Начало пути. ЗМЗ Турбо 230 л.с.

Часть 1.

Подготовка.
20 декабря 2006 года было положено начало великому проекту турбо. В этот день был приобретен турбокомпрессор CT15 (Toyota, двигатель 1JZ-GTE 2.5L) в кол-ве 2шт. и  разработана концепция о том, как приладить сей турбокомпрессор на 16-ти клапанный двигатель ЗМЗ 40620F объемом 2.3л а/м ГАЗ 3110 «Волга». В общих чертах требовалось решение 2х основныхпроблем (причем, не ясно было что сложнее):
        1) Приладить сам турбокомпрессор к двигателю, решив задачи крепления, смазки, охлаждения, прокладку впускного и выпускного трубопроводов.
        2) Выбор и настройка системы управления двигателем, которая бы могла правильно им управлять.

По расчетам, при давлении наддува порядка 0.9 - 1 бар с такой турбиной от 2.5 литрового двигателя Тойоты Марк2 мощность 2.3 литрового ЗМЗ 406 на 6200-6500 должна была составить порядка 300 л.с. и пиковый крутящий момент на средних оборотах не более 350-360 нм. Двигатель 2.5L 1JZ-GTE VVTI при давлении наддува 0.65-0.69 бар имеет мощность 280л.с. на 6200об/мин и 370нм на средних оборотах/

Часть 2.

Часть 2. Железные вопросы … и ответы.Как уже ранее говорилось, требовалось закрепить турбокомпрессор на двигателе и решить вопросы смазки и охлаждения. Однако, более того, было принято решение и подготовить сам мотор более тщательно. На тот момент двигатель пролетел порядка 75 000 км и, в общем – то, нуждался в ремонте… Масло кушать он любил литрами, порядка 1л на 300-350 км (в зависимости от стиля езды на машине).Поскольку масса двигателя составляла примерно 200 кг в сборе, а в гараже не было тельфера, пришлось разбирать двигатель по частям для облегчения процесса демонтажа.
        1) Первым делом, блок цилиндров был расточен до 1го ремонтного размера 92.5мм, и были изготовлены на заказ кованые поршни фирмой AMS (Зеленоград) под пониженную степеньсжатия 8.0 (стандартные рассчитаны под 9.3). На первый взгляд поршни понравились не очень, масса поршней немного превышала массу литых - заводских, однако толщина днища поршня была чуть ли не в 2 раза больше! Да и все размеры были в допусках. По массе отличались на 4 грамма.
        Блок был тщательно изучен на расположение масляных и водяных каналов с целью определения оптимальных мест отбора жидкостей. Масло для смазки турбокомпрессора было решено брать из заглушки второго цилиндра (судя по фоткам, на заводских турбо-двигателях ЗМЗ 4064/4054 как раз от туда масло и берется). Вместо заглушки был ввернут штуцер под трубку 8мм с рестрикторным сечением 3.5мм (рабочее давление масла в двигателе от 3.5 до 6 бар). Слив масла из турбокомпрессора осуществляется шлангом диаметра 22мм в поддон, куда был ввернут соответствующий штуцер.
        Там же, на втором цилиндре (на счастье) тоже оказалась заглушка водяной магистрали, которая была благополучно вывернута (а может и не благополучно, то ли она, толи масляная – заставили полдня провозиться в попытках вывернуть) и ее место занял штуцер 10мм для отбора охлаждающей жидкости для нагнетателя. Слив охлаждайки осуществляется врезанием тройника в магистраль обратки (блок цилиндров – печка – турбина – помпа).

        2) Подверглись доработке и шатуны, которые обзавелись жиклерами для опрыскивания днищ поршней маслом в целях охлаждения. В верхнем шатунномвкладыше была проделана борозда для забора масла за полуоборот коленвала.

        3) Не остался и без внимания маховик, который весил около 14кг и стал весить 9.5кг. Облегчить можно было значительно сильнее, но смысла в этом я тогда не увидел.
        4) Следующим этапом была балансировка коленвала вместе с маховиком и корзиной сцепления и начало сборки «низа». Шатуны и поршни были подобраны таким образом, чтобы обеспечить наименьшую разницу в весе. Таким образом, суммарная разница двух противоположных пар шатун-поршень (1-4 2-3 цилиндры) по итогам 10 измерений составила 0.48 гр. Блок был установлен на свое место, к нему был прикручен картер сцепления, КПП, и карданный вал соединил всю цепочку с задним мостом.

        5) Нашел свое место и интеркулер от Toyota Caldina, который был размещен фронтально, практически под радиатором, чтобы охлаждаться воздухом через центральный воздухозаборник переднего бампера.

