ТУРБОКОЭФФИЦИЕНТЫ | Сводки ДТП в России, Украине, мире. Видео ДТП

ТУРБОКОЭФФИЦИЕНТЫ


Турбирование двигателей внутреннего сгорания —самый эффективный способ увеличения их мощности. Каждая вновь приобретенная лошадиная сила, полученная после установки турбочарджера, получается дешевле, нежели при других путях апгрейда мотора. Но думаю о турбине не стоит забывать и про другие важные агрегаты автомобиля, такие как бензонасос, элементы подвески и т.д.
Всем про это известно…
На самом деле не высокая эффективность доработки моторов посредством турбин стала поводом обратиться к теоретическим основам этой процедуры. Тем более, в условиях сегодняшнего состояния экономики ожидаемая дешевизна приобретенных «лошадей», вычисляемая главным образом за
счет их количества, нивелируется размером общих вложений. Просто на протяжении довольно долгого времени все многочисленные публикации о доработках автомобилей на темутурбирования преподносят в несколько однобокой манере. Подробнейшие повествования о поэтапной подготовке двигателя с разбором технологических операций и оценки конструктивных особенностей каждой детали, выбираемой для кривошипно — шатунного механизма, цилиндропоршневой группы, ГРМ и т.д., подойдя ктеметурбирования, как правило, странным образом обрываются примерно так: «Параметры кастом турбосистемы остались засекреченным know — how ее изготовителя». А когда речь
идет о конструкциях турбосистем с различной принципиальной схемой, чаще всего особенности их работы подлежат рассмотрению только относительно друг друга. О характеристиках же, влияющих на величину отдачи силового агрегата, нет ни слова. То, как все работает расписано досконально, а о том, сколько вырабатывает та или иная замечательная конфигурация —ничего.
Отчеты о проделанной тюнерами работе тоже не отличаются информативностью. В них практически не встречается хотя бы перечисление руководящих принципов выбора турбочарджеров. Обычно все ограничивается лишь наименованием установленной модели без обоснования предпочтений.
Вместо этого можно прочесть фразы типа: «Про турбирование всем все известно».
Поддавшись силе подобных выражений, можно легко впасть в заблуждение о степени своей информированности, подобно Кисе Воробьянинову в одной из экранизаций «12 стульев», уверовавшему в знание им немецкого языка. Заблуждения и неточности вообще имеют свойство укрепляться в сознании человека, порой приобретая свойства аксиом.
Вот, к примеру, если спросить любого, более-менее сведущего в технике человека, о том, чему равна мощность двигателя, то с огромной долей вероятности в ответ получим: «Мощность равна произведению крутящего момента и оборотов коленвала». Услышав и запомнив нехитрую формулу, тюнер — новичок проведет немало времени, подставляя известные параметры в это уравнение, удивляясь величине получаемых искомых. И только потом к нему придет осознание необходимости присутствия в уравнении фундамента инжиниринга —коэффициента. То есть, изначально сообщение о равенстве содержало неточность. Хоть это и не назвать большой ошибкой, но все-таки лучше сюда подходит понятие эквивалентности.
формула мощности
Мощность, как величина механической энергии, выдаваемой двигателем внутреннего сгорания, измеряется в крутящем моменте, получаемом при определенных оборотах. Вычислить ее значения можно по формулам:
Ne =п Me /716,2
или
Ne =п Me /9000,55,
где Ne —мощность, п —обороты коленвала, Me —крутящий момент.
Естественно, долгое отсутствие элементов турботеории в периодических автомобильных изданиях ни в коем случае не отразилось на среднем уровне знаний в тюнинговой среде. Те, кто дорабатывал таким образом двигатели, подтвердят, что для осуществления своих планов совсем не обязательно уметь щелкать как орехи дифференциальные уравнения, логарифмы и прочие мудреные формы вычислений из программы высшей или самой обычной математики. Необходимые для решения подобной задачи навыки, скорее, ближе к арифметике, а довольно большая их часть и вовсе сродни простейшей геометрии. Провести две пересекающиеся под углом 90 градусов прямые на графике —задача не из разряда затруднительных. Огромное количество, опять же, коэффициентов, полученных благодаря системным лабораторным исследованиям для замещения ими сложных функциональных зависимостей параметров газодинамических процессов, еще более упрощают решения задачи подбора турбочарджера. Но, все же, держа в голове постоянно прибавляющееся количество вновь пристрастившихся к тюнингу, повторить теоретические аспекты не будет лишним.
Точки отсчета
Совсем не просто так в предыдущей главе была упомянута формула мощности мотора. Если вести разговор именно только о турбочарджере, принимая все работы по необходимому укреплению и совершенствованию деталей двигателя как уже свершившийся факт, то именно мощность служит точкой отсчета, с которой начинается выбор размеров турбосистемы. Конечно, желание снять побольше сил обязательно будет ограничено способностью двигателя выдерживать повышенные нагрузки. Поэтому мечтая о «лошадях», несмотря на то, что для получения их умопомрачительного количества обязательно найдется подходящий турбокомпрессор, нужно помнить и таком понятии как ресурс.
