для чего на двигателях внутреннего сгорания применяют турбонаддув
Турбонаддув — принцип действия, достоинства и недостатки
Статья о том, что такое турбонаддув, как он работает, его основные плюсы и минусы. В конце статьи — видео об особенностях и принципах работы турбонаддува. Статья о том, что такое турбонаддув, как он работает, его основные плюсы и минусы. В конце статьи — видео об особенностях и принципах работы турбонаддува.
Автомобильный двигатель должен обладать такими характеристиками, которые позволили бы ему не отставать от современности. Технические усовершенствования с каждым годом даются все труднее, потому что велосипед-то изобретать никому не хочется, а улучшать качество мотора необходимо.
Поэтому весьма неплохим решением является использование системы принудительного нагнетания воздуха в камеру сгорания. Самые последние инженерные конструкции охватывают не только улучшение принудительного нагнетания воздуха в топливную систему, но и установку такого же устройства в систему выхлопа отработанных газов.
Для чего нужен турбонаддув
Чтобы понимать важность работы турбонаддува и принцип его действия, необходимо знать, что двигатель не может потреблять топливо в чистом виде. Для вспышки бензина в герметичной емкости нужен воздух, иначе двигатель работать не будет.
То есть, в камеру сгорания должна поступать смесь, состоящая из топлива и воздуха в нужной пропорции. В цилиндре эта смесь сгорает. Появившиеся в результате сгорания газы совершают свою главную работу и затем удаляются через систему выхлопа.
Проще говоря, с помощью турбонаддува воздух сжимается, и в камеру сгорания он поступает в большем количестве, нежели при атмосферном давлении.
Устройство и принцип работы турбонагнетателя
Главная деталь нагнетателя, выполняющая основную функцию – это крыльчатка с лопастями. Вращаясь с огромной скоростью (200 тыс. оборотов в минуту) и действуя как компрессор, она закачивает воздух в турбинную камеру.
После этого происходит сжатие воздуха, за счет чего объем, который этот воздух занимает, уменьшается. Однако давно известно, что по законам физики во время сжатия воздух имеет свойство нагреваться. И это является главным недостатком системы турбонаддува.
Разумеется, эта проблема не могла пройти мимо внимания конструкторов. Решая эту задачу, специалисты попробовали использовать промежуточное охлаждение воздуха на пути его перехода в двигатель.
В результате появился интеркулер. В этом устройстве применяется эффект теплообменника, который имеет свойство охлаждать воздух за счет хладагента. Интеркулер способен увеличить мощность мотора до 20%, и при этом он еще снижает вероятность детонации выхлопных газов.
Особой разницы между турбонаддувом бензиновых и дизельных двигателей почти нет. Отличие лишь в степени наддува. Дизельные двигатели требуют большего давления, и поэтому они оснащены более мощными нагнетателями воздуха. В бензиновых моторах установлены нагнетатели меньшей мощности, потому что при слишком большом давлении в камере сгорания может возникнуть детонация.
Преимущества турбонаддува
«Дармовая» дополнительная мощность. Существует расхожее мнение: наличие добавочной турбины на выхлопном коллекторе мотора порождает добавочную энергию, которая должна вращать точно такую же турбину на впуске, в результате чего выхлопные газы становятся бесплатным источником энергии для нагнетателя.
Однако эта концепция весьма спорная, потому что существует так называемое сопротивление выпуска. Автомобильные конструкторы многие десятилетия добивались снижения этого сопротивления, потому что именно в этом случае повысится мощность двигателя.
Для этого в систему монтируется специальное генерирующее устройство, которое значительно снижает выходное сопротивление. Поэтому было бы неправильным считать работу турбонаддува на дармовой энергии. «Дешевая придаточная энергия» — это будет звучать более точно.
В техническом отношении этот процесс не представляет ничего сложного. Нагнетатель представляет собой устройство, состоящее из двух колес – компрессорного и турбинного. Турбинное колесо захватывает выхлопные газы, приводящие его в движение. В результате начинает вращаться и компрессорное колесо, которое и служит для сжатия воздуха.
Компрессор в обязательном порядке контактирует с системой охлаждения, потому что в процессе действия его температура поднимается довольно высоко. Сила наддува регулируется с помощью перепускного клапана. В случае необходимости он может переводить часть выхлопа мимо турбины, чтобы понизить внутрисистемное давление.