        6) Пришло время самого главного – а именно установки самого турбокомпрессора.    Было много разных предложений как лучше это осуществить, на какой коллектор ставить, так как турбокомпрессор СТ15 довольно больших размеров и уместить его на месте стандартного выпускного коллектора не упершись при этом влонжерон или вакуумник было ювелирной работой.
        Однако выход был найден довольно быстро. Это коллектор дизельного двигателя ЗМЗ 514.3, который как родной встал на место стандартного 406-го коллектора к ГБЦ. Однако, своими компактными размерами он создал большую проблему (диаметр выходного отверстия у него 38мм всего). Были изготовлены переходные фланцы для крепления турбокомпрессора к коллектору и для аутлета.

        7) ГБЦ в данном случае особо не дорабатывалась (к сожалению). То есть, была взята доработанная ГБЦ с атмосферного мотора, где были шлифованы все каналы и убраны все косяки, камеры сгорания доведены до одного объема, клапанные пружины установлены более жесткие, тарелки клапанов – дюралевые. Спортивные клапаны было решено заменить на стандартные SM, которые заметно толще.

        8) Так как было абсолютно неизвестно, какой получится впоследствии двигатель по характеристике, и было решено собирать ГРМ на стандартных распредвалах 252гр. 9.0 мм и выставлять все по заводским меткам. Чтобы затем уже делать выводы, что куда крутить дальше и чтоменять.
        9) Изначально планировалось дуть в мотор 1 бар избыточного давления, поэтому степень сжатия была понижена с 9.3 до 8.3 и оставаться на 95м бензине. После измерения всех необходимых объемов для расчета геометрической степени сжатия, выяснилось что для достижения требуемой степени сжатия необходима прокладка ГБЦ толщиной порядка 1.6мм. Трудно сказать из-за чего вышел такой косяк, скорее всего AMS сделали маленькую проточку в поршнях и завысили степень сжатия. Однако, выход был найден – на заказ была изготовлена стальная прокладка ГБЦ толщиной ~ 1.65 мм. Теперь можно было приступать к окончательной сборке двигателя.
        10) На последнем этапе сборки требовалось подсоединить смазку и охлаждение шлангами и трубками к соответствующи штуцерам, что и было сделано без проблем. Однако, сложности представляла сборка выпуска и впуска, так как автор не имел в сварочного аппарата. Пришлось делать макеты впускного и части выпускного трактов из пластиковых (канализационных) труб, а потом по ним уже изготавливать соответствующие части из нержавейки, помогли ребята из PASSIK. Таким образом было сделано следующее: труба от воздушного фильтра до турбокомпрессора была выполнена резиновым шлангом диаметра 70мм (ЗиЛ 130), патрубок от холодной части улитки до интеркулера – из нержавейки диаметром 50мм, и от интеркулера до дросселя уже диаметром 63мм и тоже из нержавейки. Стыковались трубы соответственно резиновыми патрубками (армированными) от автомобилей КАМАЗ и ЗиЛ 130 (не помню точно какие от кого были). 

        11) Впускной ресивер PASSIK был заменен на стандартный алюминиевый ресивер ЗМЗ 409, так как у стандартного стенка ресивера имеет толщину порядка 5мм и много технологических площадок, куда можно вкрутить дополнительные штуцеры. Соответственно было добавлено 2 дополнительных штуцера. Первый - на отбор управляющего давления/разряжения на клапан сброса Blow Off и через тройник на прибор в салон - Metrika Boost. Второй штуцер – на ДАД.       

        Вопрос о системе управления турбокомпрессорным двигателем стоял уже давно, с момента затеи о самом турбировании. Все советовали переходить на систему управления Январь 5.1-41 с микропрограммой J5LS, разработки Maxi(RPD), котороя умела адекватно управлять 4х цилиндровым турбокомпрессорным двигателем, имела функции защиты двигателя при нештатных ситуациях, функцию boost-контроллера (в зависимости от передачи!) и много других моментов, которые отсутствуют в других ПО. Однако, тогда существовало несколько моментов, которые заставляли отказаться от этой затеи.
        Во-первых, комплекс MOLT, который может настраивать блок управления Микас 7.1 в реальном времени и по многим параметрам, не хуже, чем ПАК Матрица от Maxi(RPD) для ЭБУ Январь 5.1-41 и была уверенность, что в плане настройки проблем не будет.
        Во-вторых, появляется реальный шанс доработать комплекс MOLT при настройке турбокомпрессорного двигателя в тех условиях, которые не могут возникнуть на атмосферном двигателе.
        В-третьих, переход на Январь 5.1 с J5LS (на момент написания статьи v46) так же не возможен был по той причине, что данное ПО не продавалось автором.
        Однако время уже поджимало, и было принято решение остаться на системе управления Микас 7.1 со стандартным ПО WNZDA442 в надежде, что грамотно отстроенное оно сможет управлять таким двигателем без риска его выхода из строя.
        Для контроля и настройки топливоподачи был приобретен LM-1Kit от Innovate Motorsports и оставлен в машине на постоянно для контроля состава смеси. К первому же выезду автомобиля была добавлена первая версия ШДК регулирования в MOLT, чтобы сразу же начать приводить в порядок топливоподачу и не допускать ни в коем случае обеднения смеси. Естественно ШДК регулирование работало криво (все же первая версия), но с задачей своей справлялось неплохо. На момент написания статьи, прошло уже почти полгода со дня первого выезда и первой версии поддержки ШДК в MOLT, сейчас модуль доведен до относительного совершенства (усовершенствованиям нет предела) и работает исправно – можно не бояться за топливоподачу – состав смеси в цилиндрах будет соответствовать заданному в прошивке по окончанию настройки, а если вдруг режимная точка оказывается в значительном обеднении или обогащении в процессе настройки, то незамедлительно MOLT пропорциональным регулятором выводит режимную точку из данного состояния.

