Хаузинг турбины что это
Основы турбонаддува. Часть 2
Что такое Trim.
Trim это общепринятый термин, используемый при описании турбинного или компрессорного колеса турбины. Например, вы часто могли слышать фразу «У меня стоит турбина GT2871R с 56 Trim». Так что же это такое? Trim это величина, показывающая соотношение между индюсером (inducer) и эксдюсером (exducer) турбинного или компрессорного колеса. Еще более точно, это соотношение их площадей.
Например:
Турбина GT2871R (Garrett part number 743347-2) имеет компрессорное колесо с:
Диаметр индюсера: 53.1мм
Диаметр эксдюсера: 71.0мм
Таким образом Trim для него будет:
Trim крыльчатки, как компрессора, так и турбины напрямую влияет на ее производительность. Чем больше величина trim тем, как правило, больший поток воздуха может пройти через крыльчатку.
Что значит A/R хаузинга(улитки)
Значение A/R имеет разное влияние на производительность турбинной части и компрессорной.
A/R компрессора практически не влияет на его производительность. Как правило, хаузинги с большим A/R применяются для оптимизации отдачи в приложениях с малым наддувом, а хаузинги с меньшим A/R компрессора используются для больших значений наддува.
Также при выборе A/R следует принимать во внимание эффективность всего выпускного тракта после турбины. Использование прямоточных выхлопных систем большого сечения позволяет использовать чуть меньший А/Р турбины и при той же пиковой мощности получить более ранний выход на наддув.
Виды выпускных коллекторов и их влияние.
В основном все турбоколлекторы делятся на два типа: литые log-style и трубные сварные:
Дизайн турбоколлектора довольно сложный процесс т.к. очень много факторов должно быть принянто во внимание. Ниже приведены общие советы для достижения максимальной производительности:
— Старайтесь использовать максимально возможный радиус поворотов, т.к. как каждый крутой изгиб ранера поглощает часть полезной энергии потоков газа.
— Добивайтесь равной длины ранеров для избежания перекрестного наложения выхлопных импульсов.
— Избегайте резких изменений сечения
— В сводах ранеров избегайте резких углов для сохранения направления и скорости потока
— Для лучшей отзывчивости турбины избегайте больших объемов коллектора, для большей пиковой мощности, наоборот, может быть использован больший объем коллектора
— Оптимально выбирайте длину ранеров и объем коллектора в зависимости от объема мотора и диапазона оборотов на которых необходимо получить наилучшую отдачу
Литые коллектора чаще всего применяются в заводских гражданских компоновках, в то время как сварные трубные коллекторы чаще применяются в спортивных вариантах моторов. Оба вида имеют свои достоинства и недостатки.
Литые коллекторы обычно весьма компактны и более дешевы при массовом производстве.
Трубные коллекторы могут быть изготовлены в малых сериях или единичных экземплярах для конкретного случая и не требуют такой сложной предварительной организации производства как литые. Правильно разработанный и изготовленный трубный коллектор обеспечивает длительный срок эксплуатации и значительное улучшение производительности по сравнению с литым log-style коллектором.
Твинскрольные коллекторы
Назначение такой конструкции в разделении цилиндров, чьи рабочие циклы могут пересекаться между собой и для лучшего использования выхлопного импульса каждого цилиндра.
Наример, на 4-х цилиндровом моторе с порядком работы цилиндров 1-3-4-2, цилиндр #1 начинает свою фазу выпуска пока еще не закончена выпускная фаза в цилиндре #2, и его выпускной клапан открыт, а в зависимости от величины перекрытия, в этот момент может быть открыт и впускной клапан цилиндра #2. В нетвинскрольном коллекторе импульс высокого давления из цилиндра #1, попав в коллектор, сбивает течение потока цилиндра #2 не позволяя ему хорошо продуться в своей начальной стадии впуска. Также при этом, сам поток из цилиндра #1 теряет часть своей энергии.
Пример твинскрольного турбинного хаузинга:
Более эффективное использование энергии выхлопных газов в твинскрольных системах ведет к улучшению отзывчивости турбины на малых оборотах и большей мощности на больших.
