IntelScan Service - федеральная сеть по чип-тюнингу

Раскроем потенциал вашего авто
Отключение EGR, DPF
Перевод на Euro2


Подробнее

Отключение DPF
ADblue систем
Cнижение расхода топлива


Подробнее

Увеличение мощности квадроциклов


Подробнее

Программирование чип ключей
Смартов
Запуск авто при утере ключей


Подробнее

Русификация
Адаптация авто из Америки


Подробнее

Установка
Продажа Чипбоксов


Подробнее

Уменьшение расхода топлива


Подробнее

Настройка АКПП - ВАРИАТОРА под агрессивную езду


Подробнее

Чип-тюнинг лодочных моторов


Подробнее
14.01.2017
Внимание – Мы переехали!


Подробнее
13.01.2017
У нас новые представители


Подробнее
$('#s6').cycle({
fx:     'scrollUp',
timeout: 7000,
delay:  -2000
});

Принцип работы турбокомпрессора. Продвинутый уровень



Перед прочтением данного раздела следует внимательно ознакомиться с разделом «Принцип работы турбокомпрессора (начальный уровень)».



Раздел «Turbo System 102 (продвинутый уровень)» посвящён следующим темам:



Понятие «Trim».



Понятие «A/R корпуса турбины» и описание геометрии корпусов.



Различные типы коллекторов (преимущества и недостатки литых коллекторов по сравнению со сварными).



Степень сжатия при турбонаддуве.



Регулировка соотношения компонентов рабочей смеси: богатая смесь в сравнении с бедной. Почему бедная смесь обеспечивает большую мощность, но является более взрывоопасной.



1. Понятие "Trim"



Для описания турбокомпрессоров часто используется понятие «Trim». Например, в описании турбокомпрессора может использоваться подобная формулировка: "модель GT2871R, Trim56". Термином "Trim" обозначается соотношение площадей индюсера и эксдюсера компрессорного и турбинного колес. Диаметром индюсера называют диаметр колеса в том месте, где воздух входит в крыльчатку, а диаметром эксдюсера называют диаметр колеса в том месте, где воздух выходит из крыльчатки.



В соответствии с законами аэродинамики и принципами управления воздушными потоками, диаметр индюсера компрессорного колеса меньше, чем диаметр его эксдюсера. Индюсер турбинного колеса, наоборот, имеет больший диаметр, чем его эксдюсер (см. Рис 1).





Пример1.



Турбокомпрессор GT2871R (номер по каталогу 743347-2) оснащен компрессорным колесом, размеры которого указаны ниже. Необходимо вычислить значение параметра "Trim" для компрессорного колеса.



Диаметр индюсера = 53,1 мм



Диаметр эксдюсера = 71,0 ммм





Пример 2:



Турбокомпрессор GT2871R (номер по каталогу 743347-1) оснащен компрессорным колесом, диаметр эксдюсера которого составляет 71.0 мм, а значение параметра "Trim" составляет 48. Необходимо вычислить диаметр индюсера компрессорного колеса.





Значение параметра «Trim» как для компрессорного, так и для турбинного колеса влияет на производительность турбокомпрессора, поскольку от него зависит пропускная способность крыльчатки колёс. Если все прочие параметры постоянны, колесо с большим значением «Trim» сможет обеспечить больший поток воздуха, чем колесо с меньшим значением «Trim».



Однако следует учитывать, что во многих случаях остальные параметры могут варьироваться. Поэтому колесо с более высоким значением «Trim» необязательно будет обеспечивать больший поток воздуха.



2. Понятие "A\R корпуса турбины" и описание геометрии корпусов.



Аббревиатура «A/R» (от англ. «Area/Radius», т. е. «площадь/радиус») служит для описания геометрической характеристики всех корпусов компрессора и турбины. Формальное определение данного понятия выглядит следующим образом: отношение площади сечения впускного (или выпускного, в случае с корпусами компрессора) канала к расстоянию от центра вала турбины до центра сечения этого канала (см. Рис. 2).





