905 m3/min
Jednak silnik nie kończy pracy przy obrotach momentu maksymalnego,
lecz pracuje aż do zadziałania ogranicznika obrotów maksymalnych,
czyli do tzw. odcięcia. Na w/w
wykresie jest to 7500obr/min. O ile jednak przy obrotach maksymalnego
momentu obrotowego sprawność napełnienia wynosi ok. 100%, to przy
7500obr/min już znacznie mniej. I właśnie po to żeby obliczyć ile
mniej, potrzebny jest wykres przebiegu momentu. Na
przykładowym wykresie dla 7500obr/min generowany jest moment o
wartości 117Nm. Jeżeli moment maksymalny o wartości ok. 142Nm był
wynikiem 100% napełnienia, to 117 Nm (przy 7500obr/min)
oznacza napełnienie 117Nm/142Nm=0,8239 , czyli ok. 82%.
Zapotrzebowanie wolnossącego silnika na powietrze przy obrotach maksymalnych obliczamy mnożąc całkowitą pojemność skokową silnika przez połowę obrotów maksymalnych i przez sprawność napełnienia występującą przy obrotach maksymalnych.
1,59*7500/2*0,82 =4889,25 i/min czyli 4,8893 m3/min
Obliczyliśmy maksymalne zapotrzebowanie silnika wolnossącego, a
musimy znać zapotrzebowanie silnika doładowanego. Aby
to obliczyć mnożymy zapotrzebowanie silnika wolnossacego przez
(ciśnienie doładowania+1). Czyli w przypadku doładowania 0,5 bar
mnożymy przez 1,5
4,8893 m3/min * 1,5 = 7,334 m3/min ( 0,122 m3/sek ),
a ponieważ 1m3 powietrza waży ok. 1,3kg, to 7,3338*1,3 = 9,533kg,
a ponieważ 1kg = 2,2 lbs, to 9,533kg=20,97 lbs/min
Tak więc do silnika D16Z5 z turbo soft o ciśnieniu doładowania 0,5 bar potrzebna jest turbosprężarka, która dostarczy 0,122m3/sek powietrza, zrobi to przy możliwie wysokiej sprawności i zagwarantuje stabilną pracę w całym interesującym nas zakresie obrotów.
Wbrew pozorom nie jest to zadanie trudne, czy skomplikowane. Potrzebną turbosprężarkę znajdziemy przeglądając ich mapy np. na stronie http://www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/products/turbochargers.html lub http://www.rbracing-rsr.com/turbotech.html
Każda turbosprężarka ma swoją charakterystykę przedstawioną przez producenta na stosownym wykresie. Najpierw znajdujemy turbosprężarki, których mapa przewyższa potrzebne zapotrzebowanie naszego silnika ( w w/w przypadku 0,122m3/sek ). Na każdej z wyszukanych map prowadzimy poziomą linię od osi y na wysokości planowanego ciśnienia doładowania +1. Dla doładowania 0,5 bar będzie to wartość 1,5 ( 0,5+1=1,5 ). A następnie pionową linię od osi x na wartości określającej obliczone maksymalne zapotrzebowanie naszego silnika ( 0,122m3/sek ). Punkt przecięcia się linii wyznaczy nam miejsce na mapie.
Poniżej wykres charakterystyki popularnej turbosprężarki KKK-K04.
Na osi poziomej (x) przedstawiony jest wydatek powietrza ( w tym przypadku w m3/sek ).
Na osi pionowej (y) przedstawione jest ciśnienie doładowania, przy czym początkowa wartość 1, to ciśnienie atmosferyczne. Tak więc wartość na wykresie 1.4, to ciśnienie doładowania (1.4-1) czyli 0.4, a np. 2.2, to ciśnienie doładowania 1.2, bo 2.2-1=1.2 itd.
Niebieskie linie, to tzw. warstwice sprawności. Zakreślają one obszary ( warstwy ) charakterystyki o tej samej sprawności. Jak widać na powyższym wykresie, najwyższa sprawność turbosprężarki KKK-K04 wynosi 0,73, czyli 73% i zawiera się w warstwicy ciśnień doładowania od 0.5 bar do ok. 1.2 bar przy wydatku powietrza od ok. 0.083 m3/sek do ok. 0.123 m3/sek.
