Увеличение мощности турбины, теория и практика
Увеличение мощности турбины.
Откуда возникает увеличение мощности турбины? Какова формула мощности любого двигателя, и как турбина в влияет на эту формулу? (Не пугайтесь до смерти при упоминании формул: те из них, о которых ниже идёт речь, являются простыми и легкими для понимания.) Чтобы ответить на эти вопросы, надо изучить линейное уравнение с одним неизвестным, которое связывает мощность с параметрами, описывающими двигатель внутреннего сгорания.
Мощность = P*L*A*N
Р — среднее полное давление в цилиндре. Проще представить себе Р как среднее давление, воздействующее на поршень.
L-длина хода. Она сообщает, как далеко будет двигаться поршень под действием этого давления.
А — площадь сечения цилиндра. Вот она, та самая площадь, к которой приложено давление.
N — число рабочих тактов двигателя за одну минуту. Это число показывает, сколько цилиндров у двигателя и каковы его обороты.
N = число цилиндров * частота вращения двигателя/2 ( Для четырехтактного двигателя, частота вращения разделена на 2 потому что каждый цилиндр совершает рабочий такт один раз за два оборота)
Здесь наблюдается несколько интересных зависимостей! Например, возьмите Р и умножьте на А, и Вы имеете произведение давления на площадь, которое является средней силой, действующей на поршень. Теперь умножьте Р*А(сила) на длину хода L (расстояние), и Вы имеете число, которое представляет собой момент, теперь берите это число и умножайте на N (с какой скоростью совершается работа), вот Вы и получите мощность (то, что и заказывали). Пожалуйста, заметьте, что это означает: мощность = момент * обороты в минуту.
Так как общая цель нашего упражнения — получение большей мощности, давайте изучим то, над чем позволяет нам поработать «P*L*A*N». Сначала давайте посмотрим на то, что может дать работа с N. Имеются два способа получить большее количество рабочих тактов в минуту: увеличить количество цилиндров или раскрутить двигатель до больших оборотов. Это дает некоторое поле для приложения усилий: старания целой области человеческой деятельности, известной как проектирование двигателей, направлены исключительно на достижение более высоких оборотов в минуту с определенным запасом прочности.
Помните, что ненавистные инерционные нагрузки растут в квадратичной зависимости от увеличения оборотов двигателя. Это означает, что при 7200 оборотах в минуту, инерционная нагрузка будет доставлять 144 % от нагрузки, возникающей при 6000 оборотах в минуту. Двигатель подвергается усиленному износу и разрушению. В конечном счете, увеличение отдаваемой мощности путем увеличения N не являйся ни дешевым, ни приятным и не способствует достижению большого ресурса. Так как мы, по вышеизложенным практическим причинам, не ищем значительно увеличивать мощность, увеличивая N, единственный оставшийся выбор — увеличить момент, делая что-то с
Попробуем изменить А, то есть площадь сечения цилиндра. Насколько это поможет? Измените диаметр цилиндра на 3 мм, и, возможно, вы получите прибавку мощности в 10 %. Не стоит заморачиваться. Мы можем также изменить L, ход поршня. Может быть, получим гдето 10 %. Очевидно, что если нашей целью является существенное увеличение мощности, то А и L не дадут нам многого.
Изменение Р становится нашей единственной надеждой. Как успешно изменять
Эластичность двигателя
Каковы ограничения накладываемые турбодвигателем на эластичность? Хорошая эластичность и отзывчивость на действия водителя для большинства сегодняшних автомобилей являются обязательными условиями. «Сел, завёл, поехал». Если не так, то современный потребитель — недоволен. Принято считать, что высокая мощность и хорошая эластичность не совместимы в одном автомобиле. Данное мнение является вполне справедливым для атмосферных двигателей, но совершенно не годится по отношении двигателей с турбонаддувом. Рассмотрим факторы, определяющие эластичность: консервативные профили распредвала, малые впускные каналы, гибкость и калибровки топливной системы.
Правильный двигатель с турбонаддувом имеет профиль распредвала с малым перекрытием, обычно называемый «экономичным распредвалом». Размеры каналов обычно малы, чтобы обеспечить хорошее наполнение цилиндров на низких оборотах и позволяющие компрессору затрамбовывать воздух в них, когда требуется высокое давление. Калибровка топливной системы должна быть точной, по крайней мере для случая электронно-управляемого впрыска топлива. Очевидно, что факторы, формирующие хорошую эластичность, присутствуют в автомобилях с турбомоторами. То, что турбонаддув позволяет подать большее количество воздуха в цилиндры, когда это необходимо, нисколько не влияет на «сел, завёл и поехал.» Однако имеются два фактора, влияющие на эластичность, которые начинают играть роль при использовании турбонаддува: порог наддува и задержка (лаг). Они, впрочем, не столь уж значительно ухудшают характеристики атмосферных двигателей, так как распредвал, степень сжатия, установка угла опережения зажигания, и топливная смесь остаются фактически теми же самыми.
Типичный пример разницы в кривых момента для турбомотора и атмосферного двигателя.
Порог наддува.
Порог наддува, отнесённый к категории терминов/для глоссария, по существу означает самые низкие обороты двигателя в минуту, при которых турбонагнетатель может создать давление наддува (с полностью открытой дроссельной заслонкой). Ниже этих оборотов турбонагнетатель просто не имеет достаточного количества энергии выхлопных газов, чтобы развить частоту вращения компрессора, необходимую для создания во впускном коллекторе давление выше атмосферного. До достижения оборотов порога наддува кривая момента двигателя остается фактически такой же, как у атмосферного двигателя. Если раскручивать двигатель далее при полностью открытой заслонке, водитель почувствует значительное увеличение мощности после порога наддува, поскольку кривая момента направлена вверх. Если дроссельная заслонка полностью не открыта, турбонагнетатель не вносит вклада в кривую момента, и ускорение будет таким же, как и у атмосферного двигателя. Кривая момента до порога наддува может иногда являться компромиссным вариантом из-за беспричинного понижением степени сжатия (объем камеры сгорания плюс рабочий объем цилиндра, деленный на объем камеры сгорания), причиняя неприятные ощущения при отсутствии наддува на низких оборотах.
Тут и выясняется, что некоторые из автомобильных производителей сделали серьезную инженерную экономическую ошибку, не устанавливая соответствующие интеркулеры для достаточного охлаждения воздуха на впуске. Это позволяю бы использовать более высокие степени сжатия, обеспечивая нагпятную реакцию двигателя на низких оборотах. Если Вы выбираете машину с турбонагнетателем, попробуйте спросить у продавца о параметрах эффективности промежуточного охладителя (само собой, только после того, как Вы спросите, имеет ли вообще машина интеркулер). Разумно ожидать, что эластичность на низких скоростях имеет чисто, если транспортное средство оснащено промежуточным охладителем, и степень сжатия составляет 8 -10.
Оценивать качество системы турбонаддува исключительно по наличию низкого порога наддува — значит допускать серьезную ошибку. Сложно доказать, что положительное давление наддува на низких оборотах двигателя — плохая вещь, но легко доказать, что это давление наддува на низких оборотах, достигнутое за счёт турбины меньших размеров — потенциальная проблема, связанная с более высоким обратным давлением отработанных газов. Тщательно разработанная система, в которой уделено должное внимание всем её параметрам, выдаст хорошее давление наддува на низких оборотах, и это будет лишь положительным её качеством.
Диаграмма увеличения момента при использовании малой, средней, и большой турбин установленных на одном и том же двигателе.
Небольшие турбины зачастую провоцируют раздражающую реакцию при незначительном открытии дроссельной заслонки. Это без сомнения влияет на эластичность двигателя, так как небольшое движение дроссельной заслонки производит быстрый и обычно нежелательный всплеск давления наддува, который ухудшает плавность движения автомобиля. Иногда это заставляет пассажира думать о водителе как о нервном и неуравновешенном. Этот небольшой всплеск часто дает водителю надежду, что автомобиль будет действительно лететь, когда дроссельная заслонка будет полностью открыта. Вместо этого, он с печально наблюдает, что всплеск этот — и было все давление наддува, которое смогло изобразить лишь небольшой «дыр-р-р».
Производители то и дело поступают именно так, надеясь, что мы будет думать, будто автомобиль имеет мгновенную реакцию и момент во всем диапазоне оборотов. Они вообще пропустили тот факт, что основные наши ожидания — это действительно высокая мощность. Эта ошибка производителей имеет и оборотную сторону — многие журналисты, писатели, крутые водители, и другие социальные изгои с удивлением вопрошают -» Где же, блин, мясо!? » Серийные турбодвигатели, как правило, далеки от того, чтобы энтузиасты и инженеры называли их совершенными. Позвольте нам называть серийные турбодвигатели консервативными.
Задержка.