Повышение мощности двигателя без увеличения его объема и массы. Технология турбонаддува позволяет повышать мощность двигателя без увеличения объема цилиндров и их количества. В результате легкие и небольшие по размеру моторы приобретают отличные характеристики, и, кроме этого, сокращается общая масса автомобиля, уменьшаются тормозной путь и время разгона.
Экономичность. Расход топлива у двигателей, оснащенных системой турбонаддува, в разы меньше, нежели расход топлива у мотора такой же мощности с простым атмосферным нагнетанием воздуха. Это объясняется тем, что в цилиндрах с турбонаддувом на один ход поршня тратится намного меньше топлива за счет полного его сгорания. То есть, бедная смесь компенсируется дополнительным напором воздуха, и в результате мощность увеличивается.
Недостатки
Зависимость от оборотов. «Турбояма». Проблема заключается в следующем: нет активного ускорения при разгоне на малых оборотах. Динамика разгона слабая, уступающая даже машинам с атмосферным нагнетанием. А все дело в том, что при малых оборотах энергия выхлопных газов слабая, и, соответственно, турбина нагнетателя тоже вращается слабо, создавая минимальное давление смеси в камере сгорания. То есть, нужный эффект от турбонаддува возникает только при высоких оборотах двигателя.
Кроме этого, есть еще одна проблема: медленность процесса нагнетания воздуха. Действительно, для того, чтобы создать нужное давление на впуске, необходимо некоторое время. Специалисты проводят инженерные исследования в этой области, и уже в какой-то степени удалось уменьшить этот интервал в динамике работы нагнетателя.
Помимо этого, наличие вариатора или автоматической трансмиссии дает возможность машине во время разгона автоматически переключаться на пониженную передачу. За счет этого вредные последствия от инертности нагнетателя ликвидируются.
Сегодня имеются следующие способы решения проблемы инертности турбонаддува:
При двойном турбонаддуве применяются две небольшие турбины, которые в совокупности работают намного быстрее, чем одна с номинальным размером. Число цилиндров распределяется между этими турбинами поровну. Аналогом такой системы может быть применение нескольких компрессоров, которые приходят в движение на разных оборотах мотора, каждый в своем режиме.
Турбина с адаптивной геометрией способна изменять размер впускного канала и тем самым регулировать силу потока выхлопных газов, что также повышает эффективность работы системы.
Комбинированный наддув состоит из турбокомпрессора и механического нагнетателя. Нагнетатель создает нужное давление на малых оборотах, но как только обороты возрастают до определенной величины, в работу включается турброкомпрессор.
Высокая температура. Как уже было сказано, сжатие воздуха влечет за собой его нагрев, что отражается на работе мотора не самым лучшим образом. Поэтому зачастую приходится подключать дополнительное охлаждение, и на это уходит часть энергии.
Однако несмотря на перечисленные недостатки, турбонаддув – это отличное средство для повышения мощности и эффективности ДВС, а также его экономичности. Кроме того, многолетний опыт специалистов показывает, что варианты усовершенствования этой системы еще не исчерпаны.
Видео об особенностях и принципах работы турбонаддува:
Теория турбонаддува
Кто из автолюбителей не слышал волшебное слово «турбо»? Звенит в ушах, воображение рисует нечто мощное, стремительное. На этом фоне как-то скучно звучат термины «механический компрессор» или, хуже того — «объемный нагнетатель». На деле — не совсем так. Или совсем не так.
Какой водитель не мечтал о том что бы в его автомобиле жило намного больше лошадок под капотом чем есть. Если кто-то заявит, что он не из таких, то наверняка слукавит. Благо последнее время данную проблему довольно легко решить, вариантов увеличения мощности двигателя, да и комплектующих как грязи. В нашу жизнь плотно вошло слово «тюнинг» и многие тюнинговых ателье берутся сделать с вашим любимцем все, что угодно.
В русский язык с давних пор вошел термин «форсировка» (от английского force — сила), который означает «увеличение мощности». Стоит вспомнить, что мощность двигателя напрямую связана со следующими его основными параметрами:
— рабочим объемом цилиндров;
— количеством подаваемой топливо-воздушной смеси;
— эффективностью ее сжигания;
— энергетической «заряженностью» топлива.