        Система управления обзавелась наконец-то правильным ДТВ Delphi, в целях ограничения УОЗ в зависимости от температуры поступающего в цилиндры двигателя воздуха.
        На момент написания статьи основным датчиком – измерителем воздуха в системе был ДМРВ. На мой взгляд, по правильности вычисления расхода воздуха MAF занимает первое место. Модели расчета циклового наполнения по ДАД (MAP) имеют разного рода неточности, очень многое не учитывают и в определенных режимах довольно не стабильны … В общем, поскольку времени изобретать ничего не было тогда, ДМРВ использовался обычный Siemens от Волги (правда физический предел показаний у него оказался всего ~600 кг/ч).
        Поскольку, в конфигурации присутствовал клапан сброса избыточного давления в атмосферу, а не перепускной клапан (точнее был не Blow-Off а переделанный под него Bypass – автор всегда мечтал иметь характерный для турбокомпрессорного двигателя звук под сброс газа), то использование ДМРВ в такой системе вызывало кучу проблем на серийном софте WNZDA442. Изначально ДМРВ был установлен как и полагается перед турбокомпрессором, однако попытки учесть поправкой сбрасываемый воздух ни к чему хорошему не приводили.  Была замечена сильнейшая нестабильность в показаниях датчика (как следствие нестабильного сброса воздуха из системы) при работе двигателя на разрежении в ресивере (от -0.4 до 0 бар) когда, когда воздух постоянно выдувался из клапана в виду особенностей данного Blow - Bypass’a. Переделывать впуск на циркуляцию сбрасываемого воздуха совсем не хотелось – попрощаться с красивым звуком желания не было. Надо было искать выход.
        И выход был найден. На пробу ДМРВ был перенесен в патрубок от интеркулера до дросселя, и самое главное уже после клапана сброса давления в атмосферу. Поэтому теоретическ ДМРВ уже видел только тот воздух, который непосредственно поступает в двигатель. Самое интересное, что несмотря на заверения многих авторитетных личностей о невозможности работы расходомера в данном варианте, ДМРВ исправно учитывает как и повышенную для него температуру, так и избыточное давление. Так что основным моментом работы ДМРВ в условиях повышенной температуры и давления остается неизвестный срок службы.

        Для правильного функционирования на турбокомпрессорном двигателе, была переделана система вентиляции картерных газов. Отсос газов от клапанной крышки теперь подведен к патрубку до турбины, где не может возникнуть разрежение. Более того, в систему врезан маслоотделитель (сепаратор) от двигателя ГАЗ 560 Steyr для сбора продуктов масла, а шланг от сепаратора до патрубка перед турбиной имеет уменьшенное сечение для ограничения расхода газов во впуск при высоких разряжениях во впуске. Хотя, если масло подгоняется турбиной во впуск через подшипники, то ДМРВ от этого будет страдать и этого не избежать без координальных переделок.

