Базовые знания о турбонаддуве (часть 2). Подбор турбины по турбокарте

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

Привет всем неравнодушным!))

Продолжаем тему турбонаддува. Сегодня предлагаю разобрать на конкретном примере подбор турбокомпрессора на конкретный двигатель

, научиться пользоваться турбокартами, ну и получить еще немного теории в вопросах турбомоторов.

Сразу оговорюсь, что расчет в итоге получится теоретическим и довольно грубым, для более точного расчета нужно вносить поправки, которые рассчитываются по-своему и займут добрую половину этой статьи, поэтому для них я выделю отдельную тему, а сейчас я вам дам теорию в вопросе подбора турбины.

Перед тем как приступать к самому интересному, я разъясню вам некоторые термины , без которых будет трудно понять о чем здесь. 

Абсолютное и относительное давление. 

Под термином абсолютного давления подразумевают - давление относительно полного вакуума, на земле это давление принято считать равным 1 атмосфере.

Относительное давление - это давление относительно атмосферного. Оно может быть как больше, так и меньше его. 

Избыток - под понятием избытка в ДВС понимают давление свыше атмосферного.

Оперировать мы будем абсолютными величинами. 

Итак, перед тем как подбирать турбину, нужно проанализировать мотор, на который она будет установлена. Если мы устанавливаем турбокомпрессор на двигатель, который был изначально атмосферным, то все довольно просто: берете ноутбук и идете снимать лог расхода воздуха. По логу отстраиваете график зависимости расхода воздуха от оборотов, и получаете что-то вроде этого.

Скорость вращения двигателя указывается в об/мин, а массовый расход на данном графике в граммах в секунду.

Если же мотор изначально турбо, то снять логи расхода воздуха без повышения давления не получится, потому что воздух будет нагнетать уже имеющаяся турбина. В этом случае можно воспользоваться расчетным методом расхода воздуха.

Расход воздуха в этом случае, высчитывается по формуле:

расход воздуха = V х RPM х 0,5 х E / 1000000

Где

V=Объем (куб./см.)

RPM= скорость вращения двигателя (об./мин.)

0,5= это добавочный коэффициент, указывающий на количество тактов впуска. (За два оборота коленчатого вала, двигатель совершает 1 такт впуска)

E= Коэффициент наполнения

1000000 служит для преобразования кубических сантиметров в кубические метры.

Здесь отдельное внимание нужно уделить коэффициенту наполнения, но это тема для совсем другой статьи, поэтому возьмем усредненное значение 0,85.

Выстраиваем график расхода воздуха, пользуясь формулой выше, для каждой тысячи оборотов свое значение расхода. Для примера возьмем двигатель 1.8.

1800 x 1000 x 0,5 x 0,85 / 1000000 = 0,76м3/мин , сразу же переводим объемный расход в массовый. Перевести его можно по формуле:

Qm=ρ*Q

где:

ρ  — плотность воздуха;

Q  — объёмный расход.

Плотность воздуха меняется в зависимости от его температуры и еще ряда факторов, которые мы учитывать не будем. Возьмем плотность воздуха при температуре +20 градусов и нормальном атмосферном давлении в 1 атм - 1,204 кг/м3.

1,204*0,76=0,915 кг/мин

Сразу же предлагаю конвертировать метрические единицы в американские т.к. турбокарты обычно строятся в единицах Lb/mib (фунты в минуту). Конвертируем по такому курсу 1кг/мин=2.205 lb/min

0,915 кг/мин = 2.017 lb/min

Получился вот такой график:

 

Стоит отметить, что в реале этот график будет более изогнут, т.к. мы не высчитывали такую переменную, как коэффициент наполнения , она будет меняться в зависимости от строения газораспределительного механизма, на высоких оборотах он будет меньше.