Рис. 2. Характеристика A/R корпуса компрессора.



Параметр A/R по-разному влияет на производительность компрессора и турбины.



A/R компрессора



- производительность компрессора сравнительно слабо зависит от изменения параметра A/R. Корпуса с большим значением A/R иногда применяются для оптимизации производительности систем с низким уровнем наддува, а корпуса с меньшим значением A/R применяются для систем с высоким уровнем наддува. Однако в связи с тем, что влияние A/R на производительность компрессора не велико, значение A/R у большинства компрессорных корпусов почти не отличается.



A/R турбины



- производительность турбины находится в сильной зависимости от изменения параметра A/R, поскольку он определяет пропускную способность крыльчатки турбины. При меньшем значении A/R повышается скорость отработавших газов, направляемых в турбинное колесо. Это способствует увеличению отдачи турбины на малых оборотах двигателя, что позволяет ускорить реакцию турбины на повышение оборотов. Однако при небольшом значении A/R воздух попадает в крыльчатку турбины по более пологой траектории, что уменьшает максимальную пропускную способность турбинного колеса. В результате возрастает противодавление отработавших газов, а это приводит к ухудшению "продувки" двигателя на максимальных оборотах и негативно сказывается на пиковой мощности двигателя. При большем значении A/R, напротив, скорость потока выхлопа снижается, а реакция турбины на повышение оборотов замедляется. В корпусе с большим значением A/R поток входит в крыльчатку турбины по более радиальной траектории, и эффективная пропускная способность крыльчатки возрастает, что приводит к снижению противодавления выхлопа и повышению мощности двигателя на высоких оборотах.



При определении необходимого значения A/R следует учитывать назначение автомобиля, выбирая A/R таким образом, чтобы привести расчётные характеристики в соответствие с требуемым диапазоном мощности.



Ниже приведены примеры корреляции геометрии корпуса турбины с различными вариантами её применения. Путём сопоставления разных значений A/R во многих случаях можно определить назначение системы.



Пример: имеется два двигателя объёмом 3,5 литра, оснащённых турбокомпрессорами GT30R. Единственным отличием этих двигателей является разное значение A/R корпусов турбин; иными словами, двигатели одинаковы:



Значение A/R двигателя №1 составляет 0,63.



Значение A/R двигателя №2 составляет 1,06.



Необходимо определить назначение каждого двигателя и подобрать для него подходящий турбокомпрессор.



Двигатель №1: В этом двигателе применяется корпус турбины с меньшим значением A/R (0,63), поэтому он обеспечивает более высокий крутящий момент на низких оборотах и более оптимальную реакцию наддува. Как правило, такой вариант является более предпочтительным для автомобиля, который эксплуатируется в городских условиях, поскольку особенности повседневной езды в городе предъявляют повышенные требования к динамическим качествам автомобиля. Однако на высоких оборотах в корпусе с низким значением A/R будет возрастать противодавление, что приведёт к снижению максимальной мощности. Поэтому такой тип работы двигателя предпочтителен для езды в городских условиях, где реакция наддува на низких оборотах и динамические качества являются более важными, чем мощность на максимальных оборотах.



Двигатель №2: В этом двигателе применяется корпус турбины с большим значением (1,06), поэтому он обеспечивает более высокую максимальную мощность за счёт ухудшения динамических качеств и уменьшения крутящего момента на очень низких оборотах. В корпусе турбины с большим значением A/R противодавление на высоких оборотах будет уменьшаться, что будет способствовать увеличению максимальной мощности двигателя. Однако при этом двигателю потребуется выйти на более высокие обороты, для того чтобы турбина могла обеспечить турбонаддув, в результате чего реакция наддува будет замедляться. Характеристики двигателя №2 являются более предпочтительными для гоночных автомобилей, чем характеристики двигателя №1, поскольку большую часть времени двигатель будет работать на высоких оборотах.



