Форсирование двигателя

Когда автолюбитель слышит разговоры на тему форсирования автомобильных двигателей, то обязательно вспоминает закись азота или как её иногда называют – «нитро». Эта тема окутана множеством стереотипов и предрассудков. Часто, даже те, кто устанавливал эту систему на свой автомобиль, не всегда понимают, что же они делают и как все это работает. Некоторые даже уверены, что закись взрывается (хотя на самом деле она не только не взрывается, она даже не горит), и вид баллона в багажнике машины внушает им трепет. А уж в том, что использование закиси азота приводит к быстрому выходу из строя двигателя, который если и не взрывается, то обязательно теряет клапана и т.д. уверены 90% водителей. Так ли все ужасно на самом деле? Давайте рассмотрим применение закиси азота в автомобилях подробнее.

Итак, на сегодняшний день, использование закиси азота можно считать самым дешевым, не сложным и очень эффективным способом повышения термического КПД двигателя автомобиля и его мощности. Но, правда, на очень короткое время.

Закись азота, основные сведения

Чтобы понять, почему это происходит, нужно немного коснуться химии. Закись азота N2O — это бесцветный, негорючий газ, который имеет слабый приятный запах и сладковатый вкус. Иногда этот газ называют «веселящим» из-за эффекта опьянения, который он производит. Плотность закиси азота при температуре 0°С и давлении 101 325 н/м2(760 мм рт. ст.) 1,9804 кг/м3, t кипения — 89,5°С, t плавления — 102,4°С. Но, главное, на что нужно обратить внимание, это то, что закись азота при температуре выше 500°C разлагается: 2N2O = 2N2 + 2O и действует как сильный окислитель, поэтому поддерживает горение.

Рассмотрим принцип работы системы закиси азота

NOS (Nitrous Oxide System) – Перемешанный с топливовоздушной смесью газ, подается в камеру сгорания двигателя. Во время процесса сжатия и воспламенения топливовоздушной смеси, закись азота под воздействием высокой температуры (около + 350 C-730 С), разлагается на азот и кислород. В результате этого процесса высвободившийся кислород позволяет сжечь дополнительное количество топлива (топливо для своего горения требует кислорода). Дело в том, что кислорода, который содержится в N2O, по массе примерно в полтора раза больше, в воздухе. Возможность сжигания большего количества топлива и дает прирост мощности двигателя. Кроме того, высвободившийся азот, также дает свои преимущества – он играет роль антидетонатора, и не дает процессу горения рабочей смеси идти лавинообразно. Также, закись азота снижает температуру поступающего в двигатель воздуха, что ведет к увеличению плотности поступающей в камеру сгорания рабочей смеси, при этом повышает скорость сгорания в цилиндрах. В упрощенном виде все это можно представить так – дополнительная мощность, получается от сжигания большего количества топлива, а закись азота позволяет это топливо сжечь.

Во время процесса подачи закиси азота в цилиндры очень важно поддерживать оптимальное соотношении топлива и окислителя, то есть такое их соотношение, при котором рабочая смесь будет сгорать полностью. При добавлении большего, чем нужно количества окислителя, необходимо подавать и больше топлива, иначе смесь будет «бедной», двигатель перегреется, возникнет детонация. Кстати, при использовании закиси азота детонация особенно опасна – двигатель очень быстро может выйти из строя.

Виды закиси азота

На сегодняшний день существуют три типа систем закиси азота, используемых в автомобилях:

сухая

мокрая

система прямого впрыска.

 "Сухая” система считается самой дешёвой и простой. Топливо подается через инжекторы, то есть впускной коллектор остается «сухим» от топлива. Есть два способа достижения этого:

Первый — в инжекторах увеличивают давление путем подачи закиси азота от соленоида. В результате поток топлива увеличивается.

Второй — продляют времени «включения» топливного инжектора, изменяя настройки компьютера. В результате также увеличивается количество поступающего в камеру сгорания топлива.

Такая система является «неуправляемой», то есть её можно либо включить, либо выключить. При этом есть опасность обеднить смесь, что, как уже говорилось выше не желательно.

В "Мокрой” системе закись азота подаётся также как и в «сухой», но, кроме того, топливо подается с помощью отдельной форсунки. Это позволяет избежать возникновения детонации и получить максимальные показатели от применения закиси. При этой системе есть возможность применять в качестве дополнительного топлива как бензины, таки спирты и газы, то есть горючее с более высоким октановым числом.