Степень сжатия турбомоторов.
Основными факторами, вызывающими детонацию являются:
Теперь, когда мы разобрались с общими факторами связанными с детонацией, поговорим о степени сжатия. Степень сжатия (СЖ) определена как:
СЖ заводских моторов будет разной для атмосферного и турбомотора. Например стоковый мотор Honda S2000 имеет СЖ равную 11.1:1, в то время как турбомотор Subaru WRX имеет СЖ 8.8:1.
Существует много факторов влияющих на максимально допустимую СЖ. Нет одного простого ответа какой она должна быть. В общем случае, СЖ должна быть выбрана максимально возможной для предотвращения детонации, с одной стороны, и обеспечения максимального КПД двигателя, с другой. Факторами влияющими на выбор СЖ в каждом конкретном случае являются: октановое число применяемого топлива, давление наддува, температура воздуха в предполагаемых режимах эксплуатации, форма камеры сгорания, фазы клапанного механизма и противодавление в коллекторе.
Многие современные атмосферные моторы имеют хороший дизайн камеры сгорания и большую стойкость к детонации, что при правильной настройке блока управления позволяет устанавливать на них турбонаддув не меняя заводскую степень сжатия.
Что такое AFR или соотношение воздух/топливо.
При обсуждении вопроса настройки двигателя, выбраный AFR, наверное, наиболее часто встречающийся вопрос. Правильный AFR имеет крайне высокое влияние на общую производительность и надежность мотора и его компонентов.
AFR определен как соотношение количества воздуха зашедшего в цилиндр к количеству зашедшего в него топлива. Стехиометрическая смесь это смесь при которой происходит полное сгорание топлива. Для бензиновых двигателей стехиометрией является соотношение 14.7:1. Это означает что на каждую часть топлива приходится 14.7 частей воздуха.
Что означают понятия «бедная» и «богатая» смесь? Более низкие значения AFR означают меньшее количество воздуха относительно топлива и такая смесь называется богатой. Аналогично, большие значения AFR означают больше воздуха относительно топлива и называются бедной смесью.
Например:
15.0:1 = бедная
14.7:1 = стехиометрическая
13.0:1 = богатая
Реально при настройке существует три способа борьбы с детонацией:
— уменьшение давление наддува
— обогащение смеси
— использование более позднего зажигания.
Задачей настройщика является поиск наилучшего баланса этих трех параметров для получения максимальной отдачи и ресурса турбомотора.
По материалам Garrett TurboTech.
Перевод и адаптация Oleg Coupe (TurboGarage)
При использовании материалов ссылка на источник обязательна.
Основы турбонаддува. Часть 2
Понятие Trim
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:
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:
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.
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):
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).
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.
Пример турбинного твинскрольного хаузинга:
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;
— 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:
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.
AFR=16,0:1 – бедная,
AFR=14,7:1 – стехиометрическая,
AFR=14,0:1 – богатая.
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.
Понятие A/R хаузинга
A/R (Area/Radius) описывает геометрическую характеристику компрессорного или турбинного хаузинга. Технически A/R означает отношение сечения канала хаузинга, деленое на расстояние от центра вала до центра этого сечения:
Значение A/R имеет разное влияние на производительность турбинной части и компрессорной.
A/R компрессора практически не влияет на его производительность. Как правило, хаузинги с большим A/R применяются для оптимизации отдачи в приложениях с малым наддувом, а хаузинги с меньшим A/R компрессора используются для больших значений наддува.
A/R турбины, наоборот, значительно влияет на ее производительность, определяя ее способность пропустить тот или иной поток воздуха. Использование меньшего A/R увеличивает скорость потока в турбинном хаузинге, приходящего на турбинное колесо. Это дает возможность увеличить отдачу турбины на низких нагрузках, приводит к более быстрому отклику на дроссель и снижает значение минимальных оборотов двигателя, требуемых для выхода турбины на рабочий наддув. Тем не менее, меньший A/R приводит к тому, что газ попадает на крыльчатку практически по касательной, что уменьшает максимальный поток газа который турбинное колесо способно пропустить. Это также увеличивает подпор газа перед турбиной, ухудшает продувку мотора на высоких оборотах, повышает EGT и как результат всего этого снижает максимальную пиковую мощность.