Początek charakterystyki ograniczony z lewej strony czarną pochyloną linią, to granica stabilnej pracy turbosprężarki.
Krzywe zaczynające się od linii stabilnej pracy biegnące w prawo, przedstawiają obroty turbosprężarki *1000. Przykładowo linia zaczynająca się wartością 116.1 informuje o miejscach charakterystyki przy obrotach turbosprężarki wynoszących 116100 obr/min.
Dobór układu zasilania paliwem
Dostarczenie do silnika z turbo zwiększonej ilości paliwa można zrealizować na wiele sposobów. Jednym z najprostszych i najtańszych jest dodatkowy wtrysk montowany na rurze tłoczącej opisany poniżej.
Przykładowy układ dodatkowego wtrysku
Dla
planowanego ciśnienia max 0,5 bar np. w silniku D16Z6 potrzebne są dwa
dodatkowe, seryjne ( identyczne jak te na listwie paliwowej silnika )
wtryskiwacze. Dlaczego dwa? Ano dlatego, że dla ciśnienia
atmosferycznego ( 1 bar ) w silniku wolnossącym potrzebne są cztery
wtryskiwacze. Chcemy doładowanie 0,5 bar, czyli razem z ciśnieniem
atmosferycznym 1+0,5=1,5, a 1,5*4 seryjne wtryskiwacze= 6 seryjnych
wtryskiwaczy.
Wtryskiwacze montujemy na rurze tłoczącej przed kolektorem ssącym, możliwie daleko od
przepustnicy. Dlaczego możliwie daleko? Dlatego, żeby wtryskiwane
paliwo zdążyło dokładnie wymieszać się z powietrzem i o ile to możliwe
odparowało. Jest to ważne, ponieważ kolektory ssące silników
wtryskowych ( w przeciwieństwie do kolektorów silników gaźnikowych )
nie są konstruowane pod kątem równego rozdziału mieszanki, a jedynie
równego rozdziału powietrza. Tak więc im lepiej zostanie wymieszane z
powietrzem i odparowane wtryskiwane paliwo przed przepustnicą, tym
równiejszy będzie rozdział paliwa na poszczególne cylindry.
Do zamontowanych dodatkowych dwóch wtryskiwaczy podłączamy paliwo
przez trójnik z przewodu paliwowego po filtrze paliwa.
Do każdego z czterech seryjnych wtryskiwaczy doprowadzone są po dwa
przewody elektryczne, są to wspólny dla wszystkich wtryskiwaczy (+)
oznaczony takim samym kolorem oraz oddzielny dla każdego wtryskiwacza
tzw. sygnałowy ( każdy wtryskiwacz innym kolorem ). Przewody plusowe
nas nie interesują, natomiast do przewodów sygnałowych dwóch seryjnych
wtryskiwaczy lutujemy
przewody i łączymy je poprzez diody ( np. BY255 ) z końcówkami
sygnałowymi dwóch dodatkowych wtryskiwaczy. Diody muszą być tak
wlutowane, aby miały pasek od strony wtryskiwaczy seryjnych.
Przewody plusowe dwóch dodatkowych wtryskiwaczy łączymy razem i
prowadzimy do plusa akumulatora ( lub do mocnego plusa po
stacyjce ) przez bezpiecznik
20A i włącznik ciśnieniowy. Uwaga!!! W żadnym wypadku nie bierzemy plusa z
przewodów plusowych seryjnych wtryskiwaczy.
Najlepiej jest zastosować włącznik ciśnieniowy z Fiata 126p lub
Cinquecento, ale przed zastosowaniem wymaga on niewielkich
modyfikacji, aby mógł działać bez przekaźnika i właściwie reagować na
nadciśnienie - zwierając styki już przy mocnym dmuchnięciu ustami w
rurkę.
