Введение
Система антилаг (ALS) – это метод уменьшения турбоямы или эффективного сжатия, применяемый в турбированных двигателях для минимизации задержки наддува в гоночных или высокопроизводительных автомобилях. Она работает за счет задержки момента зажигания и добавления избыточного топлива (иногда и воздуха) для компенсации естественной потери эффективности сгорания и увеличения давления на стороне наддува турбокомпрессора. Это достигается путем выпуска избыточного количества топливно-воздушной смеси через выпускные клапаны, где она сгорает в горячем выпускном коллекторе, раскручивая турбокомпрессор и создавая более высокое полезное давление.
The anti lag system (ALS) is a method of reducing turbo lag or effective compression used on turbocharged engines to minimize turbo lag on racing or performance cars. It works by delaying the ignition timing and adding extra fuel (and sometimes air) to balance an inherent loss in combustion efficiency with increased pressure at the charging side of the turbo. This is achieved as an excess amount of fuel/air mixture escapes through the exhaust valves and combusts in the hot exhaust manifold spooling the turbocharger creating higher usable pressure.
Обзор
ALS впервые использовался в эпоху расцвета турбонаддувных автомобилей в гонках Формулы-1 примерно в середине-конце 1980-х годов, пока топливные ограничения не сделали его применение нецелесообразным. Впоследствии он стал распространенной функцией в раллийных автомобилях из-за возросшей турбоямы, вызванной обязательными рестрикторами на входе во впускной коллектор. Из-за перепада давления на рестрикторе, отношение давления для заданного уровня наддува значительно выше, и турбокомпрессору необходимо раскручиваться гораздо быстрее, чтобы обеспечить тот же наддув, что и при работе двигателя без рестрикции. Это существенно увеличивает турбояму по сравнению с турбокомпрессорами без рестрикции. Для реализации ALS требуется система обхода воздуха, обычно выполняемая одним из двух способов. Первый способ – использование воздушного обхода дроссельной заслонки; это может быть внешний обходной клапан или соленоидный клапан, открывающий дроссельную заслонку на 12-20 градусов. Это позволяет воздуху обходить закрытую дроссельную заслонку и поступать в двигатель. Второй способ – использование обходного клапана, который направляет наддувочный воздух непосредственно во впускной коллектор.
Обход дроссельной ручки или дроссельный удар
Система обхода дроссельной заслонки/соленоида дроссельной заслонки сочетается с задержкой зажигания и незначительным обогащением топлива (преимущественно для охлаждения), обычно зажигание происходит при 35-45° ATDC. Это позднее зажигание вызывает незначительное расширение газов в цилиндре, поэтому давление и температура остаются очень высокими при открытии выпускного клапана. Одновременно крутящий момент, передаваемый на коленчатый вал, будет очень малым (достаточным лишь для поддержания работы двигателя). Повышенное давление и температура выхлопных газов в сочетании с увеличенным массовым расходом достаточны для поддержания высокой скорости вращения турбокомпрессора, что снижает турбояму. При повторном открытии дроссельной заслонки зажигание и впрыск топлива возвращаются к нормальному режиму работы. Поскольку многие компоненты двигателя подвергаются воздействию очень высоких температур и импульсов высокого давления во время работы ALS, такая система оказывает значительную нагрузку на двигатель, турбокомпрессор и выпускной коллектор. В отношении последнего, проблемой являются не только высокие температуры, но и неконтролируемые скорости вращения турбокомпрессора, способные быстро вывести его из строя. В большинстве случаев система ALS автоматически отключается при достижении охлаждающей жидкостью температуры 110–115°C для предотвращения перегрева.
Вторичный впрыск воздуха или впуск воздуха
АЛС, работающий с обходным клапаном, подает воздух непосредственно в выхлопной коллектор, где он смешивается с частично сгоревшими газами двигателя, что приводит к их повторному воспламенению и раскрутке турбины. Такая система может быть более усовершенствована, чем описанная выше. Одними из первых систем этого типа были установки, использованные Ferrari в Формуле-1 в 1980-х годах. Еще одним известным применением антилаг-системы стала версия WRC 1995 года Mitsubishi Lancer Evolution III и Toyota Celica GT Four (ST205). Латунные трубки подавали воздух от компрессорного обходного клапана (CBV) турбокомпрессора к каждому каналу выхлопного коллектора, обеспечивая необходимое количество воздуха для сжигания топлива. Управление системой осуществлялось двумя клапанами давления, работающими от ЭБУ. Помимо гоночной версии, аппаратное обеспечение антилаг-системы также устанавливалось в 2500 экземпляров дорожных Celica GT Four, соответствующих требованиям группы А для гомологации WRC. Однако в этих автомобилях система была отключена и не функционировала. Трубки и клапаны присутствовали исключительно для целей гомологации. В более поздних сериях Mitsubishi Evolution (Evolution IV-IX, только JDM-версии) вторичная система подачи воздуха (SAS) может быть активирована для обеспечения эффекта антилаг.