Также при выборе A/R следует принимать во внимание эффективность всего выпускного тракта после турбины. Использование прямоточных выхлопных систем большого сечения позволяет использовать чуть меньший А/Р турбины и при той же пиковой мощности получить более ранний выход на наддув.
1.7K 1 сентября 2014 Комментарии
Хаузинг турбины что это
Технический Маньяк-Гуру 
Репутация: 
134 
Основные принципы работы турбодвигателя. Часть 1.
Каким же образом турбокомпрессор позволит нам получить больше воздуха в цилиндрах нашего мотора? Давайте взглянем на приведенную ниже диаграмму:
Рассмотрим основные этапы прохождения воздуха в двигателе с турбокомпрессором:
Ниже приведена схема внутреннего устройства турбокомпрессора:
В зависимости от конкретного мотора и его компоновки под капотом, турбокомпрессор может иметь дополнительные встроенные элементы, такие как Wastegate и Blow-Off. Рассмотрим их подробнее:
Wastegate:
Представляет собой механический клапан установленный на турбинной части или на выпускном коллекторе и обеспечивающий контроль за создаваемым турбокомпрессором давлением. Некоторые дизельные моторы используют турбины без вейстгейтов. Тем не менее, подавляющее большинство бензиновых моторов обязательно требуют его наличия. Основной задачей вейстгейта является обеспечивать выхлопным газам возможность выхода из системы в обход турбины. Пуская часть газов в обход турбины, мы контролируем количество энергии газов, которое уходит через вал на компрессор и, тем самым, управляем давлением наддува, создаваемым компрессором. Как правило, вейстгейт использует давление наддува и давление встроенной пружины, что бы контролировать обходной поток выхлопных газов.
Встроенный вейстгейт состоит из заслонки, встроенной в турбинный хаузинг (улитку), пневматического актуатора, и тяги от актуатора к заслонке.
Внешний гейт представляет собой клапан, устанавливаемый на выпускной коллектор до турбины. Преимуществом внешнего гейта является то, что сбрасываемый им обходной поток может быть возвращен в выхлопную систему далеко от выхода из турбины или вообще сброшен в атмосферу на спортивных автомобилях. Все это ведет к улучшению прохождения газов через турбину ввиду отсутствия разнонаправленных потоков в компактном объеме турбинного хаузинга.
Водяное и масляное обеспечение:
Шарикоподшипниковые турбины Garrett требуют значительно меньше масла чем втулочные аналоги. Поэтому установка маслянного рестриктора на входе в турбину крайне рекомендована, если давление масла в вашей системе превышает 4 атм. Слив масла должен быть заведен в поддон выше уровня масла. Поскольку слив масла из турбины происходит естественным путем под действием гравитации, крайне важно, чтобы центральный картридж турбины был ориентирован сливом масла вниз.
Частой причиной выхода из строя турбин является закоксовка маслом в центральном картридже. Быстрая остановка мотора после больших продолжительных нагрузок ведет к теплообмену между турбиной и нагретым выпускным коллектором, что в отсутствии притока свежего масла и поступления холодного воздуха в компрессор ведет к общему перегреву картриджа и закоксовке имеющегося в нем масла.
Для минимизации этого эффекта турбины снабдили водяным охлаждением. Водные шланги обеспечивают эффект сифона снижая температуру в центральном картридже даже после остановки двигателя, когда нет принудительной циркуляции воды. Желательно также обеспечить минимум неравномерности по вертикали линии подачи воды, а также несколько развернуть центральный картридж вокруг оси турбины на угол до 25 градусов.