Стоит заметить, что есть ещё несколько вариантов увеличения мощности — полировка впускного/выпускного каналов, применение фильтров нулегого сопротивления, применение прямоточной системы выхлопа, изменение параметров программного обеспечения (чип-тюнинг), расточка цилиндров или переходе с бензина на «нитру» (закись азота).
Перечисленные решения позволяют увеличить мощность, но не существенно, раз ве что это не касается «нитроса». Кардинальное решение одно — увеличение подачи топливо-воздушной смеси. Чем больше топлива сжигается в единицу времени, тем выше мощность мотора. Но бензин не горит «просто так», для этого нужен воздух (кислород) — во вполне определенных количествах. Чтобы увеличить подачу топлива, вначале придется соответствующим образом увеличить подачу воздуха. Сам мотор с этой задачей не справится — его возможности по всасыванию воздуха ограничены (даже при применении фильтров с нулевым сопротивлением). Поэтому и появились те самые «турбо», «компрессоры» и «нагнетатели». Они разные, и дают разные результаты.
Для начала немного теории:
Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный — на пути воздуха (горючей смеси) находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах — еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном — тогда горючей смеси (для дизелей — воздуха) в цилиндре «поместится» больше. Энергия сгорания заряда с большим количеством топлива, само собой, станет выше; вырастет и общая мощность двигателя.
Для этих целей было придумано довольно много решений, но распространение получили не многие. 1. Роторный нагнетатель Roots.
Создан Фрэнсисом Рутсом еще в 1860 году. Первоначально использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Суть конструкции: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые «шестерни», помещенные в общий кожух (напоминает современный маслонасос). Объемы воздуха в пространстве между зубьями шестерен и внутренней стенкой корпуса благополучно доставляются от впускного коллектора до выпускного. В 1949 году другой американский изобретатель — Итон — усовершенствовал конструкцию: прямозубые «шестерни» превратились в косозубые роторы, и воздух теперь перемещался не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился — воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название — объемный нагнетатель, а не компрессор.
2. Спиральный компессор Lysholm.
Автор идеи — немецкий инженер Кригар, время рождения — конец позапрошлого века, первоначальное назначение — промышленное, сейчас известен под именем Lysholm благодаря работам шведского инженера Алфа Лизхолма, который в конце 30-х годов прошлого века приспособил конструкцию для автомобильного применения. Внешне — если не снимать кожух — очень похож на нагнетатель Roots. Отличия внутри. Вроде бы те же два ротора, вращающиеся навстречу друг другу перекачивают объемы воздуха вдоль осей, но сильно лихо закручены. Сечения роторов намного сложнее, они разные. Самое главное: шаг закрутки роторов меняется по длине, и при перемещении вдоль осей объем перекачиваемого воздуха в каждой ячейке уменьшается — воздух сжимается. Поэтому Lysholm — не просто нагнетатель, а чистой воды компрессор.
3. Центробежный компрессор
(устоявшегося «фирменного» названия не имеет). В корпусе-улитке вращается крыльчатка сложной формы. Воздух засасывается по центру и отбрасывается по периферии, при этом благодаря действию центробежных сил происходит его сжатие. По этому это не просто нагнетатель, а тоже компрессор.
4. Турбокомпрессор, оно же турбонагнетатель.
По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от «турбо», пусть даже и «би…», и «твин…». Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов, так сказать, по второй производной. Для данной конструкции присуща замедленная реакция на быстый «подхват».
Как следует из определения, механический нагнетатель/компрессор — роторный, спиральный или центробежный — имеет механический привод, который осуществляется ремнем от коленвала двигателя (иногда через промежуточные шкивы). Здесь главное в том, что обороты нагнетателя/компрессора жестко связаны с оборотами коленвала.
Нагнетатель Roots и компрессор Lysholm
Нагнетатель Roots, и компрессор Lysholm имеют линейные характеристики, обороты компрессора увеличиваются синхронно с оборотами коленчатого вала, пропорционально растет подача воздуха, и кривая крутящего момента двигателя, практически не меняя свою форму, равномерно перемещается вверх. У центробежного и турбокомпрессоров характеристики нелинейные — их производительность увеличивается с ростом числа оборотов. Поэтому установка того или иного агрегата по-разному меняет характеристики (кривые мощности и крутящего момента) двигателя.