Обход турбо- и интеркулера (D-вентил)
Метод, при котором большой односторонний обратный клапан устанавливается непосредственно перед дроссельной заслонкой, позволяя воздуху обходить турбину, интеркулер и трубопроводы в периоды отрицательного давления на входе в дроссельную заслонку. Это приводит к сгоранию большего количества воздуха, что означает больший поток воздуха, вращающий турбинную сторону турбокомпрессора. Как только в шлангах интеркулера достигается положительное давление, клапан закрывается. Иногда его называют клапаном Дэна Калкина. Это скорее система быстрого набора оборотов, чем полноценная система антилаг. Этот метод можно комбинировать с другими системами антилаг. При использовании в конфигурации с MAF-датчиком клапан D должен забирать воздух через MAF для поддержания правильного соотношения воздух/топливо. Это не требуется в конфигурации с измерением плотности воздуха (speed density).
Задержка зажигания и сброс топлива (WOT)
Многие программируемые ЭБУ/программное обеспечение ЭБУ также предлагают функцию "анти-лаг", предназначенную для раскрутки турбины с места или между переключениями передач. Конечный результат схож, но принцип действия несколько отличается от описанных выше вариантов (которые гораздо более распространены в профессиональном автоспорте высокого уровня, таком как ралли) и чаще используется для старта и драг-рейсинга. Как и в случае с вышеупомянутым D-клапаном, это скорее система быстрой раскрутки турбины, чем полноценная система анти-лаг, хотя она ближе к настоящей ALS. Этот метод также можно комбинировать с другими методами. Когда автомобиль, готовый к старту, удерживается на предельных оборотах, некоторые ЭБУ (либо через переключатель, либо с помощью дополнительной дроссельной заслонки) могут быть запрограммированы на значительное запаздывание угла опережения зажигания и добавление большого количества топлива. Это приводит к тому, что сгорание происходит намного позже, поскольку двигатель выталкивает топливовоздушную смесь из цилиндра ближе к турбине, заставляя её раскручиваться на более низких оборотах, чем обычно, или создавать больше наддува на стартовых оборотах, чем без активации этой функции. Некоторые программы также могут активировать этот метод "сброса топлива и запаздывания зажигания" при нажатии на педаль сцепления (используется при переключении передач на полностью открытой дроссельной заслонке), эффективно заставляя его работать между переключениями. Как и другие типы анти-лаг, чрезмерное использование этого типа может привести к повреждению крыльчатки турбины, выпускного коллектора и других компонентов из-за высоких давлений, возникающих при самовоспламенении топливовоздушной смеси от тепла корпуса турбины или воспламенении из-за сильно запаздывающего зажигания (происходящего после начала выпускного такта) и потенциально вызвать хлопки/пламя. Эта форма "анти-лаг" хорошо работает, потому что во время её активации дроссельная заслонка удерживается в положении 100%, обеспечивая поступление большего количества воздуха в двигатель. Следовательно, этот тип анти-лаг не будет работать (эффективно или вообще) при частичном/закрытом положении дроссельной заслонки, если не комбинировать его со вторичной системой подачи воздуха/байпасом дроссельной заслонки, как описано выше.
Использование MGU-H (мотор-генераторная установка - тепло) для устранения турбоотставания
Современные силовые установки Формулы 1 оснащены турбонаддувом, шестицилиндровыми двигателями V-образной конфигурации и дополнительной гибридной системой. Гибридная система состоит из двух мотор-генераторных установок. Эти установки называются: "Мотор-генераторная установка – кинетическая" (MGU-K) и "Мотор-генераторная установка – тепловая" (MGU-H).
To almost entirely eliminate turbo lag, the electrical energy that is stored in the car's onboard battery is deployed (in part) to an electric motor that rapidly spins the compressor turbine. This allows the turbo system to create peak boost pressures almost immediately negating any turbo lag. During normal race conditions, the electric motor input power is gradually reduced, as the RPM increases and the exhaust gasses are able to sustain the desired boost pressures. During qualifying laps and sometimes used strategically through the race, energy can be deployed to the MGU H, even when the engine is running at high RPM. This allows for the exhaust gasses to bypass the turbo, via the wastegate/s. This is said to increase power 5 10%, although at a cost to stored energy levels. The MGU H can also be used to generate electrical energy by allowing the electric motor that usually spins the turbine to be spun by the turbo system itself. This scenario exists when exhaust gasses are being routed through the turbo and the turbo system is operating in a conventional manner. This is known as "harvesting". Although this scenario comes at a cost to overall power, it allows for a net gain for reduction in overall lap times. This is because harvesting is done in sections of the track that do not require peak power levels, for example: at the end of straights or at the exit of, and between some corners where peak torque is not required or calculations have ascertained that the loss in torque in those sections of the track is made up for in sections where the generated power can be deployed.