Обсуждение турбин редко обходится без упоминания о задержке (лаге турбины). На самом деле участники обсуждения редко говорят действительно о задержке. Обычно они говорят о пороге наддува. Пожалуйста, прочтите определения задержки (лага), порога наддува, и приемистости в глоссарии. Применительно к турбонагнетателю задержка по существу означает, как долго Вы должны ждать давления наддува после того, как открыли дроссельную заслонку. Стало быть, это явление не полезное по определению. Но задержка не имеет никакого отношения к приемистости. Приемистость в данном случае имеет одинаковый смысл как для турбодвигателя, так и для атмосферного. Ситуация сводится к следующему — либо имеется некоторая задержка и огромное увеличение момента или напротив — отсутствие задержки и отсутствие увеличения момента. Если Вы не имеете никакой задержки, Вы не имеете никакого наддува. Поэтому Вы не можете ожидать никакого значительного увеличения момента. Задержка уменьшается с увеличением частоты оборотов двигателя. В то время как задержка может иметь длительность в секунду или более при низких оборотах двигателя, при увеличении наддува, на оборотах приблизительно 4000 или больше задержка фактически исчезает. Например, в должным образом сконструированной системе наддува, давление наддува будет всегда следовать за положением вашей педали при оборотах более чем 4000 оборотов в минуту. Реакция здесь фактически мгновенна.
Форма кривой момента двигателя с турбонаддувом достаточно сильно отличается от таковой у атмосферного двигателя. На двигателях с турбонаддувом максимум момента фактически всегда находится на более низких оборотах. Сопоставьте характеристики всех известных двигателей и придёте именно к такому выводу. Чем больше форсирован атмосферный двигатель, тем больше его отличие от двигателя с турбонаддувом. Как результат для водителя это означает, что он или она не должен сильно раскручивать мотор с турбонаддувом, чтобы двигаться быстрей. Это логическое заключение идёт совершенно вразрез с популярным мнением, но факт налицо.
Сопоставление величин задержки малой, средней, и большой турбин.
Горячий и холодный запуск часто представляют как проблемы высокофорсированных двигателей. До некоторой степени это справедливо системах турбонаддува с карбюраторами, но такие системы немногочисленны. Системы впрыска топлива зависят исключительно от разумных показаний температурных датчиков для холодного и горячего запуска и являются полностью автоматическими. Запуск из холодного стояния — проблема для двигателей с более низкими степенями сжатия. Если двигатель имеет проблемы в этом отношении без турбонагнетателя, он будет, вероятно, иметь те же самые проблемы с турбонагнетателем, так как нагнетатель не влияет ни на эти температуры ни на электронику. В любом случае, эта трудность не связана с турбонаддувом.
Просто езда.
Турбина находится на заднем плане на всех режимах работы кроме тех, на которых необходимо иметь давление наддува, чтобы достичь особенной скорости. Предположим, что данное транспортное средство может достичь максимальной скорости, скажем, в 200 км/ч без турбонагнетателя. Теперь установим турбину. Разумно говорить, что транспортное средство достигнет приблизительно 200 км/ч без потребности в дополнительной мощности; следовательно, для этого не требуется никакого давления наддува. Для всех практических целей, даже для самых диких и невообразимых скоростей, вряд ли потребуется любое давление наддува, чтобы поддерживать такую скорость. Мысль, что супер мощный, с максимальной отдачей турбо автомобиль великолепно приспособлен для движения на полной скорости, но похож на неприрученного злобного зверя на низких скоростях, не является столь уж неблагоразумной. Но слишком в неё углубляться мы не станем. Чтобы создать эффективный автомобиль с приличным турбонагнетателем, Вам необходимо только проделать на более продвинутом уровне всё то же, что требуется для создания турбо автомобиля вообще: отвести большее количество теплоты, увеличить подачу топлива, увеличить октановое число и убедиться, что конструкция двигателя отвечает предъявляемым требованиям. Факторы, которые являются основой хорошего поведения на низких оборотах — консервативные профили распредвалов, малые впускные каналы, и калибровка топливной системы, неизменны и для более высоких давлений наддува. Совершенно неразумно говорить, что 500-сильный уличный турбо автомобиль, который при полном открытии дросселя на второй передаче может оставить на асфальте следы от колес, имеет проблемы с эластичностью.
Увеличение мощности турбины
4.6 (92%) 35 голосов
remont-turbiny.ru
Двигатель с турбонаддувом. Турбо или атмо, кто быстрее? — DRIVE2
Турбо или атмо, кто быстрее?
С тех пор, как начали появляться первые турбины на тюнингованных автомобилях, возникает вопрос — кто быстрее, автомобили с турбонаддувом или атмосферники с большими распредвалами?
Ответ однозначен — правильно собранный турбо мотор не оставит никакого шанса самому «злому атмо».
Самый мощный атмосферный двигатель на данный момент применяется в боллидах Формула-1, с одного литра объёма двигателя снимается около 300 л/с.
Для примера: правильно собранный турбо мотор выдаёт до 900 л/с с литра объёма, при наддуве 5,5 атмосфер. Такие моторы применялись на Формуле-1 во времена турбо-эры с 1977 по 1988 г, с мотора объёмом 1,5 литра снимали от 700 до 1400 л/с .
Подобные моторы сейчас применяются в драг рейсинге класса «top fuel» в США, с мотора объёмом 8,2 литра снимается 7000 л/с.
От куда же берутся эти лошадиные силы? Ведь обычный мотор внутреннего сгорания имеет около 60 л/с с литра.
Обычный мотор рассчитан на езду в городских условиях, с крутящим моментом на низких оборотах. Такая компоновка имеет свои ограничения в максимальной мощности и скорости. Цилиндры двигателя имеют огромный потенциал для увеличения мощности без увеличения объёма двигателя.
На сколько можно повысить мощность двигателя с помощью турбины? При увеличении наддува на 1 атмосферу, мощность увеличивается примерно на 100%. То есть если двигатель имел изначально 100 л/с, то при давлении турбонаддува 3 атмосферы (3 бар), его мощность возрастёт на 300 л/с. Естественно двигатель должен быть подготовлен к такой нагрузке: резко возрастает тепловой режим работы мотора — повышается температура клапанов, поршней, масла, охлаждающей жидкости, выпускной системы. Эти элементы должны быть доработаны к условиям возросшей температуры. Возрастает нагрузка на поршни, шатуны, коленвал, блок двигателя, сцепление, трансмиссию. Эти элементы автомобиля должны быть подобраны в соответствии с возросшей мощностью.
Степень сжатия на турбо моторах должна быть уменьшена в зависимости от давления наддува. На самом деле высокая степень сжатия с использованием высокооктанового топлива даёт не такую уж большую прибавку мощности, как разница в цене на топливо. При увеличении степени сжатия на единицу — мощность возрастает примерно на 1,5%. Конечно существует топливо с высоким октановым числом — метиловый спирт. Его использование на атмосферном двигателе позволяет применять степень сжатия 1:16, но прибавка мощности с высокооктановым топливом не слишком существенна. Так что не нужно скупиться на уменьшении степени сжатия на турбо моторах, и в моторах с закисью азота. На мощных турбо моторах степень сжатия находится в пределах 7-8, в зависимости от применяемого топлива. Детонация очень разрушает мотор, так что лучше меньше, чем больше.
▪Выбор турбокомпрессора.
— Турбокомпрессоры Garrett.
Широкое распространение в использовании на серийных дизельных и бензиновых двигателях получили турбины Garrett, которые производятся на 14 заводах по всему миру. Они так же активно используются в автоспорте и тюнинге. Имеются турбины Garrett не только с подшипниками скольжения (бронзовые втулки) как на ТКР, но и с шарикоподшипниками, которые имеют обозначение с буквой «R», например GT42R. Шарикоподшипники менее чувствительны к масляному голоданию, повышенным оборотам, имеют меньшее трение, и соответственно быстрее раскручиваются. Так же имеются турбины с каналом для охлаждения подшипника с помощью охлаждающей жидкости, что благоприятно сказывается на их сроке службы.
— Турбокомпрессоры ТКР.
Турбокомпрессоры произведённые в России и странах СНГ имеют обозначение — ТКР, в Чехии C и K. По типоразмерам практически аналог старых турбин Garrett, но имеют крупную горячую часть, для больше объёмных двигателей. Существует несколько типов, которые отличаются размерами и производительностью, а так же КПД от 43 до 77%. Они используются на дизельных двигателях разной мощности, серийное применение на бензиновых двигателях данных турбин отсутствует.
Возможно ли применение турбин от дизеля на бензиновых двигателях?
Да возможно.
Не сгорят ли лопасти турбины, предназначенной для дизельных двигателей, на бензиновом моторе, ведь температура горения бензина выше чем солярки?
Случаев сгорания лопастей турбины от дизеля на бензиновом двигателе в практике не обнаружено. Температура выхлопных газов прежде всего отдаётся поршням, клапанам, блоку цилиндров, выпускному коллектору, и только потом — турбине.
Турбокомпрессор для тюнинга стоит выбирать по размерам турбинной и компрессорной части. Чем меньше турбинная (горячая) часть, тем раньше начнётся наддув на двигателе. Но маленькая горячая часть на определённых оборотах начнёт «затыкать» двигатель. Для серийных и городских машин это вполне приемлимо.
То же самое можно сказать о компрессорной части, чем меньше, тем раньше затыкает впуск двигателя, и выдаёт относительно небольшое давление наддува.
Но большая компрессорная часть рассчитана на высокий наддув и мощность двигателя, поэтому для городских машин не применяется. Так же большое компрессорное колесо вызывает помпаж на малообъёмных двигателях.
— Прочие турбокомпрессоры.