 |
 |
Powyżej z lewej strony zdjęcie seryjnego włącznika ciśnieniowego stosowanego m.in. w samochodach Fiat 126p i Cinquecento. Z prawej strony zdjęcie przerobionego włącznika. W wykonaniu seryjnym włącznik ciśnieniowy zwiera styki gdy pojawia się w nim wysokie podciśnienie i z tego powodu nie bardzo nadaje się do sterowania dodatkowym wtryskiem, ponieważ uruchamiał by go zanim pojawi się nadciśnienie, a ponadto skutkiem rozwierania styków przy wzroście ciśnienia zamiast zwierania - wymagałby zastosowania przekaźnika. Włącznik przerobiony ma mieć wyjściowo styki rozwarte, które zwierają się dopiero po pojawieniu się minimalnego nadciśnienia. Przeróbka włącznika polega na odcięciu rurki widocznej po lewej stronie lewego zdjęcia i wklejenia jej w wywiercony otwór 5mm z przeciwnej strony membrany ( zdjęcie prawe ) oraz osłabieniu sprężyny wewnętrznej poprzez jej skrócenie. Twardość sprężyny wewnętrznej powinna być na tyle słaba, aby włącznik reagował na ciśnienie wytworzone ustami.
Alternatywnym rozwiązaniem do sterowania dodatkowym wtryskiem może być zastosowanie czujnika ciśnienia oleju np. z VW o progu zadziałania przy 0,15 bar. Do czujnika ciśnienia oleju należy dorobić śrubunek widoczny na zdjęciu poniżej, aby można go było połączyć wężykiem z kolektorem ssącym. Widoczny na zdjęciu kabelek służy do podania masy (-) na obudowę czujnika. Czujnik przy ciśnieniu atmosferycznym ma styki zwarte, które rozwierają się przy nadciśnieniu 0,15 bara. Tak więc, aby przedstawiony poniżej czujnik ciśnienia oleju mógł podać (+) na wtryskiwacze, musi być dodatkowo zastosowany przekaźnik.
MAP sensor powinien pozostać seryjny i zamontowany tak, aby "nie widział" doładowania, a wyłącznie podciśnienie. Na przewodzie doprowadzającym ciśnienie z kolektora ssącego do MAP-a musi być ( przed MAP-em ) zamontowany zaworek zwrotny, który będzie dopuszczał do MAP-a wyłącznie podciśnienie. Poniżej zdjęcia zaworka.
|
|
|
|
|
|
UWAGA!!! Po wykonaniu w/w instalacji, a przed jazdą należy
bezwzględnie sprawdzić działanie dodatkowych wtrysków oraz ciśnienie
paliwa na listwie. Przed ostrzejszymi jazdami należy sprawdzić
charakterystykę silnika oraz AFR i/lub EGT na hamowni podwoziowej.
W całkowicie sprawnym silniku D16Z6 teoretycznie i praktycznie, dobrze
wykonany taki układ gwarantuje poprawny skład mieszanki dla
doładowania 0,4-0,5 bar, bez żadnej dodatkowej elektroniki i bez
konieczności jakiegokolwiek strojenia. Jednak praktycznie, ze względu
na możliwy niezbyt równy rozdział mieszanki na poszczególne cylindry,
dla zapewnienie bezpieczeństwa silnika doładowanego, nie powinno się
przekraczać ciśnienia doładowania 0,4 bar.
UWAGA!!! Wyżej opisany układ dodatkowego wtrysku nie nadaje się do zastosowania w silnikach z monowtryskiem.
W przypadku modyfikacji turbo soft w
silnikach z monowtryskiem (SPI) -
najlepszym, najprostszym i najtańszym rozwiązaniem jest zastosowanie
mojej konstrukcji regulatora ciśnienia paliwa z regulowaną funkcją FMU,
czyli funkcją polegającą na zwiększaniu ciśnienia paliwa w zależności
od chwilowego ciśnienia doładowania z regulowanym stopniem przełożenia
od 1:1 do 14:1. Oczywiście rozwiązanie to można również stosować w
silnikach wyposażonych w wielopunktowy wtrysk paliwa (MPI).
W przypadku zastosowania w/w regulatora z funkcją FMU, dawkowanie potrzebnej ilości paliwa w całym zakresie obciążeń ( podcisnień i nadcisnień ) i obrotów silnika, odbywa się wyłącznie przez odpowiednie zwiększanie ciśnienia paliwa. Dlatego też warunkiem właściwego działania regulatora z funkcją FMU jest pompa paliwa, która jest w stanie wytworzyć potrzebne ciśnienie paliwa oraz posiada wystarczającą wydajność.
Cała regulacja polega na ustawieniu ciśnienia paliwa dla wolnych obrotów silnika oraz stopnia wzrostu ciśnienia paliwa w funkcji ciśnienia doładowania.
cdn.
© prawa autorskie - Grzegorz Grabowski
| Turbo |