Оба типа компрессоров весьма эффективны с самых низких оборотов, но Lysholm обеспечивает более плоскую характеристику на высших, у Roots ее спад начинается несколько раньше. К преимуществам Lysholm можно отнести и более высокий КПД, и лучшее соотношение габариты/масса, к тому же он меньше нагревается при работе. Рабочая частота вращения обычно 12-14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./мин. (Стоит заметить что компания Mercedes-Benz одна из первых начала использовать компрессора в своих автомобилях, при чем предпостение они отдали имено роторным конструкциям.)
Роторы Lysholm с их сложной формой требуют высочайшей точности изготовления — компрессоры этого типа появились на рынке заметно позже других. Главные их производители — шведские компании Lysholm и Autorotor. Более известные потребителю фирмы Kleemann, Whipple и пр. в основном поставляют готовые комплекты на шведской основе, разработанные для конкретных двигателей. Комплекты включают интеркулер, систему привода, входной коллектор, переходники и разную мелочевку…
Механический центробежный компрессор
Механический центробежный компрессор конструктивно наиболее прост и компактен, из-за чего весьма популярен — у американских «самодельщиков». Правда, тут требуется промежуточное механическое устройство для повышения числа оборотов ротора (обычный диапазон — до 100.000 об./мин.). Производительность нелинейная — чем выше частота вращения, тем больше воздуха подается за каждый оборот. На низах эффективность практически нулевая, поэтому увеличения тяги здесь ожидать не приходится. Где-нибудь повыше можно получить заметный подъем кривой крутящего момента, но лишь в довольно узком диапазоне оборотов. Следовательно, понадобится коробка со сближенным рядом и постоянная активно-утомительная работа ее рычагом…
Турбокомпрессор, по большому счету — тот же центро-бежный компрессор, но с принципиально иным приводом. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Явное достоинство: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Минус — инерционность: «вдавил» резко газ и жди, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя — и наконец, «пойдет» воздух. Но с этим явлением, именуемым «турбо-яма» (по-английски «turbo-lag», что правильнее было бы перевести как «турбо-задержка» или «турбо-пауза»), научились бороться…
Поэтому, кроме собственно агрегата наддува, под капотом «поселились» два перепускных клапана: один — для отработавших газов, а другой — чтобы перепускать излишний воздух из коллектора двигателя в трубопровод до компрессора. Этот клапан также управляется давлением во впускном коллекторе. Таким образом, частота вращения ротора турбины при сбросе газа снижается незначительно, и при последующем нажатии на педаль задержка подачи воздуха составляет десятые доли секунды — время закрытия клапана.
В последнее время стали применять такой способ регулирования подачи воздуха, как изменяемый угол наклона лопаток компрессора. Идея эта, опять-таки, давняя, а вот воплотить ее долго не могли; в качестве примера назовем новейший агрегат наддува «опелевских» дизелей «Экотек».
Еще одна проблема использования тубин — это их небольшой срок жизни, хотя в последнее время удалось значительно увеличить это время. Как уже упоминалось, частота вращения ротора турбины должна быть очень велика. До 150-200 тысяч об/мин. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала именно долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли только недавно, когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Сперва это сделали японские фирмы, а затем и шведский СКФ — и машины с такими подшипниками появились на дорогах. Однако достойно удивления не применение керамики — подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен! На очереди — металлокерамический ротор турбины, который примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции.
По своему влиянию на характеристику крутящего момента двигателя турбокомпрессор вроде бы схож с механическим центробежным. Но «опосредствованная» система привода позволяет подстраивать характеристики турбокомпрессора в более широком диапазоне, выравнивая изначальные дефекты кривой крутящего момента мотора. Турбины низкого и высокого давления на сравнительно «маломерных» двигателях Volvo, Volkswagen или Saab — это ли не примеры.
Что касается «битурбо» и «твинтурбо» вместо одной турбокомпрессорной установки используются две — параллельно (бывает и последовательно, но реже). Каждый ротор поменьше, полегче, менее инерционен, более отзывчив. И управлять диапазонами их работы при последовательном надду-ве можно по-разному, добиваясь нужной итоговой характеристики.