        Однако, все равно осталась проблема – расход воздуха превышает предельно допустимый для ДМРВ. То есть, уже с 4500 об/мин при давлении наддува 0.65 бар ДМРВ выдает постоянное напряжение 4.98В. Решение проблемы было найдено – это обман системы управления в зоне максимального расхода воздуха. Теоретически, это не правильно в корне, но на практике работает нормально. Суть в том, что тарировка ДМРВ была заменена заведомо неверной в зоне высоких напряжений, то есть 4.98В соответствует не 595 кг/ч а 789 кг/ч. Это приводит к тому, что на больших расходах воздуха всегда будет переобогащение топлива, но никак не обеднение! Переобогащение убирается поправкой времени впрыска, полученной ШДК-регулированием топливоподачи. Конечно единственный минус всей затеи – что фактически таблично работает система управления в этой зоне. Но как показала практика, при заданном составе смеси 11.5:1 в прошивке в зоне максимальных наполнений, реальный состав может колебаться от 11 до 12 в зависимости от атмосферных условий. Таким образом, проблема была решена, хоть и не правильно, но для мотора в данном случае никакой опасности не представляет в нормальном режиме. После отстройки мотора, при давлении наддува 0.65-0.69 бара, реальный пиковый массовый расход воздуха составил 690 кг/ч (с учетом коррекции по ШДК), а предельное цикловое наполнение - 1210 мг/ц. Для осуществления впрыска топлива были выбраны форсунки 360сс/min BOSCH 0 280 150 431 (Saab 2.3 Turbo), которые в такой конфигурации двигателя имеют фактическую Duty ~95% (при составе смеси в цилиндрах 11.5:1) - то есть уже на пределе.

        Итак, в принципе, поставленная работа выполнена – машина на ходу и едет при этом. Но если почитать заглавие статьи и сравнить с желаемым, становится ясно, что 300 л.с. тут и не пахнет.
        Во-первых, давление наддува выставлено минимально-возможное в данной конфигурации 0.65 - 0.69 бар (актюатор соединен шлангом напрямую с холодной части турбокомпрессора) при открытии дросселя 100% с 3500 до 6500 оборотов.
        Во-вторых, безусловно, мощность пропорциональна изменению массового расхода воздуха, в свою очередь от которого зависит Injector Duty (процент использования форсунки). То есть данные форсунки позволяют снять до 72*4 = 288 л.с., но это на составе смеси порядка 13.3-13.5:1,то есть на 11.5 они смогут обеспечить 11.5/13.5*288 = 245 л.с. а не 300 л.с.
        В-третьих, систему управления необходимо переделывать, так как есть – уже на пределе (хотя работает нормально)
        В-четвертых, основной причиной того, что мощность получилась значительно меньше, является компактный выпускной коллектор от дизельного двигателя ЗМЗ 514.3 с диаметром выпускного отверстия всего 38мм!!! На турбине диаметр входного отверстия в горячую часть 50-51мм! Коллектор просто душит мотор, отсюда после 4500 заметно падает тяга, и пик массового расхода приходится всего на 5000 об/мин, вместо запланированных 6600 и выше.
        На стенд замерять мощность и момент я не ездил, так как даже желания не было, однако примерно прикинуть довольно не сложно:
        1) по методу Andy Frost’a мощность равна примерно трети массового расхода воздуха (выведено экспериментальным путем, сильно зависит от механических потерь в двигателе), поэтому 690/3 = 230 л.с.
        2) Второй метод основан на duty форсунок. Так как максимальная мощность на данных форсунках может быть примерно 245л.с. на составе смеси 11.5:1, а реальный процент их использования примерно 95%, то 245*0,95 = 232 л.с.
        Так оба метода выдали практически одинаковое значение, то можно полагать, что мощность действительно в пределах 230л.с.
        Еще раз хочу подчеркнуть, что это примерные значения, точные значения получить можно только стендовым замером.

Следующим этапом будет устранение всех нехороших моментов, описанных выше, а именно:
        1) Изготовление и установка нормального выпускного коллектора
        2) Замена распредваолов на 270гр. 10.6мм
        3) Перевод системы управления на ДАД (как уже было упомянуто, система управления работает по ДМРВ, однако в системе присутствует и ДАД для сбора информации о текущем давлении и для разработки новой модели расчета циклового по показаниям ДАД)
        4) Исходя из пункта 3 разработка и создание нового ПО для управления спортивными и турбокомпрессорными двигателями на базе Микас 7.
        5) To be continued….

Часть 5. Выражаются благодарности:
Рома (RomaGTR4WD) – за идею турбирования и собственно турбокомпрессоры
Александр (Contros) – за создание нашего комплекса MOLT и помощь в настройке
Артем, Олег (McAutoTuner) – за консультацию по железным вопросам и за стальную прокладку ГБЦ
Сергей, Сергей (PASSIK) – за помощь в изготовлении впуска и выпуска
Андрей (Andy Frost) – за консультации по части методов настройки и алгоритмов
Андрей (Mrak), Сергей (Grach) – за многочисленные поездки по магазинам автозапчастей
Emmibox/Maxi(RPD) – за подсмотренные на его сайте и в описаниях ПО некоторые алгоритмы и методы настройки…;-)
и моему любимому Котенку за поддержку :-) © Jetsamnaz, 2008