Широкое применение в автотюнинге имеют турбины от японских раллийных автомобилей Mitsubishi TD04, TD05 и TD06, а так же их китайские, более дешёвые аналоги. Турбокомпрессор TD04 применяется на двигателях до 250 л/с, TD05 до 370 л/с, а TD06 до 450 л/с.
▪Расход воздуха турбинами и степень повышения наддува.
На данной схеме представлен расход воздуха турбин Garrett в фунтах/мин и степень повышения давления. Расход воздуха 10 фунтов в минуту равняется примерно 100 л/с конечной мощности двигателя.
Степень повышения давления на картах (абсолютное давление), всегда на единицу больше избыточного давления, которое показывает манометр во впуске.
Каждая турбина имеет определённую производительность накачки воздуха. Максимальное давление наддува получается на оптимальных оборотах ротора, превышать которые не стоит, иначе пострадает подшипник турбины. На данной схеме показана производительность турбин ТКР.
К примеру турбина ТКР-6, которая применяется на машинах типа «Бычок», «Валдай», выдаёт максимально 130 л/с на дизельном двигателе, и 250 л/с на бензиновом.
Имеются экземпляры автомобилей ВАЗ с гибридным турбокомпрессором ТКР 6-7, мощностью свыше 300 л/с. На ТКР-6 диаметр компрессорного колеса 60 мм, а на ТКР-10 соответственно 100 мм, это видно из маркировки турбин.
ТКР рассчитаны на двигатели большого объёма, поэтому есть смысл при применении на бензиновых малообъёмных двигателях составлять гибрид, то есть брать горячую часть от более мелкой турбины, для более ранней раскрутки турбинного вала (спул).
▪Клапан вестгейт (Wastegate).
Обходной клапан вестгейт служит для защиты подшипника турбины и двигателя от разрушения. Поток выхлопных газов старается раскрутить крыльчатку до бесконечности, тем самым нагнетая всё больше и больше воздуха в двигатель. Соответственно воздух увеличивает количество рабочей смеси, увеличивая поток выхлопных газов. Турбина раскручивается ещё быстрее. Получается замкнутый цикл.
Если этот цикл не остановить, турбина набирает обороты гораздо больше максимальных 100000-150000 об/мин, выдавая большое давление наддува. Если двигатель не рассчитан на такое давление, произойдёт детонация, и скорый выход из строя поршней. Так же высокие обороты турбины вызывают помпаж (Surge), это когда воздух уже идёт не в двигатель, а обратно на вход компрессора, с соответствующим звуком.
Обходной клапан бывает двух видов: встроенный и внешний. Встроенный (актуатор) крепится прямо на турбине, и имеет заслонку, которая отводит часть выхлопных газов, при достижении определённого давления, в обход турбины, в глушитель. У него ограниченные возможности, он не может отводить слишком большой поток выхлопных газов.
Внешний клапан выполняет те же функции, но крепится на выпускном коллекторе. При достиженнии заданного давления компрессора, открывается, и начинает стравливать выхлопные газы с выпускного коллектора, в обход турбины — в глушитель, не позволяя раскручиваться турбине больше положенного.
▪Клапан блоу-оф (Blow-Off).
Его так же называют — байпасс, перепускной клапан (Bypass valve). Блоу-офф сбрасывает воздух на улицу (с соответствующим звуком), а байпасс обратно на вход турбины, как правило применяется с ДМРВ. В отличии от вестгейта этот клапан открывается не от давления турбокомпрессора, а от вакуума, который создаётся во впуске при закрытии дроссельной заслонки. Клапан блоу-оф ставится на впускной патрубок, между компрессором и дросселем. А вакуум берётся там же, где и на тормоза: во впускном коллекторе.
Представьте ситуацию: вы разгоняете двигатель, турбина набирает максимальные обороты, давление воздуха во впуске 2,5 атмосферы, поток воздуха на большой скорости поступает в двигатель, и… вы бросаете газ, что бы переключить скорость. Дроссельная заслонка закрывается, но турбина крутится на тех же оборотах. Упс… кажется это был пневмоудар (помпаж). Лопаткам компрессора в этот момент не позавидуешь. Как правило частый помпаж гнёт вал компрессора, лопатки, изнашивает упорный подшипник.
Вы переключили скорость, а лопатки турбины уже уменьшили своё вращение, и нужно опять их раскручивать, а это потеря времени.
Для того, что бы при закрытии дросселя, воздух нашёл себе путь, и существует клапан блоу-оф. Вакуум образуемый при закрытии дроссельной заслонки мгновенно открывает перепускной клапан, и поток воздуха безпрепятственно выходит на улицу, или на вход турбокомпрессора. Крыльчатка турбины при этом не теряет своих оборотов, и готова раскручиваться вновь, на новой передаче.
▪Интеркулер.
Интеркулер ( промежуточный охладитель воздуха ) является неотъемлемой частью двигателя с турбонаддувом. Он работает примерно как радиатор в автомобиле, только охлаждает не тосол, а воздух, нагретый турбиной. Турбокомпрессор имеет две части — горячую и холодную. Горячая часть раскручивается выхлопными газами, и сильно нагревается. Холодная часть закачивает атмосферный воздух в мотор, при этом тоже сильно нагревается от горячей части.
Горячий воздух сильно расширен, и в нём меньше молекул кислорода, так нужного двигателю. Поэтому воздух нужно охладить, иначе весь эффект от турбонаддува не будет иметь смысла. Чем холоднее воздух, поступающий в двигатель, тем больше его мощность.
Размер интеркулера тоже нельзя увеличивать бесконечно, чем больше интеркулер, тем больше турбопровал, то есть накачанный воздух пропадает в недрах слишком большого интеркулера при прибавке «газа». Но на мощных моторах он должен быть достаточно большим, иначе маленький интеркулер будет тормозить поток воздуха от большого турбокомпрессора. К примеру на моторе мощностью 1000 л/с входное и выходное отверстие интеркулера должно быть не менее 100 мм.
Интеркулер немного отличается по своему устройству от радиатора для тосола. В его каналах существуют дополнительные перегородки, для того чтобы воздух отдавал тепло как можно быстрее. Так же он выдерживает большое давление и температуру, и выполнен целиком из металла ( алюминия ) для большей прочности.
▪Мал золотник, да дорог.
Регулятор давления топлива (РДТ) применяется на инжекторных двигателях для поддержания постоянного давления топлива в топливной рейке, от которой питаются форсунки. Обычно давление топлива составляет 3 атмосферы, из этой цифры и расчитывается производительность форсунок у всех производителей. На новых моторах ВАЗ объёмом 1,6л (РДТ 380) давление топлива увеличено до 3,8 атм.
Но у РДТ 300 есть ещё одна полезная функция — он корректирует давление топлива, в зависимости от давления во впускном коллекторе. Для этого к регулятору подходит резиновый шланг. На атмосферных двигателях при закрытии дроссельной заслонки в коллекторе создаётся вакуум, и соответственно топливо начинает поступать в двигатель интенсивнее. Обратный эффект происходит на двигателях
www.drive2.ru
Мощность турбонаддува | Турбонаддув
Способность турбонагнетателя увеличивать мощность наиболее наглядно демонстрировалась гоночными автомобилями Гран-при Формулы 1 эпохи 1977-1988 годов.
Рис. Двигатель Renault EF15B Formula 1, 1985 — 1986 г.г., V6. объем 1492 куб. см., давление наддува до 4 бар, мощность до 900 л.с.
Сравнение мощности драгстеров с мощностью болидов Формулы 1 показывает абсолютное превосходство двигателей с турбонаддувом. Реальная мощность драгстера с 8-ми литровым двигателем находится в диапазоне 5000-6000 л.с., что означает 0,62 — 0,75 л.с. с 1 куб. см. Эти цифры выглядят блекло в сравнении с 1300-1400 л.с. 1500 кубовых двигателей автомобилей Формулы 1 1981 года, что означает отдачу от 0,86 до 0,93 л.с. с одного кубического сантиметра рабочего объема. Однако у потенциального пользователя турбонаддува остается много вопросов, ответы на которые покажут, почему турбонадцув в равной степени полезен автомобильному энтузиасту, который использует автомобиль для повседневной езды, спортсмену, и даже уличному гонщику.
Почему турбонаддув дает больший прирост мощности, чем другие способы модернизации двигателя?
Потенциал повышения мощности двигателя от применения любого компрессора измеряется количеством воздуха, нагнетаемого устройством с учётом потерь мощности, затрачиваемой на привод, а так же на нагрев воздуха в процессе сжатия. Хотя может показаться, что турбонагнетатель не использует мощность двигателя, так как энергия выхлопа так или иначе будет потеряна, это далеко не так. Поток горячих выхлопных газов приводит во вращение турбину. Уменьшенные проходные сечения, свойственные ее конструкции, создают этим газам противодавление. Это вызывает некоторые потери мощности двигателя, которые не возникли бы, если бы турбонагнетатель получал энергию от другого её источника, а не от двигателя, который в нашем случае выступает в роли насоса. Потеря мощности увеличивается при уменьшении размера турбонагнетателя, потому что турбина меньшего размера создает большее противодавление. Напротив, большие турбины создают намного меньшее противодавление, и поэтому потери мощности меньше.