3. Различные типы коллекторов (преимущества и недостатки литых коллекторов по сравнению со сварными)



Существует два типа турбокомпрессорных коллекторов: литые (см. Рис. 3) и сварные трубчатые (см. Рис. 4).




Рис. 3. Литой коллектор турбокомпрессора.




Рис. 4. Сварной трубчатый коллектор турбокомпрессора.



Турбокомпрессорные коллекторы имеют более сложную конструкцию, чем может показаться на первый взгляд, поскольку при разработке коллектора необходимо предусмотреть множество факторов и учесть их взаимосвязь.



Чтобы достичь максимальной производительности турбокомпрессорного коллектора, следует придерживаться некоторых общих рекомендаций:



- Максимально увеличить радиус изогнутых участков каналовколлектора, чтобы сохранить энергию импульса выхлопных газов.



- Добиваться одинаковой длины каналов коллектора, чтобы сбалансировать эффект обратного перетока выхлопных газов по всем цилиндрам.



- Избегать резких изменений площади сечения, чтобы сохранить энергию импульса выхлопных газов, поступающих в турбину.



- Добиваться того, чтобы поток из всех каналов входил в коллектор под малым углом, чтобы свести к минимуму "закручивание" потока в коллекторе.



- Для улучшения реакции наддува свести к минимуму объем коллектора между выпускными отверстиями и впускным отверстием турбины.



- Для достижения наибольшей мощности выбрать оптимальную длину каналов коллектора.



Литые коллекторы обычно устанавливаются на турбокомпрессоры заводского изготовления, а сварные трубчатые коллекторы применяются почти исключительно на модифицированных и гоночных автомобилях. Оба типа коллекторов имеют свои преимущества и недостатки. Литые коллекторы обычно отличаются большой долговечностью и предназначены для применения в одних определённых условиях. Для отливки и обработки соответствующих элементов коллектора требуется специальное оборудование, которое может иметь высокую стоимость.



Сварные трубчатые коллекторы, напротив, могут изготавливаться на заказ под конкретные задачи и не предъявляют специальных требований к оборудованию. Изготовление обычно осуществляется путём резки предварительно изогнутых U-образных колен в соответствии с необходимыми геометрическими параметрами, после чего производится сварка всех элементов в коллектор. Сварные трубчатые коллекторы отличаются высокой эффективностью. Однако следует обратить внимание на надёжность конструкции. В связи с наличием в конструкции сварных швов, меньшей толщиной стенок трубок и меньшей жёсткостью, в коллекторах этого типа часто возникают трещины, вызванные тепловым расширением/сжатием и вибрацией. Тем не менее, при правильно рассчитанной конструкции трубчатые коллекторы могут служить в течение долгого времени. Кроме того, трубчатые коллекторы обеспечивают существенно более высокую производительность по сравнению с литыми коллекторами.



Коллекторы обоих типов могут иметь общую конструктивную особенность – "Разделенную компановку", обычно применяемую в сочетании с "Разделенными" или "Твинскрольными" турбокомпрессорными корпусами. Разветвленная компоновка может применяться как в литых, так и в сварных трубчатых коллекторах.




Рис. 5. Литой коллектор с разделённым впускным отверстием турбины.




Рис. 6. Сварной трубчатый коллектор с разделённым впускным отверстием турбины.



Подобная компоновка предназначена для того, чтобы разделить, то есть отделить друг от друга, цилиндры, между которыми происходит совмещение рабочих тактов, с целью более эффективного использования энергии импульса выхлопных газов.



Например, если порядок работы цилиндров четырёхцилиндрового двигателя выражен схемой 1-3-4-2, то цилиндр №1 завершает такт расширения и открывает свой выпускной клапан в тот момент, когда выпускной клапан цилиндра №2 ещё открыт (цилиндр №2 находится в стадии совмещения рабочих тактов). Если коллектор имеет неразделённую конструкцию, то существует значительно более высокая вероятность того, что импульс давления отработавших газов, выпущенных из цилиндра №1 при продувке, приведёт к тому, что отработавший газ под высоким давлением попадёт в цилиндр №2. Это не только снизит эффективность продувки цилиндра №2, но и приведёт к потере полезной энергии импульса, которая могла быть использована в турбине.