В системах прямого впрыска закиси азота топливо и закись азота поставляются непосредственно в каждое впускное отверстие. В форсунках смешивается и отмеряется закись азота и топливо, поступающее в каждый цилиндр. Система считается самой точной и мощной, но также и самой сложной в установке.

Вред закиси азота

Теперь давайте ответим на вопрос, может ли навредить закись азота двигателю? Да, может. Именно поэтому, при установке системы закиси азота на автомобиль, её нужно подбирать под конкретный двигатель. Детали двигателя имеют свой запас прочности, но он не безграничен, и если его превысить, естественно, двигатель выйдет из строя. При этом во время установки системы закиси, как правило, приходится улучшать кривошипно- шатунный механизм (КШМ), системы впуска /выпуска и т.д. Сколько при этом добавится мощности? Это зависит как от примененной системы, так и от двигателя, КПП, колес и других факторов. Нужно ли при установке системы переделывать карбюратор автомобиля и перепрограммировать ЭБУ? Если применяется не «сухая» система, то такие переделки не потребуются. Система подачи закиси азота имеет свою систему приготовления рабочей смеси. Есть ли опасность повреждения катализатора? Нет, если все сделано правильно, то катализатору ничего не грозит.

Подводя итог, можно сказать, что воспринимать системы впрыска азота, как опасные для двигателя неправильно. Возможно, такую репутацию эти системы получили из-за их относительно небольшой стоимости (если её сравнивать с другими способами увеличения мощности двигателя). Если аккуратно использовать систему и соответствующие устройства, обеспечивающие её безопасность, то она так же безопасна, как и иные варианты тюнинга двигателя. Кроме того, есть неоспоримый «плюс» при применении закиси азота – возможность включать систему при необходимости, и выключать её, чтобы эксплуатировать машину в обычном режиме, тем самым уменьшая нагрузку на двигатель. При неправильном использовании «нитро» можно спалить как клапана, так и поршень. Следует помнить, что при использовании закиси азота расход топлива увеличивается в разы.

Турбирование.

Еще одним способом изменения мощности движка является турбирование. Рассмотрим подробней что же это такое и с чем это едят.

Из школьного курса физики известно, что воздух, как и все остальные газы, под действием давления имеет свойство сжиматься, а, стало быть, в таком состоянии количество кислорода, необходимого для горения топлива, в цилиндры двигателя можно подать больше. В результате топливовоздушная смесь, при одном и том же объеме, может иметь больший энергетический заряд.

Такая идея увеличения мощности, без изменения рабочего объема двигателя, пришла в голову Готтлибу Даймлеру еще в 1885 году. Его устройство представляло собой вентилятор, приводящийся в движение от вала двигателя. Однако тогда конструкция имела множество недостатков, чтобы претендовать на использование.

В 1905 Альфред Бюхи запатентовал еще одну идею. В его разработке турбина, нагнетающая воздух, приводилась в движение за счет энергии выхлопных газов. 

Впервые начали использовать нагнетатели воздуха в военной авиации. Их стали устанавливать на авиационные двигатели, чтобы компенсировать худшее наполнение цилиндров воздухом при высотных полетах. Затем в 20-х года годах их можно было встретить на спортивных автомобилях, а десять лет спустя  и на гражданской технике.

Первыми нагнетателями на автомобилях стали механизмы, работа которых была основана на принципе роторно-шестеренчатого нагнетателя братьев Roots, изобретенного еще в 1859 году (первоначальными задачами этого устройства являлась вентиляция шахт). Нагнетатель представляет собой корпус, в котором вращаются в противоположные стороны две прямозубые шестерни. В объеме, который создается полостью между зубьями шестерни и корпусом, воздух не сжимается, а перемещается от впускного к выпускному коллектору. Сжимается он после: в нагнетательном трубопроводе. Такие нагнетатели еще называют компрессорами с внешним сжатием.

Недостатком такой конструкции является то, что с ростом давления в нагнетательном трубопроводе воздух начинает просачиваться обратно. Частично предотвратить это можно применением многоступенчатых нагнетателей.