Правильный подбор турбины является ключевым моментом в постройке турбомотора и основан на многих вводных данных. Самым основным фактом выбора является требуемая от мотора мощность. Важно также выбирать эту цифру максимально реалистично для вашего мотора. Поскольку мощность мотора зависит от количества топливовоздушной смеси, которая через него проходит за единицу времени, определив целевую мощность, мы приступим к выбору турбины способной обеспечить необходимый для этой мощности поток воздуха.
Другим крайне важным фактором выбора турбины является скорость ее выхода на наддув и минимальные обороты двигателя, на которых это происходит. Меньшая турбина или меньший горячий хаузинг позволяют улучшить эти показатели, но максимальная мощность при этом будет снижена. Тем не менее, за счет большего рабочего диапазона работы двигателя и быстрого выхода турбины на наддув при открытии дросселя в целом результат может быть значительно лучше, чем при использовании большей турбины с большой пиковой мощностью, но в узком верхнем диапазоне работы мотора.
Втулочные и шарикоподшипниковые турбины.
Втулочные турбины были самыми распространенными в течение долгого времени, тем не менее, новые и более эффективные шарикоподшипниковые турбины используются все чаще. Шарикоподшипниковые турбины появились как результат работы Garrett Motorsport во многих гоночных сериях.
Отзывчивость турбины на дроссель в значительной степени зависит от конструкции центрального картриджа. Шарикоподшипниковые турбины Garrett обеспечивают на 15% более быстрый выход на наддув относительно их втулочных аналогов, снижая эффект турбо-ямы и приближая ощущение от турбо-мотора к атмосферному большеобъемнику.
Шарикоподшипниковые турбины также требуют значительно меньшего потока масла через картридж для смазки подшипников. Это снижает вероятность утечек масла через сальники. Такие турбины менее требовательны к качеству масла и менее склонны к закоксовке после глушения двигателя.
Trim это общепринятый термин, используемый при описании турбинного или компрессорного колеса турбины. Например, вы часто могли слышать фразу «У меня стоит турбина GT2871R с 56 Trim». Так что же это такое? Trim это величина, показывающая соотношение между индюсером (inducer) и эксдюсером (exducer) турбинного или компрессорного колеса. Еще более точно, это соотношение их площадей.
Например:
Турбина GT2871R (Garrett part number 743347-2) имеет компрессорное колесо с:
Диаметр индюсера: 53.1мм
Диаметр эксдюсера: 71.0мм
Таким образом Trim для него будет:
Trim крыльчатки, как компрессора, так и турбины напрямую влияет на ее производительность. Чем больше величина trim тем, как правило, больший поток воздуха может пройти через крыльчатку.
Понятие A/R хаузинга
A/R (Area/Radius) описывает геометрическую характеристику компрессорного или турбинного хаузинга. Технически A/R означает отношение сечения канала хаузинга, деленное на расстояние от центра вала до центра этого сечения:
Значение A/R имеет разное влияние на производительность турбинной части и компрессорной.
A/R компрессора практически не влияет на его производительность. Как правило, хаузинги с большим A/R применяются для оптимизации отдачи в приложениях с малым наддувом, а хаузинги с меньшим A/R компрессора используются для больших значений наддува.
A/R турбины, наоборот, значительно влияет на ее производительность, определяя ее способность пропустить тот или иной поток воздуха. Использование меньшего A/R увеличивает скорость потока в турбинном хаузинге, приходящего на турбинное колесо. Это дает возможность увеличить отдачу турбины на низких нагрузках, приводит к более быстрому отклику на дроссель и снижает значение минимальных оборотов двигателя, требуемых для выхода турбины на рабочий наддув. Тем не менее, меньший A/R приводит к тому, что газ попадает на крыльчатку практически по касательной, что уменьшает максимальный поток газа который турбинное колесо способно пропустить. Это также увеличивает подпор газа перед турбиной, ухудшает продувку мотора на высоких оборотах, повышает EGT и как результат всего этого снижает максимальную пиковую мощность.
Также при выборе A/R следует принимать во внимание эффективность всего выпускного тракта после турбины. Использование прямоточных выхлопных систем большого сечения позволяет использовать чуть меньший А/Р турбины и при той же пиковой мощности получить более ранний выход на наддув.