Поэтому рациональным решением для этого двигателя является парная группировка совместно работающих цилиндров: цилиндры №1 и №4 и цилиндры №2 и №3 работают согласованно.




Рис. 7. Схема разделённого корпуса турбины.



В связи с тем, что при такой компоновке энергия импульса отработавших газов используется более эффективно, производительность турбины улучшается, и уровень наддува возрастает быстрее.



4. Степень сжатия при турбонаддуве.



Прежде чем рассматривать степень сжатия при турбонаддуве, необходимо осмыслить явление «стука» в двигателе, также называемое «детонацией». Стук в двигателе возникает при неконтролируемом воспламенении топливовоздушной смеси и является опасным явлением. Это неконтролируемое воспламенение вызывает резкие скачки давления в цилиндрах, которые могут привести к повреждению двигателя.



Основными факторами, влияющими на возникновение стука в двигателе являются следующие:



1. Характеристики сопротивления детонации (предел детонации) двигателя.



Поскольку сопротивление детонации у разных двигателей существенно отличается, назвать единое значение этого параметра не представляется возможным. На характеристики двигателя по сопротивлению детонации также влияют такие конструктивные особенности, как геометрия камеры сгорания, расположение свечей зажигания, диаметр цилиндра и степень сжатия.



2. Характеристики окружающего воздуха.



Уровень максимального наддува, обеспечиваемый турбокомпрессором, зависит как от характеристик окружающего воздуха, так и от условий работы двигателя. Высокая температура воздуха и высокое давление в цилиндрах увеличивают вероятность возникновения детонации. Когда применяется турбонаддув, вероятность возникновения детонации увеличивается. решить эту проблему призван промежуточный охладитель всасываемого воздуха - интеркуллер.



3. Октановое число используемого топлива.



Октановое число представляет собой показатель детонационной стойкости топлива. Чем выше октановое число топлива, тем выше его детонационная стойкость. В общем случае, чем выше требуемый уровень наддува, тем больше должно быть октановое число применяемого топлива. Октановое число имеет первостепенное значение: калибровка двигателя по топливу и зажиганию оказывает чрезвычайно большое влияние на способность двигателя сопротивляться детонации. Более подробная информация приведена в разделе 5.



На основе полученного представления о стуке/детонации, факторах, способствующих возникновению детонации, и способов уменьшения вероятности её возникновения следует рассмотреть понятие степени сжатия. Степень сжатия выражается следующей формулой





где



CR = степень сжатия



Vd = рабочий объём



Vcv = объём камеры сгорания





Серийные двигатели без наддува и двигатели с наддувом имеют разную степень сжатия. Например, у серийного двигателя автомобиля Honda S2000 степень сжатия составляет 11,1:1, в то время как у двигателя автомобиля Subaru Impreza WRX, оснащённого турбокомпрессором, степень сжатия составляет 8,0:1.



Максимально допустимая степень сжатия зависит от множества факторов. Не существует одного универсального решения для различных условий эксплуатации. Общий принцип заключается в том, чтобы добиться максимально возможной степени сжатия, которая не приводит к детонации в условиях предельной нагрузки. При слишком низкой степени сжатия ухудшаются динамические характеристики двигателя при работе без турбонаддува. Однако если степень сжатия слишком велика, это может вызвать серьёзные проблемы в работе двигателя, связанные с детонацией.



На степень сжатия влияют следующие факторы: степень детонационной стойкости топлива (октановое число), давление наддува, температура воздуха на впуске, конструкция камеры сгорания, опережение зажигания, газораспределение и противодавление выхлопа. Камеры сгорания во многих современных двигателях без наддува имеют продуманную конструкцию, которая, при условии надлежащей регулировки, способна обеспечить небольшое форсирование без изменения степени сжатия. Для достижения более высокого уровня мощности потребуется регулировка степени сжатия.