И всё же затраты мощности на привод нагнетателя, свойственные двигателю с турбиной, существенно меньше, чем потери, возникающие при использовании приводного компрессора с ремнем или другим механическим приводом.
То, что нагнетатель всегда нагревает сжимаемый воздух, является термодинамическим фактом, от которого мы не можем отмахнуться. Различные виды нагнетателей нагревают воздух в разной степени при одинаковых расходах газа и степенях сжатия. В значительной степени это зависит от КПД различных типов насосов. Классический компрессор типа Рутс обычно имеет КПД приблизительно 50 % при том, что турбонагнетатель имеет КПД в районе 70%. Чем выше эффективность (КПД), тем меньше нагрев воздуха. Эффективность имеет первостепенное значение для настоящих энтузиастов мощности, так как повышенная температура воздуха на впуске — враг для высоких характеристик двигателя. При высокой температуре плотность воздуха меньше, таким образом, двигатель фактически потребляет меньшее количество воздуха при более высокой температуре, даже при неизменном давлении. Второй проблемой является то, что более высокие температуры способствуют разрушительно воздействующей на двигатель детонации топливовоздушной смеси.
ustroistvo-avtomobilya.ru
Турбина или суперчарджер? — DRIVE2
Турбонаддув — это не что иное, как слово, обозначающее процесс работы центробежного нагнетателя с турбоприводом (который в России часто называют просто турбиной), имеющий своей целью увеличение объема вентиляции двигателя. Конечный результат сходен с результатом действия любого нагнетателя – увеличение массы потока воздуха к двигателю и связанный с ним прирост мощности. Мощность, как известно, напрямую зависит от того, сколько воздуха попадет в двигатель.
Принципиальная разница между турбонагнетателем и традиционным нагнетателем с механическим приводом (также, возможно, известным читателю под словом «суперчарджер») состоит в способе, которым он приводится в действие. Все нагнетатели по сути своей – насосы. Они качают воздух и все они, естественно, требуют какого-то источника энергии, чтобы выполнять эту свою функцию. Нагнетатели с механическим приводом (центробежные, винтового типа или объемные нагнетатели Рута) работают благодаря энергии, получаемой ими от коленвала через механическое соединение – ремень, зубчатую передачу и т.п. Турбонагнетатели же извлекают энергию для своей работы из того, что вообще-то предназначено для выброса наружу – из потока выхлопных газов. Забавно, но в итоге турбина, работающая на таком «отработанном материале», способна дать любому двигателю более высокий прирост мощности – просто потому, что она не требует дополнительных энергозатрат от этого самого двигателя.
Кстати, эти энергозатраты намного более высоки, чем многие думают. Возьмем, к примеру, механический нагнетатель, который теоретически добавляет к мощности двигателя 100 лошадиных сил. До этого он «скушает» 25-35 л.с. (если двигатель не очень объемный). Эта величина, кстати, зависит от КПД самого нагнетателя, но это уже тема для другой статьи 🙂 Так вот, «отъев» от поставляемой им самим мощности те самые 25-35 л.с., механический нагнетатель оставит двигателю соответственно только 65-75 «лошадей». В то же время турбина, которая раскручивается выхлопными газами, а никак не коленвалом, даст двигателю 90-95 л.с. дополнительной мощности. При этом, конечно, 5-10 «лошадей» тоже потеряются — из-за противодавления в выпускном тракте, — но масштаб все равно не тот, не правда ли? В итоге при прочих равных двигатель с турбонаддувом получит мощности на 30-40 процентов больше, чем тот же двигатель с механическим нагнетателем.
Однако многие считают работу турбонагнетателей некой «черной магией». Свою долю в восхищенное недоумение, которое кто-то наверняка испытывает перед турбинами, вносит распространенное заблуждение касательно того, что поток выхлопных газов от двигателя недостаточно силен для того, чтобы привести в действие нагнетатель (компрессор). Однако это не так. Энергетический потенциал выхлопа любого двигателя внутреннего сгорания огромен. Он почти равен тому, что передается через маховик. А все благодаря тому, что энергия горения в ДВС высвобождается почти в одинаковых долях тремя путями: вращение коленвала, выделение тепла и сила выхлопа. Эта последняя сила как раз и заставляет вращаться целые газотурбинные двигатели, что уж говорить о турбочарджерах (а они представляют собой те же ГТД, только маленькие, и используют двигатель внутреннего сгорания как топку). Хороший повод задуматься о том, сколько энергии мы тратим впустую, позволяя ей просто утекать в атмосферу, хотя она могла бы добавить нам немного дополнительных лошадей под капот 🙂
Теперь вспомним школьный курс математики и немного поупражняемся на гипотетическом драгстере, который, допустим, оснащен суперчарджером и имеет мощность в 1000 л.с. Предположим, 500 л.с. из этой тысячи получены как раз благодаря суперчарджеру. Немного отмотав текст назад и взяв оттуда соотношение 65/100, с которым механические нагнетатели выдают реальную прибавку к мощности, а потом разделив 500 на 0,65, мы получим 769 л.с. Именно такую мощность должен реально выдавать суперчарджер, чтобы двигатель получил в итоге 500 л.с. в плюс. А теперь посчитаем, сколько «лошадей» потребуется от турбины, чтобы получить такой же результат. Взяв выше соотношение 95/100, получим 526 л.с. Из этого следует, что двигатель с механическим нагнетателем должен вырабатывать мощность в 1269 л.с. (500 + 769), чтобы сравняться с турбированным двигателем мощностью в 1026 л.с. (500 + 526) – при прочих равных условиях, безусловно.
Впрочем, 35 л.с., которые теряет суперчарджер и 5 л.с., которые теряет турбонагнетатель – значения максимальные. Возьмем другое соотношение: 25 л.с. теряет суперчарджер и 10 л.с. – турбонагнетатель. Соотношение сил здесь все равно не в пользу механического привода. 1056 л.с. должен будет выдать турбодвигатель и 1167 л.с. – его собрат с суперчарджером. При этом турбодвигатель, к слову, намного меньше износится, что тоже порой имеет значение. (Примечание: все приведенные здесь соотношения, конечно, не идеально точны для двигателей внутреннего сгорания, но близки к реальности). Так что, подводя итог, можно сказать, что «черная магия» турбонаддува – не магия вовсе, а просто более эффективное использование энергии, которую выделяет двигатель. Однако пока изложенные выше вещи удалось донести до конструкторов и разработчиков моторов, прошли десятилетия – и это не преувеличение. Однако сейчас можно наблюдать огромную популярность турбонаддува. Значит, кто-то все-таки не побоялся «черной магии», что не может не радовать.
www.drive2.ru
Выбор турбины и расчёт производительности.
Выбор турбины.
Размер колеса компрессии и выбор ротора турбины для проекта, значительно влияет на степень успеха, который будет иметь система. Это никоим образом не значит, что вал турбины и колесо компрессии только этого размера будут работать при заданных условиях. Компромиссы между задержкой, порогом наддува, тепловыделением, моментом на низких оборотах и мощностью — это переменные оптимизационной модели в процессе определения соответствия турбонагнетателя предъявляемым требованиям. Эти требования могут быть уточнены путем внесения в список обязательных рабочих характеристик для данного транспортного средства.
Классический турбонагнетатель.
Цели могут быть различны в случаях автомобилей для повседневного использования, автомобилей с рекордной максимальной скоростью, автомобилей для дрэг-рейсинга, уличных супер-каров, настоящих гоночных автомобилей, и даже для транспортных средств, называемых пикапами. Определяющими критериями будут параметры вроде желательного порога наддува, пика момента и расчетной мощности. Транспортные средства с высокой максимальной скоростью требуют больших турбин, уличные автомобили более требовательны к моменту на средних оборотах, а низкоскоростные утилитарные транспортные средства нуждаются в небольших турбинах. Как выбрать подходящий турбонагнетатель в каждом конкретном случае и какие нюансы наиболее важны, мы обсудим в этой статье.
Чтобы пояснить, насколько могут различаться турбонагнетатели различного назначения, сравним эти устройства на Nissan 300ZX и на Porsche 911. Эти два автомобиля имеют сходные размеры, вес и рабочий объем двигателя, и все же их турбины существенно различаются. По размеру турбонагнетателя Porsche достаточно легко заметить, что конструкторы Porsche точно знали, что они хотели. Они установили большой турбонагнетатель на 911 по трем основным причинам:
- при работе на максимальной нагрузке большой компрессор меньше нагревает сжимаемый воздух
- большая турбина создает меньшее противодавление в выпускном коллекторе, также сокращая тепловую нагрузку
- разработчики хотели получить мощный автомобиль
Конструкторы Nissan, с другой стороны, имея намного более благоприятный с точки зрения тепловыделения двигатель с водяным охлаждением, были свободнее в выборе турбонагнетателя для почти немедленной реакции прямо с холостых оборотов. Этот небольшой турбонагнетатель дает быструю реакцию наддува в обмен на крайне высокое противодавление на выпуске и высокую температуру воздуха на впуске. Nissan, очевидно, не стремился получить серьезную мощность, поскольку они не посчитали необходимым установить какой-нибудь интеркулер для снижения этой высокой температуры. Их целью, кажется, был автомобиль, нацеленный на разгон от 0 до 60 км/ч. Конечно, они были нацелены на совершенно не такого покупателя, каким является клиент Porsche. Хотя Porsche был объявлен всеми его дорожными испытателями ярчайшим примером конструкции с высоко инерционным турбонагнетателем, этот путь был выбран из-за меньшего нагрева. Небольшие турбонагнетатели не могли быть использованы на 911 вследствие тепловых ограничений двигателя с воздушным охлаждением, и, конечно, из-за того, что целью была серьезная мощность. Porsche, тем не менее, вполне можно назвать примером замечательно выполненной работы. Nissan же выступает в качестве примера продажи большого количества автомобилей большому количеству людей.