Дело в том что ротор турбокомпрессора нельзя сделать большим! И все потому, что чем больше диаметр турбины, тем выше ее момент инерции. Стало быть, даже если водитель при разгоне порезче нажмет на педаль акселератора, быстрого ускорения все равно не получится: придется подождать, пока турбина наберет соответствующие обороты. Итак, турбину следует сделать как можно меньше по диаметру. Но поступление воздуха зависит от окружной скорости лопаток, которая тем меньше, чем меньше диаметр ротора: Остается увеличивать обороты, хотя и тут есть ограничение, на этот раз со стороны допустимых нагрузок на материалы. Вот и используют несколько турбин с меньшим диаметром в паралель.
Вы скорее всего встречали на машинах надпись «интеркулер» на борту. Сжимаемый компрессором воздух неизбежно нагревается. При этом уменьшается его плотность и содержание в нем кислорода, ради которого, собственно, все и затевалось. Посему перед подачей в двигатель сжатый воздух стоит охладить — в дополнительном радиаторе, который и именуется интеркулером. При умеренной форсировке мотора без интеркулера можно обойтись, но если делать все «по-большому», его применение неизбежно.
ОСНОВЫ ТУРБОНАДДУВА часть 1-2
Основные принципы работы турбодвигателя.
Как известно, мощность двигателя пропорциональна количеству топливовоздушной смеси, попадающей в цилиндры. При прочих равных, двигатель большего объема пропустит через себя больше воздуха и, соответственно, выдаст больше мощности, чем двигатель меньшего объема. Если нам требуется, чтобы маленький двигатель выдавал мощности как большой или мы просто хотим, чтобы большой выдавал еще больше мощности, нашей основной задачей станет поместить больше воздуха в цилиндры этого двигателя. Естественно, мы можем доработать головку блока и установить спортивные распредвалы, увеличив продувку и количество воздуха в цилиндрах на высоких оборотах. Мы даже можем оставить количество воздуха прежним, но поднять степень сжатия нашего мотора и перейти на более высокий октан топлива, тем самым подняв КПД системы. Все эти способы действенны и работают в случае, когда требуемое увеличение мощности составляет 10-20%. Но когда нам нужно кардинально изменить мощность мотора — самым эффективным методом будет использование турбокомпрессора.
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:
— Воздух проходит через воздушный фильтр (не показан на схеме) и попадает на вход турбокомпрессора (1)
— Внутри турбокомпрессора вошедший воздух сжимается и при этом увеличивается количество кислорода в единице объема воздуха. Побочным эффектом любого процесса сжатия воздуха является его нагрев, что несколько снижает его плотность.
— Из турбокомпрессора воздух поступает в интеркулер (3) где охлаждается и в основной мере восстанавливает свою температуру, что кроме увеличения плотности воздуха, ведет еще и к меньшей склонности к детонации нашей будущей топливовоздушной смеси.
— После прохождения интеркулера воздух проходит через дроссель, попадает во впускной коллектор (4) и дальше на такте впуска — в цилиндры нашего двигателя.
Объем цилиндра является фиксированной величиной, обусловленной его диаметром и ходом поршня, но так как теперь он заполняется сжатым турбокомпрессором воздухом, количество кислорода зашедшее в цилиндр становится значительно больше чем в случае с атмосферным мотором. Большее количество кислорода позволяет сжечь большее количество топлива за такт, а сгорание большего количества топлива ведет к увеличению мощности выдаваемой двигателем.
— После того как топливо-воздушная смесь сгорела в цилиндре, она на такте выпуска уходит в выпускной коллектор (5), где этот поток горячего (500С-1100С) газа попадает в турбину (6)
— Проходя через турбину, поток выхлопных газов вращает вал турбины на другой стороне которого находится компрессор, и, тем самым совершает работу по сжатию очередной порции воздуха. При этом происходит падение давления и температуры выхлопного газа, поскольку часть его энергии ушла на обеспечение работы компрессора через вал турбины.
