Базові знання про турбонаддуве (частина 2)

Привіт всім небайдужим!))

Продовжуємо тему турбонаддува. Сьогодні пропоную розібрати на конкретному прикладі підбір турбокомпресора на конкретний двигун, навчитися користуватися турбокартамі, ну і отримати ще трохи теорії в питаннях турбомоторов.

Відразу обмовлюся, що розрахунок у підсумку вийде теоретичним і досить грубим, для більш точного розрахунку потрібно вносити поправки, які розраховуються по-своєму і займуть добру половину цієї статті, тому для них я виділю окрему тему, а зараз я вам дам теорію в питанні підбору турбіни.

Перед тим як приступати до найцікавішого, я роз'ясню вам деякі терміни, без яких буде важко зрозуміти про що тут.

Абсолютна і відносне тиск.

Під терміном абсолютного тиску на увазі - тиск щодо повного вакууму, на землі це тиск прийнято вважати рівним 1 атмосфері.

Відносне тиск - це тиск щодо атмосферного. Воно може бути як більше, так і менше його.

Надлишок - під поняттям надлишку в ДВС розуміють тиск понад атмосферного.

Оперувати ми будемо абсолютними величинами.

Отже, перед тим як підбирати турбіну, потрібно проаналізувати мотор, на який вона буде встановлена. Якщо ми встановлюємо турбокомпресор на двигун, який був спочатку атмосферним, то все досить просто: берете ноутбук і йдете знімати лог витрати повітря. За балці відбудовувати графік залежності витрати повітря від оборотів, і отримуєте щось на зразок цього.

Швидкість обертання двигуна вказується в об / хв, а масова витрата на даному графіку в грамах в секунду.

Якщо ж мотор спочатку турбо, то зняти логи витрати повітря без підвищення тиску не вийде, тому що повітря буде нагнітати вже наявна турбіна. В цьому випадку можна скористатися розрахунковим методом витрати повітря.

Витрата повітря в цьому випадку, вираховується за формулою:

витрата повітря = V х RPM х 0,5 х E / 1000000

RPM = швидкість обертання двигуна (об. / Хв.)

0,5 = це додатковий коефіцієнт, який вказує на кількість тактів впуску. (За два оберти колінчастого вала, двигун робить 1 такт впуску)

E = Коефіцієнт наповнення

1000000 служить для перетворення кубічних сантиметрів в кубічні метри.

Тут окрему увагу потрібно приділити коефіцієнту наповнення, але це тема для зовсім іншої статті, тому візьмемо середнє значення 0,85.

Вибудовуємо графік витрати повітря, користуючись формулою вище, для кожної тисячі обертів своє значення витрати. Для прикладу візьмемо двигун 1.8.

1800 x 1000 x 0,5 x 0,85 / 1000000 = 0,76м3 / хв, відразу ж переводимо об'ємний витрата в масовий. Перекласти його можна за формулою:

ρ - щільність повітря;

Q - об'ємна витрата.

Щільність повітря змінюється в залежності від його температури і ще ряду чинників, які ми враховувати не будемо. Візьмемо щільність повітря при температурі +20 градусів і нормальному атмосферному тиску в 1 атм - 1,204 кг / м3.

Відразу ж пропоную конвертувати метричні одиниці в американські тому турбокарти зазвичай будуються в одиницях Lb / mib (фунти в хвилину). Конвертуємо за таким курсом 1кг / хв = 2.205 lb / min

0,915 кг / хв = 2.017 lb / min

Вийшов ось такий графік:

Варто відзначити, що в реалі цей графік буде більш зігнутий, тому що ми не вираховували таку змінну, як коефіцієнт наповнення, вона буде змінюватися в залежності від будови газорозподільного механізму, на високих оборотах він буде менше.