Теперь рассмотрим такой параметр, как pressure ratio, дословно переводится как - степень повышения давления. Этот параметр говорит нам о том, во сколько раз компрессор сжал воздух. Посчитать его можно по формуле 

PR = Pcr/Pin
Где:
PR - соотношение давлений
Pcr - абсолютное давление на выходе компрессора
Pin - абсолютное давление на входе компрессора

Допустим, что мы хотим дунуть в наш двигатель 1 атм. избытка. В голове держим правило, что наддув это давление относительное, а мы оперируем абсолютными величинами, поэтому прибавляем к наддуву 1 атм. атмосферного давления и запоминаем 2 атм. абсолютного давления. Pressure ratio будет равно PR = Pcr/Pin = 2.0/1.0 = 2.0

В реальности по такой формуле рассчитать Pressure Ratio можно только для гоночного автомобиля, или для автомобиля без воздушного фильтра, т.к. параметр Pin - абсолютное давление на входе компрессора, будет меньше из-за создаваемого воздушным фильтром разряжения оно колеблется от 0.03 до 0.10 атм, но мне встречались двигатели, в которых этот параметр достигал 0.12 атм. Поэтому для расчета PR нужно вносить поправки... Предположим, что на нашем двигателе разряжение перед компрессором 0.06 атм; тогда расчет получается таким 

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

Степень повышения давления мы выяснили, осталось выяснить каков будет расход воздуха на бусте и нанести все это на turbomap. Как известно, при повышении давления масса воздуха растет пропорционально, мы не будем вносить поправки на повышение температуры при сжатии, будем считать, что интеркуллер и обдув остудят воздух до входной температуры. Из этого следует, что весь наш график надо умножить на PR, который мы получили чуть выше т.е. на 2.127.

Получается вот такая кривая 

 

Теперь приступаем к самой интересной части - турбокарта.

Рассмотрим так полюбившуюся тюнерам VAGовских 1.8t турбину  Garrett GT2860RS. Для начала расскажу о строении Turbomap. 

Air Flow

По горизонтальной оси на турбокарте расположен массовый расход воздуха (Air Flow), он выражен в фунтах в минуту (lb/min). От этого параметра напрямую зависит мощность нашего двигателя, чем больше воздуха пропустим через мотор , тем больше мощности снимем. Прикинуть примерную мощность после установки той или иной турбины можно ориентируясь лишь на этот параметр, учитывая, что при прохождении через двигатель одного фунта воздуха мы получаем около 10 л.с.

Pressure Ratio

По вертикальной оси располагается параметр степени повышения давления (Pressure Ratio), его я описал чуть выше.

Скорость вращения вала турбины

Обозначена на карте линиями с указанием скорости , измеряется в оборотах в минуту об/мин.

Зоны эффективности компрессора

На карте обозначаются в процентах. Наименьшая зона в центре будет самой эффективной. На данной турбокарте эффективность работы турбокомпрессора указана до 60%, далее его использование становится не эффективным - сжимаемый воздух начинает слишком сильно греться, обороты вала турбины выходят за допустимые значения. 

С другой стороны карты, граффик ограничивает так называемая область Surge


Работа турбокомпрессора в данной области чревата его повреждениями.  Попасть в эту зону можно в двух случаях:

Первый происходит в связи с резким закрытием дросселя при сбросе газа. В этом случае расход воздуха резко падает, а компрессор еще создает давление по инерции. В этом случае мы моментально попадаем в зону Surge. Бороться с этим явлением призваны клапана типа байпас или blow-off. Байпас перепускает лишнее давление обратно на вход в компрессор, а Blow-off спускает его в атмосферу.

Второй случай попадания в зону surge - это езда на высоких передачах "в натяг". Такой режим работы более опасен, чем резкое закрытие дросселя, потому что может продолжаться значительно дольше. Вызван он тем, что скорость вращения турбины довольно велика , а массовый расход наоборот не велик. В основном причиной попадания в эту зону служит неправильно подобранная турбина, она слишком большая для данного двигателя.

Теперь самое время перенести наш заранее подготовленный график расхода воздуха на турбокарту. Выбираем на вертикальной оси степень повышения давления, которую мы ранее находили в расчетах - 2.127, и по горизонтальной оси проставляем точки в соответствии с расходом воздуха, названием точек будут обороты двигателя.

Так выглядит наш двигатель на турбокарте. Из графика видно, что на требуемый буст компрессор выйдет где-то с 2600 об/мин. Самого большого КПД компрессор достигнет на 6000 об/мин. Примерная максимальная мощность достигнет 300 л.с. Из этого можно сделать вывод, что GT2860RS будет отличным дополнением двигателя 1.8.

Вот собственно и все, мы разобрались со всем, что до этого вызывало кучу вопросов. Как всегда готов ответить на них в комментариях или по почте.

Пока)