[email protected] 8-937-999-99-99 Консультант работает ПН-ПТ 9:00 - 19:00

Основы турбонаддува. Часть 2

Понятие Trim

Для расшифровки термина Trim введем еще два понятия – «индюсер» и «эксдюсер».
Индюсер (inducer) – это диаметр той части колеса крыльчатки, в которую воздух входит.
Эксдюсер (exducer) – диаметр крыльчатки, откуда воздух выходит.
Trim - это отношение площадей индюсера и эксдюсера компрессора или турбинного колеса.
Турбокомрессор устроен таким образом, что эксдюсер компрессорного колеса больше, чем его индюсер, а эксдюсер турбинного колеса, наоборот, меньше его индюсера.

osn2_1.jpg

Рассмотрим конкретный пример:
В турбине GT2871R (Garrett part № 743347-2) имеется компрессорное колесо с эксдюсером 71,0 мм и индюсером 53,1 мм

Соответственно, параметр Trim для такого колеса будет:

osn2f-1.gif

От Trim крыльчатки турбины и компрессора зависит ее производительность. Чем больше значение trim, тем больший поток воздуха проходит через крыльчатку за единицу времени, и тем больше воздуха будет поступать в цилиндры двигателя.

A/R корпуса турбины (хаузинга)

»Хаузингом» у автолюбителей называется корпус турбины или компрессора. A/R, или Area/Radius (буквально, Площадь/Радиус) описывает геометрию турбинного или компрессорного хаузинга (корпуса турбины). Технически A/R обозначает отношение площади сечения канала хаузинга (корпус турбины) к расстоянию от центра вала до центра сечения:

osn2_2.gif

Параметр A/R по разному влияет на производительность компрессорной и турбинной части:

A/R компрессора на производительность почти не влияет. Обычно хаузинги (корпус турбины) с большим значением A/R используются для оптимизации отдачи в турбинах с малым наддувом, а для больших значений наддува применяются хаузинги (корпуса турбин) с меньшим показателем A/R компрессора.

И, наоборот, влияние A/R турбины на ее производительность весьма значительно. Собственно, этот параметр и определяет то, какой поток воздуха способна пропустить через себя турбина. Используя меньшее значение A/R, можно увеличить скорость потока воздуха в хаузинге турбины (корпуса турбины). При этом появляется возможность увеличить отдачу турбины в диапазоне низких нагрузок, а также происходит более быстрый отклик турбины на дроссель. Кроме этого, снижается значение минимальных оборотов двигателя, которое необходимо для выхода турбины в режим рабочего наддува.

Однако, низкий A/R турбины имеет и свои недостатки. Газы попадают на крыльчатку почти по касательной траектории, что существенно уменьшает максимальный поток газов, который может пройти через турбинное колесо. Кроме того, при меньших значениях A/R увеличивается подпор газа перед турбиной, повышается EGT и ухудшается продувка двигателя на высоких оборотах. В итоге, снижается максимальная пиковая мощность мотора.

Выбор конкретного хаузинга для двигателя сводится к компромиссу между пиковой мощностью и ранним наддувом. При этом необходимо также учитывать внутреннюю конструкцию хаузинга (корпус турбины). Несовершенная форма канала, погрешности литья, а также переходы между разными типами сечения - все это может ощутимо ухудшить технические характеристики горячего хаузинга (корпуса турбины). Например, в ходе экспериментов установлено, что турбинные хаузинги марки TiAL, имеющие круглый вход, обладают более эффективной аэродинамикой и обеспечивают лучшую продувку на больших оборотах, чем обычные чугунные хаузинги (корпуса турбин) с прямоугольным входом.

osn2_3.jpg

При выборе оптимального показателя A/R рекомендуется учитывать и эффективность работы выпускного тракта, расположенного после турбины. Применение прямоточных выхлопных систем с большим сечением дает возможность выбрать меньший А/R турбины и получить более ранний выход в режим наддува при том же значении пиковой мощности.