Виды выпускных коллекторов и их влияние
В основном все турбоколлекторы делятся на два типа: литые log-style и трубные сварные:
Дизайн турбоколлектора довольно сложный процесс т.к. очень много факторов должно быть принято во внимание. Ниже приведены общие советы для достижения максимальной производительности:
— Старайтесь использовать максимально возможный радиус поворотов, т.к. как каждый крутой изгиб ранера поглощает часть полезной энергии потоков газа.
— Добивайтесь равной длины ранеров для избежания перекрестного наложения выхлопных импульсов.
— Избегайте резких изменений сечения
— В сводах ранеров избегайте резких углов для сохранения направления и скорости потока
— Для лучшей отзывчивости турбины избегайте больших объемов коллектора, для большей пиковой мощности, наоборот, может быть использован больший объем коллектора
— Оптимально выбирайте длину ранеров и объем коллектора в зависимости от объема мотора и диапазона оборотов на которых необходимо получить наилучшую отдачу
Литые коллектора чаще всего применяются в заводских гражданских компоновках, в то время как сварные трубные коллекторы чаще применяются в спортивных вариантах моторов. Оба вида имеют свои достоинства и недостатки.
Литые коллекторы обычно весьма компактны и более дешевы при массовом производстве.
Трубные коллекторы могут быть изготовлены в малых сериях или единичных экземплярах для конкретного случая и не требуют такой сложной предварительной организации производства как литые. Правильно разработанный и изготовленный трубный коллектор обеспечивает длительный срок эксплуатации и значительное улучшение производительности по сравнению с литым log-style коллектором.
Твинскольный коллектор может быть как литым так и сварным трубным и используется в паре с соответствующим твинскольным турбинным хаузингом.
Назначение такой конструкции в разделении цилиндров, чьи рабочие циклы могут пересекаться между собой и для лучшего использования выхлопного импульса каждого цилиндра.
Например, на 4-х цилиндровом моторе с порядком работы цилиндров 1-3-4-2, цилиндр #1 начинает свою фазу выпуска пока еще не закончена выпускная фаза в цилиндре #2, и его выпускной клапан открыт, а в зависимости от величины перекрытия, в этот момент может быть открыт и впускной клапан цилиндра #2. В нетвинскрольном коллекторе импульс высокого давления из цилиндра #1, попав в коллектор, сбивает течение потока цилиндра #2 не позволяя ему хорошо продуться в своей начальной стадии впуска. Также при этом, сам поток из цилиндра #1 теряет часть своей энергии.
Пример твинскрольного турбинного хаузинга:
Более эффективное использование энергии выхлопных газов в твинскрольных системах ведет к улучшению отзывчивости турбины на малых оборотах и большей мощности на больших.
Степень сжатия турбомоторов.
Основными факторами, вызывающими детонацию являются:
Теперь, когда мы разобрались с общими факторами связанными с детонацией, поговорим о степени сжатия. Степень сжатия (СЖ) определена как:
СЖ заводских моторов будет разной для атмосферного и турбомотора. Например стоковый мотор Honda S2000 имеет СЖ равную 11.1:1, в то время как турбомотор Subaru WRX имеет СЖ 8.8:1.
Существует много факторов влияющих на максимально допустимую СЖ. Нет одного простого ответа какой она должна быть. В общем случае, СЖ должна быть выбрана максимально возможной для предотвращения детонации, с одной стороны, и обеспечения максимального КПД двигателя, с другой. Факторами влияющими на выбор СЖ в каждом конкретном случае являются: октановое число применяемого топлива, давление наддува, температура воздуха в предполагаемых режимах эксплуатации, форма камеры сгорания, фазы клапанного механизма и противодавление в коллекторе.
Многие современные атмосферные моторы имеют хороший дизайн камеры сгорания и большую стойкость к детонации, что при правильной настройке блока управления позволяет устанавливать на них турбонаддув не меняя заводскую степень сжатия.