Степень сжатия можно уменьшить несколькими способами разной степени эффективности. Наименее предпочтительным является добавление прокладки между головкой и блоком цилиндров. Такая прокладка уменьшает площадь теплоотвода в камере сгорания двигателя и может привести к нарушению синхронизации распределительного вала. Однако решение в виде прокладки является относительно простым и недорогим.



Более предпочтительным вариантом, хотя и требующим больших финансовых и временных затрат на установку, является использование поршней с меньшей расчётной степенью сжатия. Такие поршни не нарушают синхронизацию распределительного вала или герметичность между головкой и блоком цилиндров, а также обеспечивают надлежащую площадь теплоотвода в камере сгорания.



5. Регулировка соотношения компонентов рабочей смеси: богатая смесь в сравнении с бедной.



Почему бедная смесь обеспечивает большую мощность, но является более взрывоопасной. Одним из наиболее существенных параметров, влияющих на работу двигателя, являетсясоотношение компонентов рабочей смеси (AFR). Производительность и надежность двигателя и его деталей критически зависят от правильной калибровки этого соотношения. AFR представляет собой соотношение количества воздуха, потребляемого двигателем, к количеству топлива. Для того чтобы химический процесс сгорания рабочей смеси происходил надлежащим образом, соотношение количества воздуха и топлива в смеси должно бытьстехиометрическим. Для бензиновых двигателей стехиометрическое соотношение составляет 14,7:1, т.е. 14,7 частей воздуха на одну часть топлива. Стехиометрическое соотношение компонентов смеси зависит от вида применяемого топлива. для спитра оно составляет 6,4:1, для дизельного топлива 14,5:1. Рабочая смесь может быть «богатой» или «бедной». Если количество воздуха в составе рабочей смеси меньше, чем при стехиометрическом соотношении 14,7:1, то такая смесь является богатой. И наоборот, если рабочая смесь содержит большее количество воздуха, то она является бедной. Например: 15,0:1 = бедная, 14,7:1 = стехиометрическая, 13,0:1 = богатая



Горение бедной рабочей смеси происходит при более высокой температуре. В целом, бензиновые двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием без наддува обеспечивают наибольшую мощность, когда соотношение компонентов рабочей смеси слегка превышает стехиометрическое. Однако на практике соотношение находится в пределах от 12:1 до 13:1, что позволяет удерживать температуру отработавших газов в разумных пределах и учитывать различия качества топлива. Такое соотношение компонентов рабочей смеси является нормальным для двигателя без наддува, работающего под максимальной нагрузкой, однако подобная смесь может оказаться слишком бедной для двигателя с мощным турбонаддувом.



Понятие AFR связано со следующими процессами. Когда свеча зажигания воспламеняет топливовоздушную смесь, от свечи зажигания распространяется фронт горения. Горение смеси вызывает повышение давления и температуры в цилиндре, которые достигают предельного значения в определённый момент процесса горения.



Турбокомпрессор увеличивает плотность воздуха, что приводит к повышению плотности смеси. Повышение плотности смеси приводит к повышению максимального давления в цилиндре, что увеличивает вероятность возникновения детонации. По мере обеднения рабочей смеси температура горящих газов возрастает, что также увеличивает вероятность возникновения детонации. Именно поэтому в двигателе с турбонаддувом, работающем при максимальной нагрузке, должна использоваться богатая рабочая смесь. Это позволяет уменьшить вероятность детонации, а также удерживать температуру в разумных пределах.



Существует три способа снизить вероятность возникновения детонации в двигателе с трубонаддувом, работающем при максимальной нагрузке: уменьшить наддув, отрегулировать соотношение компонентов в сторону более богатой рабочей смеси и уменьшить угол опережения зажигания. Для уверенного достижения максимальной мощности эти три параметра следует регулировать совместно друг с другом.



Более подробное описание вычислений степени сжатия, массового расхода и особенностей выбора турбокомпрессора приведены в разделе «Turbo Systems 103 (экспертный уровень)»