еще одна формула мощности
Формулу для подсчета мощности можно записать и отталкиваясь от геометрии мотора:
Ne=PaLAm»ii/2r,
где Ра —эффективное давление действующее на поршень, L —ход поршня, А —площадь поршня, тц —число цилиндров, п —обороты в минуту. Собственно это та же формула, что и приведенная ранее, просто крутящий момент здесь представлен как произведение площади и хода поршня, а также давления на него. В этом уравнении часть тц п/2 описывает число рабочих ходов 4 — тактного двигателя, совершаемые за одну минуту. Во избежание излишних нагромождений значение коэффициента приведения обозначим как г, без учета размерностей остальных переменных, поскольку в представленной форме уравнение имеет, скорее, логическую, нежели вычислительную ценность.
Из связи крутящего момента с давлением на поршень и геометрией цилиндра нетрудно увидеть, что наибольшие резервы роста мощности без кардинального пересмотра конструкции двигателя лежат в повышении давления при рабочем ходе. Давление это, конечно, зависит от эффективности процесса сгорания топлива,но в большей степени на него оказывает влияние масса
I Ш расход воздуха через ) двигатель
Полное уравнение расхода воздуха через цилиндры двигателя выглядит так:
Ge=kNegenl,
где к=0,28 10~в —коэффициент приведения, ge —удельный расход топлива,а —коэффициент избытка воздуха, 1-14,5 —показатель стехиометрического состава смеси.
При решении этого уравнения значения удельного расхода воздуха и избытка воздуха устанавливаются, исходя из испытаний двигателей, аналогичных конструкций. Таким образом, расход выражен как функция мощности, но его можно выразить и как функцию степени повышения давления на впуске и оборотов мотора:
Gb=VIi п Пдр0 рц/1,2 105,
где Vh —рабочий объем мотора, Пу —коэффициент наполнения, on —плотность воздуха при нормальных атмосферных условиях, рк —коэффициент, учитывающий увеличение плотности воздуха в компрессоре.
Степень повышения давления, являющаяся одним из основных показателей, отображаемых производителями в характеристиках тур — бочарджеров, определяется как раз исходя из коэффициента Р|. Правда связь эта имеет довольно сложную формулу, к тому же меняющуюся в зависимости от наличия и вида конструкции теплообменника втурбосистеме. Причем часть переменных в этих формулах определяется по таблицам газодинамических функций в зависимости от значений других переменных. Приводить эти таблицы в журнале бессмысленно. Во-первых, они займут весь объем очередного номера. Во-вторых, расчет по этой методике больше подходит для конструирования турбочарджера с чистого листа, а для выбора образца из готовой продукции вполне можно обойтись и менее громоздкими вычислениями.
топливовоздушной смеси, заключенная в объеме цилиндра. Поскольку состав смеси колеблется в крайне ограниченных пределах, ее количество полностью описывается расходом воздуха через двигатель.
По расходу воздуха в качестве основного критерия и степени повышения давления выбирают одну из двух ставных частей турбочарджера —компрессорную. Определение же параметров турбинной части исходит из того, что величина давления в компрессоре зависит от результирующей линейной скорости бесконечно малого объема воздуха на наружной кромке лопатки компрессорного колеса. Иначе говоря, она зависит от диаметра последнего и скорости вращения, которая задается турбиной.
Если от компрессора в большей степени зависят пиковые значения мощности тур — бированного мотора, то от турбины —характеристики выхода на различные режимы работы. Поэтому задача подбора турбосистемы двуедина. Приступая к рассмотрению претендентов на место под капотом, сначала нужно определиться не только с уровнем желаемой мощности, но и с тем, как машина
обратный инжиниринг
В автомобильной науке множество условностей и допущений. Можно, конечно, относиться к ним пренебрежительно, называя обратным инжинирингом, но на протяжении многих десятилетий такая методика давала достойный результат. Современные методы вычисления, подкрепленные возможностями компьютерной техники, позволяют досконально проработать все нюансы конструкции. Однако при тюнинге столь громоздкие вычисления неоправданны, поскольку технологические возможности самостоятельных изысканий ограничены. Ну, в самом деле, как в непромышленных условиях, например, модифицировать инконелевое колесо турбины, даже если благодаря собственным расчетам удалось найти резервы для повышения отдачи мотора. При тюнинге обычно расчеты выполняют для определения параметров выбора из уже существующих типоразмеров, и для этого достаточно упрощенной схемы расчетов, которой пользовались инженеры до появления электронных средств вычислений.