Обычной практикой при турбировании атмосферных моторов является увеличение мощности на 60-100% относительно заводской. Тем не менее, для значительных значений наддува требуется уменьшение заводской СЖ.
AFR или соотношение воздух/топливо.
При обсуждении вопроса настройки двигателя, выбранный AFR, наверное, наиболее часто встречающийся вопрос. Правильный AFR имеет крайне высокое влияние на общую производительность и надежность мотора и его компонентов.
AFR определен как соотношение количества воздуха зашедшего в цилиндр к количеству зашедшего в него топлива. Стехиометрическая смесь это смесь при которой происходит полное сгорание топлива. Для бензиновых двигателей стехиометрией является соотношение 14.7:1. Это означает что на каждую часть топлива приходится 14.7 частей воздуха.
Что означают понятия «бедная» и «богатая» смесь? Более низкие значения AFR означают меньшее количество воздуха относительно топлива и такая смесь называется богатой. Аналогично, большие значения AFR означают больше воздуха относительно топлива и называются бедной смесью.
Например:
15.0:1 = бедная
14.7:1 = стехиометрическая
13.0:1 = богатая
Реально при настройке существует три способа борьбы с детонацией:
— уменьшение давление наддува
— обогащение смеси
— использование более позднего зажигания.
Задачей настройщика является поиск наилучшего баланса этих трех параметров для получения максимальной отдачи и ресурса турбомотора.
Для начала обозначим и разъясним некоторые термины, с которыми нам придется столкнуться в этой статье:
Понятие абсолютного и относительного давления.
Под абсолютным давлением мы будем понимать давление относительно полного вакуума. Соответственно оно может быть только больше или равным нулю. На Земле на уровне моря оно принято равным одной атмосфере или 1атм.
Под относительным давлением мы будем понимать давление относительно атмосферного. Соответственно оно может быть как положительным так и отрицательным, в зависимости от того больше или меньше оно чем атмосферное.
Составляющие компрессорной карты
Компрессорная карта это график, описывающий конкретные характеристики компрессора в различных режимах его работы. Среди этих характеристик мы разберем: эффективность компрессора, диапазон массового расхода воздуха, возможности работы на разных давлениях наддува, а так же скорость вращения вала турбины.
Ниже приведена типичная компрессорная карта с названиями ее составляющих.
Рассмотрим их по порядку:
По вертикальной оси у нас расположен Pressure Ratio, или «соотношение давлений», величина, описываемая как отношение абсолютного давления на выходе из компрессора к абсолютному давлению на его входе:
*Очень грубо говоря эта величина просто показывает во сколько раз компрессор сжал воздух.
Как рассчитать Pressure Ratio: К примеру мы хотим рассмотреть ситуацию работы компрессора при 0.7 атм наддува в коллекторе. Для начала вспомним что «наддув» это относительное давление, а мы везде оперируем только абсолютным. Поэтому сразу добавляем к нему 1.0 атмосферного давления и дальше имеем в виду что у нас 1.7атм абсолютного давления в коллекторе
. В нашем случае, при нормальном атмосферном давлении на входе в турбину, соотношение давлений будет таким:
PR = Pcr/Pin = 1.7/1.0 = 1.7
Но на самом деле все несколько сложнее. В виду наличия в системе воздушного фильтра давление на входе в компрессор, как правило, несколько меньше атмосферного. В зависимости от размера и качества фильтра оно может быть меньше на 0.02-0.10атм. Допустим у нас оно меньше атмосферного на 0.05атм.
Тогда наша формула приобретет следующий вид:
PR = 1.7/(1.0-0.05) = 1.7 / 0.95 = 1.79
В случае спортивной машины без воздушного фильтра, мы можем принять наш делитель всегда равным единице и просто считать PR = 1 + ДавлениеНаВыходе.
Air Flow или расход воздуха
По горизонтальной оси у нас расположен «массовый расход воздуха».