Для практически полного устранения турболага электрическая энергия, запасенная в бортовой батарее автомобиля, направляется (частично) на электродвигатель, который быстро раскручивает турбину компрессора. Это позволяет турбосистеме создавать максимальное давление наддува практически мгновенно, сводя к минимуму любую задержку турбо. В обычных гоночных условиях мощность, подаваемая на электродвигатель, постепенно снижается по мере увеличения оборотов и способности выхлопных газов поддерживать необходимое давление наддува. Во время квалификационных кругов и иногда стратегически в течение гонки энергия может быть направлена на MGU-H, даже когда двигатель работает на высоких оборотах. Это позволяет выхлопным газам обходить турбину через перепускной клапан (клапаны). Утверждается, что это увеличивает мощность на 5-10%, хотя и за счет снижения уровня запаса энергии. MGU-H также может использоваться для выработки электроэнергии, позволяя турбосистеме раскручивать электродвигатель, который обычно вращает турбину. Этот сценарий возникает, когда выхлопные газы проходят через турбосистему, и она работает в обычном режиме. Этот процесс известен как "рекуперация". Хотя этот сценарий приводит к некоторой потере общей мощности, он обеспечивает чистый выигрыш за счет сокращения общего времени круга. Это связано с тем, что рекуперация происходит на участках трассы, где не требуется максимальная мощность, например, в конце прямых или на выходе из и между некоторыми поворотами, где не требуется максимальный крутящий момент, или расчеты показали, что потеря крутящего момента на этих участках компенсируется на участках, где может быть использована генерируемая мощность.
To almost entirely eliminate turbo lag, the electrical energy that is stored in the car's onboard battery is deployed (in part) to an electric motor that rapidly spins the compressor turbine. This allows the turbo system to create peak boost pressures almost immediately negating any turbo lag. During normal race conditions, the electric motor input power is gradually reduced, as the RPM increases and the exhaust gasses are able to sustain the desired boost pressures. During qualifying laps and sometimes used strategically through the race, energy can be deployed to the MGU H, even when the engine is running at high RPM. This allows for the exhaust gasses to bypass the turbo, via the wastegate/s. This is said to increase power 5 10%, although at a cost to stored energy levels. The MGU H can also be used to generate electrical energy by allowing the electric motor that usually spins the turbine to be spun by the turbo system itself. This scenario exists when exhaust gasses are being routed through the turbo and the turbo system is operating in a conventional manner. This is known as "harvesting". Although this scenario comes at a cost to overall power, it allows for a net gain for reduction in overall lap times. This is because harvesting is done in sections of the track that do not require peak power levels, for example: at the end of straights or at the exit of, and between some corners where peak torque is not required or calculations have ascertained that the loss in torque in those sections of the track is made up for in sections where the generated power can be deployed.
Использование
В автомобилях чемпионата мира по ралли используются системы антилаг, которые подают воздух непосредственно в выхлопную систему. Система работает, направляя наддувочный воздух напрямую в выхлопной коллектор, который функционирует как камера сгорания при смешивании богатой топливом выхлопной смеси двигателя со свежим воздухом из обходного канала. Это обеспечивает непрерывное сгорание, локализованное в выхлопном коллекторе, что значительно снижает тепловые и давление нагрузки на двигатель и турбокомпрессор. В современных системах антилаг обходной клапан способен не только открываться и закрываться, но и точно регулировать поток воздуха в выхлопной коллектор. Турбокомпрессор оснащен датчиком скорости вращения, а система управления двигателем использует карту, основанную на положении дроссельной заслонки и скорости автомобиля, для определения оптимальной скорости турбокомпрессора и давления наддува в любых условиях. Если двигатель сам по себе не может обеспечить достаточную энергию выхлопных газов для достижения требуемой скорости турбокомпрессора и наддува, обходной клапан открывается, и начинается сгорание в выхлопном коллекторе. Это не только снижает нагрузку на турбокомпрессор, но и позволяет создавать наддув на очень низких оборотах двигателя, где ранее он был ограничен скачком наддува или недостаточной энергией выхлопных газов. Благодаря относительно высокому наддуву на низких оборотах, крутящий момент на низких оборотах становится выше, чем у больших атмосферных двигателей. Эта система достигла такой степени совершенства, что ее можно применять даже в дорожных автомобилях. Примером является прототип Prodrive P2.