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:
Blow-off
Блоуофф (перепускной клапан) — это устройство установленное в воздушной системе между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой с целью не допустить выход компрессора на режим surge. В моменты, когда дроссель резко закрывается, скорость потока и расход воздуха в системе резко падает, при этом турбина еще некоторое время продолжает вращаться по инерции со скоростью не соответствующей новому упавшему расходу воздуха. Это вызывает циклические скачки давления за компрессором и слышимый характерный звук прорывающегося через компрессор воздуха. Surge со временем приводит к выходу из строя опорных подшипников турбины, ввиду значительной нагрузки на них в этих переходных режимах. БлоуОфф использует комбинацию давлений в коллекторе и установленной в нем пружины чтобы определить момент закрытия дросселя. В случае резкого закрытия дросселя блоуофф сбрасывает в атмосферу возникающий в воздушном тракте избыток давления и тем самым спасает турбокомпрессор от повреждения.
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.
Диаметр индюсера — это диаметр колеса крыльчатки в той ее части, где воздух входит в крыльчатку, а эксдюсер это диаметр колеса, где воздух из него выходит.
Конструкция турбины такова, что индюсер компрессорного колеса меньше чем его эксдюсер, а турбинного — наоборот:
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, 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.
При выборе конкретного хаузинга для вашего мотора, в любом случае приходится идти на компромисс балансируя между ранним наддувом и пиковой мощностью. Также надо учитывать внутреннюю конструкцию хаузинга. Далекая от оптимальной форма канала, неточности литья, возможные переходы с прямоугольного сечения на круглое — все это, в определенной, мере влияет на эффективность горячего хаузинга. Опытным путем установлено что, например, турбинные хаузинги TiAL с круглым входом имеют лучшую аэродинамику и при том же A/R обеспечивают лучшую продувку на верхах по сравнению с традиционными чугунными хаузингами с прямоугольным входом.
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.
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.
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.
Правильной компоновкой твинскрольного коллектора, в данном случае, будет сгруппировать цилиндры #1 и #4 в одной половине коллектора, а цилиндры #2 и #3 — в другой.
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.
Прежде чем приступить к обсуждению степени сжатия и давлению наддува, важно понять, что такое кнок или детонация. Детонация — это опасный процесс, вызванный спонтанным быстротекущим сгоранием топливновоздушной смеси в цилиндрах. Этот процесс вызывает резкие и большие по величине всплески давления в камере сгорания ведущие со временем к механическому разрушению поршневой группы и износу вкладышей.
Основными факторами, вызывающими детонацию являются:
— Естественная склонность самого мотора к детонации. Поскольку все моторы имеют свои конструкционные особенности, нет простого и однозначного ответа как лучше. Форма камеры сгорания, расположение в ней свечи зажигания, диаметр цилиндра и степень сжатия, качество распыла топлива — все это влияет на склонность или, наоборот, устойчивость конкретного мотора к детонации.
— Внешние условия. В турбомоторах параметры всасываемого турбиной воздуха, его температура и влажность, а также параметры воздуха, который попадает в цилиндры после турбины, влияют на склонность к детонации. Чем выше наддув, тем больше температура воздуха, поступающего в цилиндры, и тем больше вероятность возникновения детонации. Интеркулер с хорошей эффективностью охлаждения сжатого воздуха значительно помогает в борьбе с детонацией.
— Октановое число топлива. Октан — это величина показывающая стойкость топлива к возникновению детонации. Октан типовых гражданских бензинов находится в диапазоне 92-98 единиц. Специальные спортивные виды топлива имеют октан 100-120 и выше единиц. Чем выше октан, тем более стойким является топливо к возникновению детонации.
— Настройки блока управления. Угол зажигания и соотношение воздух/топливо значительным образом влияет на склонность или устойчивость мотора к детонации в различных режимах.
Теперь, когда мы разобрались с общими факторами связанными с детонацией, поговорим о степени сжатия. Степень сжатия (СЖ) определена как:
Где: CR — степень сжатия
Vd — объем цилиндра
Vcv — объем камеры сгорания
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, 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
Бедная смесь ведет к повышению температуры горения смеси. Богатая — наоборот. В основном атмосферные моторы достигают максимальной отдачи на смеси, несколько богаче стехиометрии. На практике ее держат в диапазоне 12:1…13:1 для дополнительного охлаждения. Это хороший AFR для атмосферного мотора, но он может в некоторых случаях быть крайне опасным в случае с турбомотором. Более богатая смесь снижает температуру в камере сгорания и повышает стойкость к детонации, а также снижает температуру выхлопных газов и увеличивает срок службы турбины и коллектора.
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.