Поскольку, как мы уже проходили, мощность двигателя напрямую зависит от количества топливо-воздушной смеси которая проходит через него, массовый расход, это, одна из главных характеристик которую мы можем получить, изучая компрессорную карту. При прохождении через мотор 1 фунта воздуха в минуту, современные моторы вырабатывает в среднем 9-11 лошадиных сил мощности. Соответственно даже беглый взгляд на компрессорную карту может нам сказать, на какую потенциальную мощность мы можем рассчитывать с этой турбиной. На приведенном выше примере, область работы компрессора заканчивается примерно на 52 фунтах, соответственно эту турбину грубо можно сразу оценить на 500лс.
Граница Surge это крайняя левая линия компрессорной карты. Работа компрессора левее этой границы, т.е. за пределами обозначенной компрессорной картой, связанна с нестабильностью воздушного потока, всплесками и провалами наддува. Длительная работа компрессора в таком режиме приводит к преждевременному выходу его из строя в виду большой переменной нагрузки на подшипники и крыльчатку компрессора.
Турбина может попасть в режим Surge в одном из двух случаев.
Еще одним способом, помогающим снизить вероятность попадания компрессора в зону Surge является использование компрессорного хаузинга с так называемым «Ported Shroud». Фактически это обводные воздушные каналы, встроенные в компрессорный хаузинг:
Благодаря этим каналам удается сместить границу Surge левее по компрессорной карте, за счет того что часть воздуха может выйти из компрессора назад во впуск. Это позволяет при прочих равных использовать больший компрессор на меньшей турбинной части без возникновения эффекта Surge. Ниже приведено сравнение двух компрессорных карт: с обычным компрессорным хаузингом и со встроенными обводными каналами:
Видно, что есть довольно значительная область карты красного цвета, которая является рабочей для турбины с портированным компрессорным хаузингом, но при этом находится левее границы Surge карты синего цвета, соответствующей обычному хаузингу.
Как это выглядит в реальной жизни? Ниже приведено фото двух турбин 30й серии, первая 3071 без «Ported Shroud», вторая 3076 с заводским «Ported Shroud»
Так же бывает возможность доработки заводского компрессорного хаузинга под «Ported Shroud», если с завода он не был изготовлен. Например в случае GT3582R это выглядит так:
Посмотрим еще раз на нашу компрессорную карту и рассмотрим последние три составляющих:
«Предельная граница эффективности», «Зоны эффективности компрессора» и «Скорость вращения турбины»
Предельная граница эффективности компрессора
Как линия Surge ограничивает карту слева, так граница эффективности ограничивает ее справа. Garrett на своих картах указывает область работы компрессора до 60-58% эффективности. Все, что находится правее этой границы, будет иметь эффективность ниже 58% и использование компрессора в этой области теряет смысл. За этим пределом начинается неоправданно большой нагрев сжимаемого компрессором воздуха, а скорость вращения турбины выходит за допускаемые производителем значения.
Зоны эффективности компрессора
Мы видим концентрические замкнутые линии, расходящиеся из центральной области карты. Возле каждой такой линии подписано значение эффективности компрессора внутри области очерченной этой линией. Самая маленькая область в центральной части соответствует максимально возможной эффективности компрессора. По мере удаления от центра мы будем попадать в области все меньшей и меньшей эффективности пока не упремся либо в предел по Surge слева, либо в предел по производительности справа.
Скорость вращения турбины
Линии, обозначенные на карте как «скорость вращения турбины», показывают с какой скоростью будет вращаться вал турбины в этой области. Значения выражаются в оборотах вала за минуту времени. С ростом скорости вращения турбины у нас увеличивается давление и/или расход воздуха через компрессор. Как видно, эти линии начинают сходиться в области границы зоны эффективности и, как уже было сказано выше, за пределами этой области скорость вращения турбины быстро увеличивается за пределы допустимого.
На этом мы заканчиваем рассмотрение компрессорной карты и теперь, понимая что на ней изображено, в следующей главе мы перейдем к изучению процесса подбора турбины под конкретный мотор.
Делай все хорошо, хреново сделать всегда успеешь!