Эти механизмы можно встретить и сегодня в автомобильной промышленности. Они носят имя своих изобретателей – нагнетатели типа Roots. В 1936 году Альф Лисхольм представил схожую конструкцию с нагнетателем типа Roots. Разница заключалась в том, что воздух двигался вдоль осей роторов.  И главным достоинством перед предыдущей разработкой стало то, что воздух, за счет изменения объема полостей между вращающимися роторами и корпусом, кроме перемещения, еще и стал сжиматься внутри (степень повышения давления может достигать семи).

Главным недостатком, из-за которого компрессоры Lysholm не нашли массового применения, была сложная форма роторов, производство которых требует высокой точности, что, естественно, отражается на их стоимости и надежности. Кроме того, такие компрессоры обладают высокой шумностью. Положительная черта механических нагнетателей типа Roots и Lysholm заключается в том, что они создают незамедлительное повышение давления, обеспечивая ровную работу мотора. Очень часто такие механические компрессоры используются тюнинговыми ателье, так как при установке требуют незначительных изменений в существующей конструкции. 

Центробежный компрессор стал следующим этапом в развитии наддува. Из-за своего внешнего вида его прозвали улиткой.

В корпусе такого устройства вращается крыльчатка. Воздух всасывается по центру и отбрасывается по периферии. Благодаря действию центробежных сил происходит его сжатие. В отличие от предыдущих компрессоров, его обороты значительно выше оборотов двигателя  (до 100 000 об/мин), поэтому для их увеличения используется дополнительный мультипликатор.

Производительность такого мотора нелинейная, так как количество воздуха растет с увеличением скорости вращения мотора. А это значит – ожидаемый прирост мощности заметен исключительно на высоких оборотах двигателя. 

Минусом механических нагнетателей, приводящихся в движение с помощью  соединения их с коленчатым валом двигателя при помощи ременной передачи, является отбор мощности (около 20%) у двигателя.

Турбокомпрессор – это наиболее часто встречаемая на автомобилях конструкция, увеличивающая количество подаваемого в цилиндры воздуха. Конструктивно он почти идентичен центробежному компрессору. Основное отличие заключается в типе привода. Вращается его крыльчатка за счет энергии выхлопных газов. Подобная схема позволяет меньше отбирать мощность у двигателя: всего 1,5 %. Однако и он обладает своими минусами, главным из которых является инерционность. После увеличения оборотов необходимо время, чтобы раскрутить турбокомпрессор, обладающий определенной массой. Такая запоздалая реакция на педаль акселератора среди автолюбителей называется турбояма. Связано это явление с тем, что турбина не успевает так быстро раскручиваться вместе с двигателем, а крыльчатка турбины в тоже время создает сопротивление выхлопным газам. Частично бороться с этим явлением научились установкой двух турбин. Часто моторы с такой конструкцией имеют приставку  biturbo. Одна из турбин  предназначается для работы на небольших оборотах двигателя, другая на "верхах". Преимущества такой схемы заключаются в том, что каждый ротор получается меньше, а значит легче и менее инерционный.

Одним из последствий работы компрессоров является то, что при сжатии воздух нагревается и расширяется в объеме, что влечет уменьшение его плотности и, соответственно, содержания кислорода. Поэтому воздух перед турбиной стали дополнительно охлаждать. Устройства, при помощи которых понижается температура воздуха, называются интеркулерами (промежуточный радиатор для воздуха). Перед тем  как попасть в цилиндры, воздух проходит через них и дополнительно охлаждается.  Для тех, кто решится на доукомплектацию своего автомобиля таким приспособлением, необходимо учитывать, что нагрузки на кривошипно-шатунный механизм возрастают. И на таких моторах, как правило, изготавливаются более прочные: коленчатый вал, шатуны и поршневые пальцы.

Кроме того, автомобиль укомплектованный такими устройствами становится дороже. В связи с высокой скоростью вращения, турбины очень требовательны к смазочным материалам и обладают невысоким сроком службы (около 150-200 тыс. км). Для того чтобы продлить их жизнь, необходимо помнить основное правило – не глушить мотор сразу же после его работы на высоких оборотах, а дать ему пару минут поработать на холостом ходу.  В противном случае, давление масла падает быстрее, чем останавливается турбина, тем самым механизм работает некоторое время без смазки. Кроме того, резкое падение температуры масла приводит к его коксованию, что также отражается на его характеристиках.

И все же, кроме притока мощности, такие моторы экономичнее, а значит, меньше загрязняют окружающую среду. Именно поэтому их все чаще и чаще можно встретить на современных автомобилях.