будет эксплуатироваться. Причем второе, пожалуй, даже важнее, что совпадает с общим правилом для всех систем как при тюнинге, так и при проектировании автомобиля в целом.
Автомобиль в большинстве случаев является многофункциональным средством передвижения. Но даже строя машину под определенные цели при подборе турбочарджера придется искать компромисс в величинах турболага, температуры, скорости выхода на рабочий режим, крутящего момента и мощности на низах.
Правильный выбор обеспечит низкое сопротивление системы, малозаметную турбояму, низкую температуру топливного заряда и низкое давление в выпускном коллекторе. Но каков бы ни был выбор, все равно придется пожертвовать либо моментом на низах, либо максимумом мощности вверху. Впрочем, для устранения этих недостатков существуют проверенные решения, досконально расписанные в статьях о конструктивных схемах турбосистем. Сегодня разговор не о них.
Размер турбины
Раз выбор режимов является приоритетным, то вопреки правилу, устоявшемуся у составителей учебных программ, описание поиска оптимальных размеров турбокомпрессора стоит начать с его турбинной части, но перед этим рассмотрим некоторые общие положения.
Турбина призвана раскручивать компрессорную часть до тех скоростей, которые смогут обеспечить в ней желательные величины потока воздуха и давления наддува. Маленькая турбина будет раскручиваться быстрее, чем большая, при той же самой энергии выхлопных газов. Потом, правда, такая турбина создаст большее ограничение потоку выхлопа, а оно вызовет противодавление в выпускном коллекторе —неприятный побочный эффект. Это не означает поиск компромисса. Размер турбинной части, даже когда основной целью выбора является обеспечение максимально возможной скорости раскрутки, должен сохранять уровень противодавления на минимуме.
Давление в выпускном коллекторе служит хорошим показателем успешности того насколько хорошо турбинная часть подобрана для конкретного двигателя. Чем меньше показания манометра, установленного в выпускном коллекторе, тем больше мощности мотора. Давление в выпускном коллекторе не должно превышать давление наддува приблизительно в 2,5 раза.
Резвый отклик турбины на педаль газа, ранний подхват, и, как следствие, ощутимые показатели избытка на впуске, которые расхваливает какой-нибудь производитель турбин малого размера, порадуют только владельцев тихоходных пикапов для перевозки печатной продукции от склада до торгового ларька. Для легкового автомобиля даже при обычном городском режиме с рваным ритмом передвижения такие турбо — малютки становятся проблемой, отбирая уже на оборотах чуть выше средних до 20% мощности.
Процесс выбора турбинной части во многом заключается в оценке двух параметров: размера турбины и отношения A/R. Размер турбины вообще можно оценивать по диаметру ее выходного отверстия. Хотя такой подход, конечно же, грубоват, но все же дает представление о потенциале потока выхлопных газов, пропускаемых турбиной.
Выбор турбины, в отличие от компрессора, в большей степени основывается не на прямых вычислениях, а на результатах измерений.
По графику зависимости расхода воздуха в компрессоре от размера выходного диаметра турбинной части, построенного
по усредненным статистическим результатам тестирования и испытаний существующих турбодвигателей, можно начать рассмотрение группы чарджеров, подпадающих под интересующий диапазон расхода. Более простая формула для вычисления расхода будет приведена в главе, посвященной подбору компрессоров.
У производителей турбокитов имеются собственные графики подобных зависимостей, лучше характеризующие их продукцию. Но в любом случае оценка по этому показателю очень приблизительна.
Отношение A/R
В то время как габарит турбины приблизительно отражает ее способность переваривать поток выхлопных газов, оценка отношения A/R —инструмент более точного подбора ее основных конструктивных размеров. Параметр А, называемый площадью разгрузки, представляет собой площадь сечения конусного канала,организованного по периметру улитки. Параметр R в отношении A/R —расстояние от оси турбинного колеса до линии центра сечений конусного канала улиточной части. Отношение A/R постоянно по всей окружности турбины : A1/R1=A2/R2=A3/R3=A4/R4=A5/R5.
Соотношение A/R применимо и для компрессорной, и для турбинной частей чарджера. Компрессорный A/R незначительно влияет на производительностьтурбосисте — мы, хотя увеличение его часто применяют для некоторого повышения давления при малом расходе у чарджеров небольших размеров. На компрессорах с большим расходом, наоборот, иногда его уменьшают, раздвигая тем самым границы пика наддува.
Гораздо важнее для характеристик системы турбинный A/R. Размер А —существенный фактор, поскольку он определяет
скорость, с которой выхлопные газы выходят из конусной части улитки на лопатки колеса. Это имеет непосредственное отношение к скорости вращения турбины. Чем площадь разгрузки меньше, тем она выше. Необходимо помнить, что площадь разгрузки также влияет и на силу противодавления, стремящуюся вернуть выхлоп обратно в камеру сгорания.