Базовые руководящие принципы
Влияние размеров колеса компрессора и ротора турбины на характеристики системы, будет целиком следовать этим руководящим принципам:
Колесо компрессора
Колесо компрессора имеет определенную комбинацию расхода воздуха и давления наддува, при которой он является наиболее эффективным. Хитрость в выборе оптимального размера колеса компрессора состоит в том, чтобы расположить точку максимальной эффективности в наиболее используемом диапазоне оборотов двигателя. В процессе выявления наиболее полезного диапазона оборотов придется немного подумать. Не забывайте, что всегда, когда эффективность компрессора снижается, тепловыделение, производимое турбонагнетателем, увеличивается. Если был выбран такой размер турбонагнетателя, что максимальная эффективность приходится на первую треть диапазона оборотов двигателя, эффективность на максимальных оборотах и в близких к тому режимах будет настолько низкой, что температура воздуха на впуске будет просто обжигающей. В другом крайнем случае, если максимальная эффективность системы достигается ближе к предельным оборотам двигателя, температура на средних оборотах вполне способна выйти за разумные пределы. Нагнетатель такого размера был бы полезен только для двигателя, работающего на этих оборотах. Где-то в середине диапазона оборотов двигателя находится наилучшее место, чтобы расположить там точку максимальной эффективности компрессора.
Большие или малые размеры компрессора не оказывают критического влияния на инерционность турбонагнетателя или на порог наддува. Рабочее колесо компрессора — самая легкая вращающаяся часть турбонагнетателя, следовательно, его вклад в полную инерцию вращающегося ротора довольно низок. Порог наддува — главным образом функция скорости турбонагнетателя, которая управляется ротором турбины.
Когда точка максимальной эффективности находится на более высоких оборотах, это означает более низкую температуру воздуха в этом режиме. Более низкая температура даёт более плотный воздух, который облегчает пик момента на более высоких оборотах.
В конечном счете, реальная потребительская ценность выбранного оборудования будет зависеть не только от мощности, термодинамических коэффициентов или числа турбин. Скорее, это будет выражаться в том, каким образом Ваша машина ведет себя на дороге. Она в самом деле быстра, и ее скорость прекрасно Вами ощущается? Она действительно отзывчива на педаль и легко бежит? Она плавно и непринужденно разгоняется до максимальных оборотов? Она заставляет Вас улыбаться, когда никто вокруг не увидит вашей улыбки?
Начните с выбора нескольких кандидатов на роль Вашего турбокомпрессора, чьи степень повышения давления и расход воздуха, согласно их картам, находятся в требуемом диапазоне оборотов при значении эффективности не ниже 60 %. Когда Вы отсеете заведомо непригодные устройства и остановитесь на двух-трёх вариантах, необходимо будет произвести некоторые расчеты, чтобы выбрать между ними.
Ротор Турбины.
Задача ротора турбины — осуществлять привод колеса компрессора, при этом он должен раскручивать его до достаточных оборотов, чтобы он мог обеспечить требуемый расход воздуха при заданном давлении наддува. Небольшая турбина будет вращаться быстрее, чем большая при той же энергии выхлопных газов. Однако меньшая турбина является большим сужением на пути потока этих газов, что приводит к образованию обратного давления между турбиной и камерой сгорания. Обратное давление — нежелательный побочный эффект турбонагнетателя, и нужно иметь это в виду. В действительности, при выборе турбины нужно ориентироваться на обороты, достаточные для обеспечения желаемой реакции и давления наддува, воздерживаясь от минимизации обратного давления.
Выбор размера колеса компрессора.
Необходимо выработать в себе понимание требуемых степени повышения давления, расхода воздуха, его плотности и эффективности компрессора прежде, чем приступать к выбору колеса компрессора подходящего размера.
Зависимость относительной плотности от степени повышения давления. Плотность падает при увеличении температуры,
поэтому фактическая степень увеличения массы воздуха всегда меньше чем степень повышения давления.
Степень повышения давления
Степень повышения давления рассчитывается как полное абсолютное давление, произведенное турбокомпрессором, разделенное на атмосферное давление. Абсолютное давление означает давление выше ноля. Отсутствие давления это ноль, атмосферное абсолютное давление составляет 1 бар. 0,5 бара наддува создают 1,5 бара абсолютного давления, 0,8 бара наддува это 1,8 бара абсолютного давления и так далее. Таким образом, абсолютное давление — это показания манометра плюс 1 бар. Другими словами, степень повышения давления является значением произведенного давления относительно атмосферного.
Пример: Для наддува 0,5 бар:
В этом примере в двигатель с наддувом попадет приблизительно на 50 % больше воздуха , чем в двигатель без наддува.
Относительная плотность
В конечном счете, мощность, полученная от использования турбонаддува, зависит от числа молекул воздуха, упакованных в каждый кубический сантиметр объема. Это называется плотностью воздушного заряда. При прохождении через систему турбонаддува плотность немного изменяется. Когда воздушные молекулы принудительно «утрамбовываются» в нагнетателе до некоторой степени сжатия, плотность не увеличивается на то же самое значение, потому что при сжатии увеличивается температура, и воздух расширяется обратно в прямой зависимости оттого, насколько он нагрет. Хотя воздушный заряд после сжатия окажется более плотным, его плотность будет всегда меньше, чем степень повышения давления. Усилия разработчиков, направленные на использование эффективных турбокомпрессоров и промежуточных охладителей позволяют относительной плотности все ближе и ближе приблизиться к значению степени сжатия, но полное совпадение величин никогда не достигается.
Расход воздуха
Расход воздуха через двигатель обычно измеряется в кубических метрах воздуха в минуту при стандартном атмосферном давлении. Технически правильный, но реже используемый термин — килограммы в минуту. Мы будем использовать полуправильный термин «кубические метры в минуту».
Для вычисления расхода воздуха в двигателе без турбонагнетателя т.е. при отсутствии наддува:
Здесь расход воздуха выражается в м3, а объем в см3, 0,5 означает, что у четырехтактного двигателя воздух в цилиндр поступает только во время одного оброта из двух, Ev — объемная эффективность. Чисто 1000000 служит для конвертации кубических сантиметров в кубические метры.
Пример: Пусть объем двигателя = 2000 см3, частота вращения двигателя = 5500 мин-1, и Ev = 85 %.
Определив изначальный расход воздуха через двигатель, можно найти итоговый расход при работе с наддувом. Степень повышения давления, умноженная на расход воздуха через двигатель даст нам искомый расход (при пренебрежении объемным к.п.д.) . В двигателе объемом 2000 см3, работающем с наддувом 0,8 бара:
Расход воздуха = Повышение давления х Базовый расход воздуха =1,8*4,675 м3/мин = 8,415 м3/мин
Чтобы преобразовать м3/мин к более правильному термину кг/мин, м3/ мин надо умножить на плотность воздуха на высоте географического места (см. таблицу).
Значение расхода воздуха для четырех тактных двигателей. Выберите объем двигателя (ось абсцисс) и обороты в минуту, на оси ординат отсчитайте расход.
КПД колеса компрессора
Эффективность (КПД) колеса компрессора — это показатель того, как хорошо колесо компрессора может сжимать воздух, не нагревая его в большей степени, чем диктуют законы термодинамики. Термодинамика говорит, что температура воздуха должна увеличиваться пропорционально степени повышения давления. Такое увеличение температуры наблюдалось бы в идеальных условиях. Однако фактически температура всегда выше, чем в термодинамических расчетах. Измеренное увеличение температуры, конечно, является фактической температурой. Эффективность (КПД) — расчетное увеличение температуры, разделенное на её фактическое увеличение. По сути, эффективность — мера термодинамического совершенства компрессора.
Центробежные турбокомпрессоры имеют максимальный КПД порядка 70%. Выбор размера колеса компрессора становится, главным образом, вопросом того, где достигает максимума эффективность турбокомпрессора относительно характеристик расхода системы двигатель/турбина. Если Вам понятен физический смысл степени повышения давления, относительной плотности, расхода воздуха и эффективности компрессора, основная информация, необходимая для выбора компрессора под Ваши задачи, находится у Вас в руках.
Принято считать, что до 0,5 бара — низкое давление наддува, 0,5 — 0,8 бара — среднее, и более 0,8 бара — высокое давление наддува. В дальнейшем, на примере двигателя объемом 2000 см3 с несколькими вариантами компрессоров будут показаны примеры вычислений и поиска максимума эффективности.