Типы выпускных коллекторов и влияние на производительность турбины

Практически все турбоколлекторы можно разделить на два вида: трубные сварные и литые (log-style):

osn2_4.jpg osn2_5.jpg

Чтобы достичь максимальной производительности турбоколектора, следует придерживаться следующих общих рекомендаций:

- стараться избегать резких изгибов, так как ранеры с малым радиусом поворота поглощают полезную энергию газовых потоков («ранером» называется канал коллектора от фланца прилегающего к головке блока цилиндров до фланца состыковывающегося с турбокомпрессором);
- добиваться одинаковой длины ранеров, чтобы избежать перекрестного наложения выхлопных импульсов.
- избегать резких переходов площади и формы сечения;
- избегать резких углов в сводах ранеров, чтобы сохранить скорость и направление потока воздуха;
- избегать больших объемов коллектора для лучшей отзывчивости турбины и, наоборот, использовать больший объем коллектора для достижения большей пиковой мощности;
- выбирать оптимальное отношение длины ранеров («ранер» называется канал коллектора от фланца прилегающего к головке блока цилиндров до фланца состыковывающегося с турбокомпрессором) и объема коллектора, учитывая объем двигателя и диапазон оборотов, на которых требуется получить наибольшую отдачу.

Использование литых коллекторов в основном встречается в стандартной заводской комплектации, а сварные трубные коллекторы обычно используются в спортивных вариантах двигателей. Оба типа коллекторов имеют свои недостатки и достоинства.

Литые коллекторы более компактны, и в связи с массовым производством имеют меньшую стоимость.

Трубные коллекторы изготавливаются в единичных экземплярах (малых сериях) для каждого конкретного случая. При этом не требуется сложной предварительной организации технологического процесса, как в случае литых коллекторов. Оптимально изготовленный трубный коллектор имеет значительно большую производительность по сравнению с литым коллектором, а также длительный срок эксплуатации.

Твинскрольные коллекторы

Твинскрольные коллекторы используются только с турбокомпрессорами, имеющими твинскрольную конструкцию и бывают как сварными трубными, так и литыми. Эти коллекторы эксплуатируются совместно с подходящим твинскрольным турбинным хаузингом(корпуса турбин).

osn2_6.jpgosn2_7.jpg

Такая конструкция позволяет более эффективно использовать выхлопной импульс каждого цилиндра за счет разделения пересекающихся рабочих циклов. Например, если 4-х цилиндровый двигатель имеет порядок работы цилиндров согласно схемы: 1-3-4-2, то в начале фазы выпуска цилиндра №1 выпускная фаза в цилиндре под номером 2 еще не закончена, и поэтому его выпускной клапан находится в открытом положении. В зависимости от значения параметра перекрытия, в этот же момент времени может быть открыт также впускной клапан второго цилиндра. В обычном, нетвинскрольном коллекторе высокое давление, создаваемое первым цилиндром, перебивает течение потока второго цилиндра и не позволяет ему полностью продуться в начальной стадии впуска. Кроме того, при этом теряется часть энергии потока из первого цилиндра.

Оптимальной компоновкой твинскрольного коллектора, в описанном случае, будет группировка цилиндров по схеме: №№ 1 и 4 в одной части коллектора, а остальные два цилиндра (№№ 2 и 3) - в другой.

Пример турбинного твинскрольного хаузинга:

osn2_8.jpg

Оптимальное использование энергии выхлопных газов, происходящее в твинскрольных системах улучшает отзывчивость турбины на малых оборотах, а также позволяет получить большую мощность на больших оборотах двигателя.

Степень сжатия турбодвигателей

Прежде чем обсуждать такие понятия как давлению наддува и степень сжатия, рассмотрим такой неприятный процесс как детонация. Детонацией называется спонтанное (самопроизвольное) быстротекущее сгорание топливновоздушной смеси в цилиндрах двигателя. В результате детонации в камере сгорания происходят резкие и значительные по величине всплески давления, что приводит к преждевременному износу вкладышей и механическому разрушению поршневой группы.

Основными причинами, способствующими возникновению детонации является:

- неустойчивость к детонации конкретной модели двигателя. Так как у всех моторов имеются множество конструктивных особенностей, то практически невозможно рассчитать его склонность к детонации. На этот параметр могут влиять такие факторы как форма и размер камеры сгорания, расположение свечей зажигания, степень сжатия топливовоздушной смеси, диаметр цилиндров, качество распыления топлива и т.п.