Параметр R тоже существенно сказывается на скорости вращения турбины. Принципиальная зависимость такая же: чем меньше R, тем скорость выше. Но что более весомо, увеличение R дает на валу крыльчатки больший крутящий момент. Это объясняется довольно просто: чем больше рычаг приложения сил, тем больший момент получаем на оси. Выбирать лучше турбину с большим диаметром турбинного колеса, если позволяют условия.
Если ошибочно выбрана турбина со слишком большим значением A/R, то рост давления наддува будет происходить слишком вяло. A/R должно быть настолько большим, чтобы не было препятствий для скорости вращения, достаточной для получения, в конечном счете, необходимого давления в компрессоре.
Если A/R слишком мал, то реакция турбины на переменные условия режимов движения автомобиля будет столь быстрой, что управление машиной станет казаться трудным и нервным. Это также отразится на снижении мощности в верхней трети диапазона оборотов двигателя.
На рис.4 изображена примерная зависимость давления наддува компрессора от давления на входе в турбинную часть при разных значениях A/R. Более точные цифры, служащие отправной точкой выбора отношения A/R, можно получить только путем измерений давления в выпускном коллекторе и давления наддува на впуске непосредственно на двигателе.
Trim
Еще один параметр, характерный для турбинной и компрессорной части, —соотношение входного и выходного диаметров крыльчаток, обозначаемое в спецификациях как Trim. В компрессоре входной диаметр меньше, а в турбине, наоборот, поток газов входит в контакт сначала с лопастями колеса большего диаметра. Тем не менее, Trim в обоих случаях считается как меньший диаметр, деленный на больший. Часто в документации результат деления умножают на 100. Характеризовать Trim как конусность не совсем корректно, поскольку у колес с разной шириной при одинаковом соотношении диаметров фактическая конусность будет разной. Поэтому лучше придерживаться именно понятия Trim.
Для компрессоров меньшее значение Trim означает более быструю раскрутку, но расход у них меньше, нежели у компрессоров с более высоким значением соотношения диаметров колес. Кроме этого, высокий Trim означает, что турбоподхват будет резче. Именно на резкость реакции в первую очередь влияет этот показатель и у турбинных колес.
Количество лопаток
Существуют формулы и для определения количества лопаток на колесе, но результаты вычислений сегодня имеют лишь познавательный эффект, так как за десятилетия сложилась достаточно устойчивое суждение об их численности в зависимости от диаметров колес. Для колес компрессора, если наружный их диаметр не превышает 80 мм, количество лопастей не может быть больше 12-14 для соблюдения условия 3-5 миллиметрового расстояния между входными кромками лопаток у основания наименьшего диаметра. На большем диаметре, естественно, возможно размещение большего количества лопастей. Увеличение их числа приводит к повышению КПД за счет уменьшения зон срыва потока и протечек на периферии. Но с определенного момента начинают расти потери на трение, и КПД перестает повышаться.
В общем случае, с увеличением числа лопаток на колесе сужается диапазон эффективной работы компрессора. Для повышения эффективности с сохранением широты диапазона прибегают к переменному по диаметру количеству лопаток. На меньшем диаметре число лопаток иногда даже уменьшают для сдвига границы помпажа в область меньшей производительности. Уменьшение производится укорочением или
подрезкой лопастей на расстоянии 5-10 мм от входных кромок. Лопатки могут быть укорочены как все, так и через одну.
Раньше конструкторы старались сохранять равенство диаметров колес турбины и компрессора, считая, что это лучший способ обеспечить равную результирующую линейную скорость газов на кромках крыльчаток с обеих сторон чарджера. Собственно это еще и облегчало задачу расчета, так как при таком подходе предполагался и одинаковый расход газов через обе улитки. Но разница в температурах и, соответственно, в плотности выхлопных газов и воздуха все-таки разрушает подобное равенство. Из уравнения степени понижения давления в турбине следует, что диаметры и число лопаток турбинных колес меньше примерно на 10-15%, что подтверждают стендовые показатели.
ширина колеса
Ширина лопаток на выходе практически не оказывает влияние на КПД компрессора, но существенно сказывается на границе возникновения помпажа. При меньшей относительной ширине лопатки имеют меньшую неравномерность, а следовательно и меньшие потери в диффузоре. Увеличение же относительной толщины ведет к смещению возникновения помпажа в зону высокого расхода воздуха. Причем помпаж при этом имеет довольно жесткий характер, а зона мягкого помпажа значительно расширяется. Мягкий помпаж не способен вызвать разрушающее воздействие на детали турбины, но вполне может вмешаться в работу двигателя, устроив нежелательные резонансные явления.

Другие ДТП и полезная информация:

Вы можете оставить комментарий, или отправить trackback с Вашего собственного сайта.

Написать комментарий


728x90