На рисунке показано влияние эффективности компрессора на температуру впускного воздуха. Вообще, КПД компрессора без промежуточного охладителя должен составлять по меньшей мере 60%. Если система включает промежуточный охладитель, минимальный КПД может быть несколько меньше.
| Высота над уровнем моря (м) | Атмосферное давление (кг\см3) | Температура (оС ) | Относительная плотность |
| 0 | 1.03 | 15 | 1.0 |
| 200 | 1.0 | 13.7 | 0.98 |
| 400 | 0.98 | 12.6 | 0.96 |
| 600 | 0.96 | 11.1 | 0.94 |
| 800 | 0.93 | 9.8 | 0.93 |
| 1000 | 0.91 | 8.5 | 0.91 |
| 1200 | 0.89 | 7.2 | 0.89 |
| 1400 | 0.87 | 5.9 | 0.87 |
| 1600 | 0.85 | 4.6 | 0.85 |
| 1800 | 0.83 | 3.3 | 0.84 |
| 2000 | 0.31 | 2.0 | 0.82 |
| 2200 | 0.79 | 0.7 | 0.8 |
| 2400 | 0.77 | -0.6 | 0.79 |
| 2600 | 0.75 | -1.9 | 0.77 |
| 2800 | 0.73 | -3.2 | 0.75 |
| 3000 | 0.71 | -4.5 | 0.74 |
Зависимости давления воздуха, температуры и относительной плотности от высоты места
Имея расчетные величины расхода воздуха и степени повышения давления на примере двигателя объемом 2000 см\ любой вполне способен взять в руки карты турбокомпрессоров и проверить, где расположена максимальная эффективность каждого из них, чтобы выбрать наиболее подходящий. Построим расчетные данные: расход воздуха 8,415 м3/мин и PR = 1,8 на осях карты турбокомпрессора. Пересечение этих двух линий показывает максимальный расход, который турбокомпрессор может обеспечить при выбранной степени повышения давления, и эта точка отображает эффективность в процентах на каждой карте. Таким образом, мы можем узнать КПД в этой точке, которая устанавливает пригодность того или иного турбокомпрессора для нашего конкретного применения. На рисунке пересечение этих линий находится на линии 75 . На рисунке 2 пересечение находится фактически в точке максимальной эффективности, однако КПД будет всего около 71.На карте компрессора теперь наглядно видно, что компрессор Garreit G7255-R хотя и подходит по своей эффективности, но его максимальная эффективность меньше чем компрессора Garrett GT2S60R5.
Компрессор Garrett GT2860RS. Цифры справа — число оборотов турбины в минуту. Видно, что линия соединяющая точки PR=1 и РК=1,8 проходит за границей устойчивой работы компрессора.
Компрессор Garrett GT2557R, не смотря на КПД, меньший чем у Garrett GT2860RS, лучше подходит для заданного применения.
Характеристики переходных процессов колеса компрессора в случае конкретного применения также должны быть исследованы перед окончательным выбором. Это может быть сделано довольно простым способом. Предположим, что желаемая степень сжатия достигается на 50 % от максимальных оборотов двигателя. Отметьте эту точку на диаграмме турбокомпрессора. Выше был упомянут пример с оборотами в минуту = 2750, что соответствует точке с расходом воздуха 4,27 мЗ/мин и PR = 1,8. Постройте линию от этой точки до точки, соответствующей PR = 1 и значению расхода, равному 20% от максимального, что в нашем случае составит 1,68 м3/мин. Принципиально важно, чтобы эта линия полностью располагалась справа от линии на карте компрессора, обозначенной как граница помпажа. Граница помпажа (граница устойчивой работы) не всегда подписывается на картах турбокомпрессора, но Вы можете смело полагать, что ею является крайняя левая линия. Этот пример показывает, что компрессор Garrett GT2557R, при КПД 71%, лучше подходит для выбранного применения чем Garrett GT2860RS, с КПД 75%.
Температура нагрева воздуха в компрессоре в зависимости от степени повышения давления. Вот почему все хотят обеспечишь самую высокую возможную эффективности турбокомпрессора: большая эффективность — более низкая температура.
Выбор размера ротора турбины
Предполагаемое применение системы двигатель+турбонагнетатель является также основным критерием при выборе размера ротора турбины, поскольку определяет выбор между моментом на низких, средних или максимальных оборотах двигателя. При этом выборе приходится иметь дело с двумя величинами: основной размер ротора турбины и отношение площадь/радиус (A/R).
Основной размер ротора турбины
Предполагается, что основной размер ротора турбины характеризует её способность производить мощность на валу, необходимую для привода колеса компрессора при желаемом расходе воздуха. Поэтому большие турбины, вообще говоря, обеспечивают более высокие отдаваемые мощности, чем небольшие. Для простоты картины оценивать размер турбины можно по диаметру её выходного отверстия. Строго говоря, это является упрощением теории турбин, однако на практике такой подход даёт возможность оценить способность турбины обеспечить тот или иной расход.
Диаграмма диаметра выходного отверстия ротора турбины относительно расхода воздуха на впуске — не точный инструмент для выбора, но приблизительный критерий первоначального отсеивания.
Определение диаметра выходного отверстия
Разумный метод выбора ротора турбины состоит в том, чтобы проконсультироваться с источником, у которого Вы приобретаете турбокомпрессор. Конечно, при выборе будет существовать возможность допустить ошибку в ту или иную сторону. И так как выбор происходит в пределах первоначального предназначения системы турбонаддува, имеет смысл выбирать каждый раз запас в большую сторону.
Приблизительный диаметр выходного отверстия ротора турбины, требуемый для привода колеса компрессора при заданном расходе воздуха
В то время как основной размер ротора турбины является критерием расхода газа через ротор турбины, отношение А/R даёт инструмент точного выбора из диапазона основных размеров. Чтобы легко понять идею отношения А/R, представьте кожух турбины в виде конуса, обернутого вокруг вала в виде спирали. Распрямите этот конус и отрежьте небольшой кусок на некотором расстоянии от конца. Отверстие в конце конуса -выходное сечение кожуха. Площадь этого отверстия это и есть «А» в отношении A/R. Размер отверстия существенен, поскольку он определяет скорость, с который выходят отработанные газы из улитки турбины и попадают на ее лопатки. При любом заданном расходе газов для увеличения скорости их истечения требуется уменьшение площади выходного отверстия. Эта скорость имеет существенное значение для управления частотой вращения ротора турбины. Необходимо иметь в виду, что площадь выхода влияет на побочный эффект обратного давления отработанных газов и, таким образом, оказывает влияние на процессы, протекающие в камере сгорания двигателя. «R» в отношении A/R — расстояние от центра площади сечения в конусе до оси вращения вала турбины.
Определение отношения A/R
Все «А», разделенные на соответствующие им «R», дадут одинаковый результат:
где A-площадь, R-радиус
«R» тоже оказывает сильное влияние на управление скоростью ротора турбины. Представьте, что кончики лопаток ротора турбины движутся с той же скоростью, что и газ, когда он попадает на лопатки. Отсюда легко понять, что чем меньше «R», тем выше частота вращения ротора турбины. Следует заметить, что увеличение «R» дает прирост момента на валу турбины для привода рабочего колеса компрессора, поскольку та же самая сила (поток выхлопных газов) прикладывается на большем плече рычага (R). Это позволяет приводить большее рабочее колесо компрессора, если этого требуют условия применения. Тем не менее, чаще всего при выборе турбины варьируют параметр «А», в то время как радиус остается постоянным.
Увеличение скорости вращения турбины, которая зависит от отношения А/R, почти всегда достигает с изменением площади выходного сечения кожуха турбины при остающемся неизменном радиусе.
Выбор, который кажется логичной отправной точкой для отношения A/R — это одно, а фактически полученный правильный результат — это совсем другое. Обычно неизбежны пробы и ошибки.
Эффект изменения отношения А/R,все прочие параметры неизменны.
Разумный выбор может быть обоснован количественным образом или, в некоторой степени, качественной характеристикой адекватности реакций турбо системы. Количественная оценка требует измерения давления в выпускном коллекторе или на входе турбины и сравнения его с давлением наддува. Результатом неправильного выбора отношения А/R может стать увеличение инерционности наддува, если отношение слишком велико. Отношение А/R может быть столь большое, что не позволит турбокомпрессору развить обороты, достаточные для достижения желаемого давления наддува. Если отношение, напротив, чрезмерно мало, реакция турбокомпрессора может быть столь быстра, что будет казаться нервной и трудной для управления. Результат проявится и в виде отсутствия мощности в верхней трети диапазона оборотов двигателя. Это будет похоже на атмосферный двигатель с небольшим карбюратором, у которого закрыта воздушная заслонка.
Разделенный выхлопной коллектор
Разделенный выхлопной коллектор позволяет импульсам выхлопных газов быть сгруппированными (или отделенными) по цилиндрам на пути к турбине. Ценная идея такого технического приёма состоит в том, чтобы донести энергию каждого импульса выхлопа к турбине нетронутой с энергией других импульсов. Это может давать ротору турбины немного больший толчок, который заставит ее вращаться. Если рассматривать случай абсолютного разделения импульсов и энергии, подводящихся по выхлопным каналам от восьмицилиндрового двигателя, то ротор турбины получит большее количество энергии, чем это необходимо почти в любой ситуации. Таким образом, разделенный выхлопной коллектор не будет давать значительного улучшения на V8 с одним турбонагнетателем. Для сравнения, четырехцилиндровый двигатель, в котором один рабочий ход происходит каждые 180° вращения коленчатого вала, нуждается во всей энергии, которую он может получить от каждого выхлопного импульса. Сохранение этих импульсов изолированными и не подверженными интерференции позволит получить некоторые улучшения.