- влияние на работу турбодвигателя внешних условий. На склонность к детонации влияют такие характеристики всасываемого турбиной воздуха, как температура и влажность. Кроме того, большое значение имеет, какой воздух поступит в цилиндры двигателя после турбины. Чем выше степень наддува, тем больше температура поступающего в цилиндры воздуха, и тем, соответственно, больше вероятность возникновения детонации. Избежать детонации перегретого воздуха, как правило, помогает эффективный интеркулер;

- октановое число топлива. Октан топлива - это величина, показывающая устойчивость топлива к детонации. Октановое число стандартных гражданских бензинов находится в пределах от 92 до 98 единиц. Особые спортивные виды топлива могут иметь октан 100-120 единиц и выше;

- настройки блока управления. На устойчивость двигателя к детонации в значительной степени влияют такие параметры, как соотношение воздух/топливо и угол зажигания.

Теперь, разобравшись с основными причинами возникновения детонации, рассмотрим такое понятие, как степень сжатия. Эту характеристику можно определить по следующей формуле:

osn2f-2.gif

Где: CR - степень сжатия,
Vcv - объем камеры сгорания,
Vd - объем цилиндра

osn2_9.jpg

Степень сжатия (СЖ) заводских моторов для атмосферных и турбированных двигателей будет различаться. Например, у турбомотора Subaru WRX СЖ будет 8,8:1, а у стокового мотора Honda S2000 – 11,1:1.

Имеется много параметров, влияющих на максимально возможную степень сжатия. Единого критерия, позволяющего вычислить максимальную СЖ практически не существует. Есть лишь общее правило, рекомендующее выбирать СЖ максимально возможной, но не вызывающей детонацию, и, одновременно, обеспечивающей максимальный КПД двигателя. При этом необходимо учитывать такие факторы, как октановое число топлива, температуру воздуха, давление наддува, форму камеры сгорания, противодавление в коллекторе и фазы клапанного механизма.

Некоторые современные атмосферные моторы имеют настолько проработанный дизайн камеры сгорания и значительную устойчивость к детонации, что на них можно устанавливать турбонаддув без изменения заводской степени сжатия (если произведена правильная настройка блока управления).

Как правило, при турбировании атмосферных двигателей увеличение мощности составляет 60-100%. Тем не менее, для достижения очень больших значений наддува необходимо уменьшение заводской степени сжатия.

Соотношение воздух/топливо, или параметр AFR

При настройке двигателя, выбор оптимального значения AFR, пожалуй, самый важный вопрос. Правильная настройка AFR влияет как на надежность мотора, так и на его производительность.
Параметр AFR определяется как отношение количества воздуха, поступившего в цилиндр двигателя к количеству попавшего в него топлива. Для оценки качества топливовоздушной смеси используется такое понятие, как стехиометрическая смесь.
Стехиометрическая смесь это топливовоздушная смесь в такой пропорции, когда она сгорает полностью. Стехиометрия для бензиновых двигателей – это соотношение 14,7:1. То есть на каждую массовую часть топлива полагается 14,7 частей воздуха.

Теперь рассмотрим понятия "бедной" и "богатой" топливовоздушной смеси. При более низких значениях AFR в смеси содержится меньшее количество воздуха и такую смесь называют богатой. И, наоборот, при больших значениях AFR в топливе содержится больше воздуха, и такая смесь называются бедной.

Например:

AFR=16,0:1 – бедная,
AFR=14,7:1 – стехиометрическая,
AFR=14,0:1 – богатая.

При использовании бедной смеси происходит повышение температуры ее горения. Применение богатой топливовоздушной смеси позволяет, наоборот, уменьшить температуру горения. Атмосферные моторы, как правило, достигают максимальной эффективности при работе на смеси немного богаче стехиометрии. Практически, AFR топливовоздушной смеси стараются поддерживать на уровне 12:1 - 13:1, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение. Для атмосферных двигателей это хороший AFR, но для турбодвигателей такой диапазон может оказаться очень опасным. Чтобы уменьшить температуру в камере сгорания турбированного мотора и повысить его устойчивость к детонации, а также снизить температуру выхлопных газов, что позволяет увеличить срок службы коллектора и турбины, на практике используют еще более богатую смесь, чем для обычных двигателей.

Чтобы добиться от турбодвигателя максимальной эффективности и при этом сохранить его ресурс, настройщику приходится тщательно подбирать оптимальное соотношение трех основных, влияющих на детонацию параметров:
- обогащение смеси;
- уменьшение давление наддува;
- использование более позднего зажигания.

Участвовать в обсуждении могут только зарегистрированные пользователи. Войдите на сайт, или Зарегистрируйтесь.

Раздел не найден.