Тепер розглянемо такий параметр, як pressure ratio, дослівно перекладається як - ступінь підвищення тиску. Цей параметр говорить нам про те, у скільки разів компресор стиснув повітря. Порахувати його можна за формулою

PR = Pcr / Pin
де:
PR - співвідношення тисків
Pcr - абсолютний тиск на виході компресора
Pin - абсолютний тиск на вході компресора

Припустимо, що ми хочемо дмухнути в наш двигун 1 атм. надлишку. В голові тримаємо правило, що наддув це тиск відносне, а ми оперуємо абсолютними величинами, тому додаємо до наддуву 1 атм. атмосферного тиску і запам'ятовуємо 2 атм. абсолютного тиску. Pressure ratio дорівнюватиме PR = Pcr / Pin = 2.0 / 1.0 = 2.0

У реальності за такою формулою розрахувати Pressure Ratio можна тільки для гоночного автомобіля, або для автомобіля без повітряного фільтра, тому що параметр Pin - абсолютний тиск на вході компресора, буде менше через створюваного повітряним фільтром розрядження воно коливається від 0.03 до 0.10 атм, але мені зустрічалися двигуни, в яких цей параметр досягав 0.12 атм. Тому для розрахунку PR потрібно вносити поправки ... Припустимо, що на нашому двигуні розрядження перед компресором 0.06 атм; тоді розрахунок виходить таким

PR = 2.0 / (1.0-0.06) = 2.0 / 0.94 = 2.127

Ступінь підвищення тиску ми з'ясували, залишилося з'ясувати яким буде витрата повітря на бусте і нанести все це на turbomap. Як відомо, при підвищенні тиску маса повітря зростає пропорційно, ми не будемо вносити поправки на підвищення температури при стисненні, будемо вважати, що інтеркулер і обдув вгамують повітря до вхідних температури. З цього випливає, що весь наш графік треба помножити на PR, який ми отримали трохи вище тобто на 2.127.

Виходить ось така крива

Тепер приступаємо до найцікавішої частини - турбокарта.

Розглянемо так любиться тюнерам VAGовскіх 1.8t турбіну Garrett GT2860RS. Для початку розповім про будову Turbomap.

По горизонтальній осі на турбокарте розташований масова витрата повітря (Air Flow), він виражений в фунтах в хвилину (lb / min). Від цього параметра безпосередньо залежить потужність нашого двигуна, чим більше повітря пропустимо через мотор, тим більше потужності знімемо. Прикинути приблизну потужність після встановлення тієї чи іншої турбіни можна орієнтуючись лише на цей параметр, враховуючи, що при проходженні через двигун одного фунта повітря ми отримуємо близько 10 л.с.

За вертикальної осі розташовується параметр ступеня підвищення тиску (Pressure Ratio), його я описав трохи вище.

Швидкість обертання валу турбіни

Позначена на карті лініями із зазначенням швидкості, вимірюється в оборотах на хвилину об / хв.

Зони ефективності компресора

На карті позначаються в процентах. Найменша зона в центрі буде найефективнішою. На даній турбокарте ефективність роботи турбокомпресора вказана до 60%, далі його використання стає неефективним - стискається повітря починає занадто сильно грітися, обороти вала турбіни виходять за допустимі значення.

З іншого боку карти, граффік обмежує так звана область Surge

Робота турбокомпресора в даній області чревата його ушкодженнями. Потрапити в цю зону можна в двох випадках:

Другий випадок потрапляння в зону surge - це їзда на високих передачах "в натяг". Такий режим роботи більш небезпечний, ніж різке закриття дроселя, тому що може тривати значно довше. Викликаний він тим, що швидкість обертання турбіни досить велика, а масова витрата навпаки не великий. В основному причиною потрапляння в цю зону служить неправильно підібрана турбіна, вона занадто велика для даного двигуна.

Тепер саме час перенести наш заздалегідь підготовлений графік витрати повітря на турбокарту. Вибираємо на вертикальній осі ступінь підвищення тиску, яку ми раніше знаходили в розрахунках - 2.127, і по горизонтальній осі проставляем точки відповідно до витратою повітря, назвою точок будуть обертів двигуна.

Так виглядає наш двигун на турбокарте. З графіка видно, що на необхідний буст компресор вийде десь з 2600 об / хв. Найбільшого ККД компресор досягне на 6000 об / хв. Орієнтовна максимальна потужність досягне 300 к.с. З цього можна зробити висновок, що GT2860RS буде відмінним доповненням двигуна 1.8.