Улитка турбины с разделенным входом теоретически дает небольшое преимущество в характеристиках, обеспечивая подачу импульсов выхлопа в плотной связке к ротору турбины. Этот эффект более заметен в случае двигателей с меньшим числом цилиндров, имеющих таким образом меньшее количество импульсов за каждый оборот двигателя
Две турбины или одна?
Существуют несколько причин для ложного предоставления о целесообразности использовании двух турбин там, где могла бы работать одна. Вероятно, наиболее популярное мифическое преимущество двух турбин взамен одной связано со снижением инерционности. Это заблуждение вообще трудно оправдать. Разделение пополам энергии выхлопа, подаваемой в каждую из двух турбин пропорционально квадрату инерции и кубу расхода газов, необязательно способствует уменьшению инерционности. Несколько турбин подразумевают большее количество мощности, которая зависит от эффективности турбокомпрессора. При прочих равных условиях, выбор турбины большой более эффективен, чем малой.
Для использования двух турбин должны существовать серьезные основания. В частности, такой вариант может быть актуальным в случае V-образных или горизонтальных оппозитных двигателей. Конструкция выпускного коллектора — один из ключей к получению большой мощности, и компоновка с двумя турбонагнетателями, вообще говоря, может сделать конструкцию более совершенной. Потери тепла в окружающую среду из перекрестной трубы в V-образных двигателях может быть значительна. Помните, что это та самая теплота, которая приводит в действие турбину.
Компоновка с двумя турбонагнетателями обычно требует двух вестгейтов. Другая, не менее важная задача — синхронизация этих двух вестгейтов, может быть достигнуто намного лучшее управление скоростью турбины при низких давлениях наддува. Стабильность давления наддува при высоких расходах газов также улучшена. Если используются внешние вестгейты, в отличии от интегрированных, фактическое проходное сечение для отработанных газов может быть увеличено, установив отдельные выхлопные трубы для вестгейтов.
Большая площадь сечения выхлопа для турбины — это всегда усовершенствование системы. Выхлопные трубы от двух турбин будут фактически всегда давать большее увеличение расхода. Например, две трубы диаметром 50 мм обеспечивают существенно большее проходное сечение, чем одна труба диаметром 75 мм.
Еще одна причина превосходства двух турбин при известных условиях то, что теплота разделяется между двумя агрегатами, позволяя каждому, работать с более низким подводом тепла. Теплота, поглощенная материалом турбонагнетателя пропорциональна температуре газов и их массовому расходу. Температура останется тот же самой, но массовый расход газа будет уменьшен вдвое. Таким образом рабочую температуру турбокомпрессора можно понизить, а его предполагаемый срок службы несколько увеличить.
Полезные детали конструкции:
Корпус турбины с жидкостным охлаждением.
Корпус турбины с жидкостным охлаждением — разновидность конструкции, которая может увеличить срок эксплуатации турбокомпрессора в среднем в два раза. Наличие потока охлаждающей жидкости существенно снижает нагрев смазочных материалов при их прохождении через подшипники. Пониженные температуры предохраняют масло от превращения в то, что называют маслом марки X в рекламе Mobil 1. Твердые отложения, накапливающиеся внутри турбокомпрессора, блокирующие, в конечном счете, поток масла и убивающие турбокомпрессор, являются страшной болезнью, названной «закоксовка среднего корпуса турбины» Жидкостно охлаждаемый корпус был создан, потому что слишком многие владельцы автомобилей не удосуживались менять масло по графику, продиктованному наличием турбокомпрессора. Как ни странно, присутствие корпуса турбины с жидкостным охлаждением не предполагает серьезное увеличение интервалов замены масла.
Поворот улитки турбонагнетателя.
Возможность поворота одной улитки турбокомпрессора относительно другой является полезной особенностью конструкции. Хотя интегрированный весггейт предлагает ряд удобств при проектировании неспортивных систем турбонаддува, он обычно не позволяет улиткам турбокомпрессора поворачиваться на 360″ относительно друг друга. Ограничение поворота улиток может серьезно препятствовать свободе компоновки системы турбонаддува в моторном отсеке.
Соединения турбонагнетателя.
Фланцы кожуха турбины, которые соединяют турбокомпрессор с выпускным коллектором и выхлопной трубой — два наиболее вероятных места неисправностей в системе. Тепловые деформации, конструкция крепежа и прокладок — всё это нельзя сбрасывать со счетов. Вообще говоря, фланцы с большим количеством крепёжных элементов и более толстыми улитками перенесут нагрев с меньшим количеством проблем. Некоторые роторы турбины изготовлены из жаропрочных сплавов с повышенным содержанием никеля. Такие материалы дают заслуживающее внимание увеличению стойкости к высокой температуре и вследствие этого увеличивают долговечность улитке выхлопа.
Выход холодной улитки турбины почти всегда имеет соединение при помощи гибкого патрубка. Гибкость в этом соединении обычно необходима для компенсации возникающих тепловых деформаций турбокомпрессора. Системы с высоким уровнем наддува могут потребовать установки соединительного стержня на выходном патрубке для обеспечения прочности воздуховода, подверженного значительным растягивающим усилиям.
На входе улитки турбины также применяются соединения с использованием гибких патрубков. Их применение допускается в тех системах, где перед турбокомпрессором к воздуху не примешивается топливо. При расположении турбины после карбюратора (в системах с протяжкой воздуха через карбюратор), использования любых резиновых деталей между карбюратором и турбонагнетателем нужно избежать, поскольку топливо будет разрушающе воздействовать на резиновый патрубок. Патрубок большого диаметром позволяет использовать больший диаметр входа в турбину. Большой диаметр на входе обеспечивает низкие потери, а это жизненно необходимо для турбокомпрессора. Будьте уверены, что все патрубки и соединения достаточно жестки, чтобы избежать деформации от небольшого разрежения, созданного воздушным фильтром и расходомерами воздуха, если они имеются.
Выбор турбины и расчёт производительности
4.91 (98.21%) 56 голосов
remont-turbiny.ru
Как контролируется надув, и как прибавить 20% мощности к Вашему турбомотору — DRIVE2
Всем привет, давно не писал по делу. Сегодня хочу Вам рассказать о различных системах контроля надува в турбо системе мотора. Но для начала, очень коротко о самой турбине и как она работает. Турбина или точнее турбокомпрессор состоит из двух частей – из самой турбины (горячая часть) и компрессор (холодная часть)
Вот так выглядит турбокомпрессор
1. Вход в турбину выпускных газов (из выпускного коллектора)
2. Вход в компрессор свежего воздуха
3. Выход из турбины горячих газов в систему выпуска
4. Выход из компрессора сжатого воздуха
Принцип очень простой отработанные газы, попадая в турбину, раскручивают крыльчатку (лопатки) которая имеет одну ось с лопатками компрессорной части. Крыльчатка компрессора всасывает свежий воздух и под давлением (создает надув, избыточное давление) направляет сжатый воздух в интеркулер, где он охлаждается и потом поступает в камеру сгорания. Вот и все.
Но сегодня я бы хотел более подробно остановится о принципах, видах контроля надува. Последнее время мне часто попадались споры о том, что лучше 2 портовый или 3 портовый соленоид и т.д. Лично я даже, не понимаю сути этих споров. Моя цель рассказать Вам, как все это работает, а Вы потом сами решите, что лучше.
Надув контролируется регуляцией выпускных газов в горячей части турбокомпрессора (турбине). Для этого в ней есть специальный клапан, дверка или вестгейт
Если дверка закрыта, то все газы попадают на лопатки, если этот клапан (на фото valve) открыть то часть газов, направится в систему выпуска, минуя крыльчатку и тем самым снизится скорость вращения лопаток, что соответственно приведет к понижению давления. Все гениальное, очень просто. И вот здесь начинается самое интересное, а именно, как производится регулировка открытия и закрытия вестгейта.
Для этих целей используется актуатор (на фото wastegate Actuator), если его шток выдвигается, то он открывает вестгейт Для качественной настройки системы регулирования вестгейтом необходимо установить правильный преднатяг. Для этого, у большинства хороших актуаторов, используется шток с изменяемой длиной
(это кстати мой любимый актуатор)
В нутрии актуатора есть возвратная пружина. Если ее не будет, то давление выпускных газов в турбине сразу откроют вестгейт и мы не сможем создать избыточное давление (буст). Обычно в стоке (если у машины максимальное давление около 1 бара) пружина устанавливается на 0.6 бара. Расмотрим на различных примерах
При таком подключении (на актуатор подается давление, источник должен быть до заслонки, чем ближе, короче трубка, тем лучше) надув будет контролироваться жесткостью пружины актуатора. Если мы уберем источник давления на актуатор (заглушим трубку) то надув будет максимально возможный (очень большой)
Как мы можем увеличить надув, есть много вариантов. Один из хорошо себя зарекомендовавших это установка в актуатор пружины под планируемый надув, работает великолепно. Этот вид подключения можно использовать, как при установке турбокомпрессора на атмосферный мотор, так и при желании улучшить характеристики стандартной системы контроля с помощью соленоида. Очень просто, подберите пружину или актуатор с жесткостью пружины для планируемого Вами максимального надува, Подключите как на выше указанном примере. Трубки, идущие к соленоиду заглушите, а сам соленоид оставьте подключенным к разъему (или можете заменить на сопротивление 10 кОм)
Самое главное, Вы должны понять принцип, а он очень простой. В выше указанном примере давление контролируется пружиной актуатора. Если мы отсоединим от источника давления, то сможем увеличить надув в 2 раза (возможно). В таком случае без помощи дополнительного давления на мембрану актуатора будет необходимо создать намного больше обратного давления в системе выпуска, для открытия вестгейта.
Принцип ясен, уменьшая подачу давления на актуатор, мы увеличиваем силу необходимую для открытия вестгейта и тем самым увеличиваем надув, избыточное давление или буст.
Скажем у Вас пружина на 0.6 бара и Вы решили поднять давление до 0.9 бар, что можно для этого сделать. Вот несколько вариантов
Установка рестриктора. Чем меньше будет диаметр рестриктора, тем меньше будет подаваться давления на актуатор, и тем больше мы сможем получить избыточное давление (надув). Какой диаметр рестриктора? Необходимо подбирать, скажем, где-то между 1.5 мм – 0.8 мм.
Если для Вас это слишком сложно, то можете использовать следующий вариант
Обыкновенный ручной (мануал) буст контролер. В принципе это регулируемый рестриктор, не более. Зажимаем, уменьшаем диаметр, уменьшаем давление на актуатор – понимаем давление турбины и наоборот.
Это мы рассмотрели возможные механические варианты регулирования надува. Конечно, большинство современных моторов с турбонадувом используют электронную систему управления. Предлагаю рассмотреть основные, с использование электронного соленоида 2 или 3 портового. Соленоид, это электромагнитный клапан, который регулируется ЭБУ.
Основные схемы подключения
С 2-х портовым соленоидом
С 3-х портовым соленоидом
Теперь более подробно
Порт 1 – источник давления
Порт 2 – возврат в систему впуска (после МАФ сенсора)
Порт 3 – подключается к актуатору
Если соленоид закрыт, то в таком случае порт 1 и 2 соединены между собой, на актуатор нет подачи, и как следствие мы можем ожидать максимальный надув.
Если соленоид открыт, то порты 1 и 3 соединены, надув контролируется пружиной актуатора.
ЭБУ меняя дюти сайкл соленоида, перераспределят подачу между портами 2 и 3.
Теперь рассмотрим варианты с 2-х портовым соленоидом
Bleed Style Boost Controller
Достаточно узкий диапозон контроля надувом соленоидом, но очень точный. Taкая система контроля эффективно работает только с рестриктором, если Вы не можете добиться необходимого Вам надува, то для увеличения буста, просто уменьшите диаметр рестриктора, только очень аккуратно
Если соленоид закрыт, то система работает по размеру рестриктора и пружине актуатора
Если клапан, соленоид открыт тот система будет иметь максимальное давление. Максимальное значение в большей степени зависит от диаметра рестриктора
И последний (мой любимый вариант), так же с использованием 2-х портового соленоида. Очень широкий диапазон контроля надувом с помощью соленоида
Interrupt Stule Boost Controller
Если соленоид открыт, то надув контролируется только пружиной актуатора
Если соленоид закрыт, то будет достигнуто максимальное значение надува.
Мы рассмотрели основные варианты используемые для контроля надува в системах с турбонагнетателями. Теперь я подскажу Вам, как можно безопасно, эффективно повысить мощность Вашего турбомотора на 20%.
Очень просто. Для этого необходимо поменять систему выпуска Вашего автомобиля на более эффективную, большего диаметра, без катализатора или с заменой на спортивный. Главное понизить обратное давление в системе выпуска. Следующее, желательно установить холодный впуск (как его сделать я уже писал) или хотя бы более эффективный фильтр в стандартный фильтр бокс.
После этого Вы можете безопасно повысить надув Вашего турбонегнетателя на 10-15% и получите, как минимум прибавку мощности 20%. Как поднять буст Вы теперь знаете, все в Ваших руках. Да и последнее, не пытайтесь изменить надув на автомобиле в котором система контролируется ЭБУ с использованием соленоида. Для этого надо перевести в механическую систему контролем надува, а сам соленоид, чтобы ЭБУ не выдавал ошибку оставить просто подключенным к разъему или впаять сопротивление.
И главное, нет необходимости прибегать к услугам различных ателье, мастеров занимающихся пошивом прошивок для ЭБУ. В этом нет необходимости. Нет это не значит, что не надо настраивать мотор, конечно качественная настройка на порядок улучшит характеристики Ваше автомобиля.
www.drive2.ru
Турбо наддув на ваз мощностью 250л.с.
Установка турбины на 250 лошадиных сил.
В данной статье отвечаем на вопрос: «Какую турбину поставить, чтобы получить 250 л.с?».
Сразу хочется развеять многочисленные заблуждения начинающих тюнеров. Турбина, она же турбокомпрессор – это отдельно идущая деталь. Купив только один турбокомпрессор, у вас никак не получится мощность двигателя в 250 лошадиных сил Его необходимо подключить (установить) к вашему двигателю, для этого потребуются дополнительные запасные части.
Вот примерный список дополнительных деталей:
1. Выпускной коллектор. Соединяет выпускные каналы двигателя и турбокомпрессор, через него будут поступать выхлопные газы и раскручивать горячее колесо турбины.
2. Прокладка между турбокомпрессором и коллектором. Стоит обратить внимание на то, что разновидностей турбокомпрессоров очень много, поэтому прокладки не универсальные.
3. Подача масла. Эта очень важная деталь, с помощью которой осуществляется подача нужного количества масла в турбокомпрессор. У вазовского двигателя принято запитывать этот шланг от датчика давления масла через специальный переходник. Для разных турбокомпрессоров и разных двигателей разные маслоподачи. Они отличаются длиной, диаметром и диаметром наконечников.
4. Подача и обратка охлаждающей жидкости в турбокомпрессор. Все турбокомпрессоры для бензиновых двигателей имеют дополнительное водяное охлаждение. В вазовском двигателе проще всего отключить шланги с подогрева дроссельного патрубка и использовать их для подключения водяного охлаждения турбины. Для их подключения потребуется либо специальные штуцера, либо готовые армированные шланги.
5. Фланец выпуска отработавших газов из турбокомпрессора. После того, как выхлопные газы проходят через выпускной коллектор и турбину им необходимо попасть в выхлопную систему. Для этого потребуется фланец выпуска турбины и несколько труб для изготовления приемной трубы.
6. Слив масла. Т.к. в турбокомпрессор поступает масло для смазки, то оно из него должно и куда-то уходить, эту функцию выполняет маслослив. Он соединяет турбокомпрессор и масляный картер двигателя в самой верхней точке. Так как расположение турбин и привалочные фланцы отличаются, то маслослив лучше всего делать по месту.
7. Intercooler (интеркулер). Эта деталь помогает охладить сжатый горячий воздух, который вырабатывает турбокомпрессор во время работы двигателя. Чем сильнее охлажден воздух, тем большую вы получите мощность. Крепить интеркулер нужно впереди всех радиаторов. Для крепления придется изготовить специальные кронштейны.
8. Воздуховоды (пайпинг), силикон и хомуты. Для того, чтобы соединить между собой турбокомпрессор, интеркулер и впускной ресивер, потребуются воздуховоды (пайпинг). Можно купить универсальный пайпинг сразу с силиконовыми соединителями и хомутами. В таком комплекте много труб с разными углами, что позволит вам без труда собрать воздуховоды как вам нужно.
9. Blow-off (Блоу офф) (клапан сброса избыточного давления). Данное устройство необходимо для сброса воздуха выработанного турбокомпрессором в атмосферу при закрытой дроссельной заслонке. Устанавливается блоу офф в любом удобном месте на воздуховоде.
10. Впускной ресивер. В связи с тем, что для получения такой мощности приходится использовать большой турбокомпрессор, то его расположение будет верхнее, т.е. использование штатного ресивера невозможно (он не вместится). Для решения этой задачи используются короткие тюнинг ресивера.
11. Топливные форсунки. Увеличивая мощность, в обязательном порядке и увеличивается расход топлива. Для этого стандартные форсунки заменяются более производительными.
12. Топливный насос. Для обеспечения нужного давления топлива в топливных магистралях насос заменяется более производительным.
13. Датчик абсолютного давления воздуха. Этот датчик необходим для настройки программы управления двигателем. Датчики различаются по диапазону восприятия.
14. Датчик температуры воздуха. Этот датчик также потребуется при настройке программы.
15. Boost controller (буст контролер). Это устройство понадобится для выставления нужного давления турбокомпрессора.
16. Поршни. Для того чтобы стандартные поршни не подверглись разрушению, их надо заменить на турбо поршни. Для изменения степени сжатия двигателя.
17. Система выпуска. Диаметр выпускной системы очень сильно влияет на пиковую мощность двигателя. Особенно это ярко выражено у двигателей с турбонаддовом. Для такой мощности рекомендуется установка полностью прямоточной системы диаметром 63 мм.
clubturbo.ru