Основи турбонаддува. Частина 3.
Ця і наступна частина будуть дещо складніше перших двох, в них ми розглянемо складові компресорної карти, як оцінити "співвідношення тисків" і масова витрата повітря вашого двигуна, а так само як малювати точки на компресорній карті для правильно підбору турбокомпресора.
І. покладіть поруч з собою калькулятор - він вам знадобиться при вивченні цієї та наступної статті :)
Для початку позначимо і роз'яснимо деякі терміни, з якими нам доведеться зіткнутися в цій статті:
Поняття абсолютного і відносного тиску.
Під абсолютним тиском ми будемо розуміти тиск щодо повного вакууму. Відповідно воно може бути тільки більше або рівним нулю. На Землі на рівні моря воно прийнято рівним одній атмосфері або 1атм.
Під відносним тиском ми будемо розуміти тиск щодо атмосферного. Відповідно воно може бути як позитивним так і негативним, залежно від того більше або менше воно ніж атмосферний.
Давайте розглянемо їх на прикладі тиску у впускному колекторі двигуна. Всі напевно бачили в своєму житті прилади показують наддув. Такі прилади показують саме щодо тиск. На двигуні, що працює на холостому ходу, вони показують розрядження -0.65 ..- 0.75атм. На наддуванні ми можемо бачити значення 1.0. 2.0 і вище атмосфер. Все це значення відносного тиску. Абсолютні значення будуть завжди на 1.0 більше, оскільки ми повинні додати одну атмосферу атмосферного тиску, щодо якої прилад і показує свої значення.
Тобто на ХХ абсолютний тиск дорівнюватиме +0.25 .. + 0.35, а на наддуванні, відповідно 2.0..3.0.
Складові компресорної карти
Компресорна карта це графік, що описує конкретні характеристики компресора в різних режимах його роботи. Серед цих характеристик ми розберемо: ефективність компресора, діапазон масової витрати повітря, можливості роботи на різних тисках наддуву, а так само швидкість обертання валу турбіни.
Нижче приведена типова компресорна карта з назвами її складових.
Розглянемо "/>
За вертикальної осі у нас розташований Pressure Ratio, або "співвідношення тисків", величина, описувана як відношення абсолютного тиску на виході з компресора до абсолютного тиску на його вході:
де:
PR - співвідношення тисків
Pcr - абсолютний тиск на виході компресора
Pin - абсолютний тиск на вході компресора
* Дуже грубо кажучи ця величина просто показує у скільки разів компресор стиснув повітря.
Як розрахувати Pressure Ratio: Наприклад ми хочемо розглянути ситуацію роботи компресора при 0.7 атм наддуву в колекторі. Для початку згадаємо що "наддув" це відносне тиск, а ми всюди оперуємо тільки абсолютним. Тому відразу додаємо до нього 1.0 атмосферного тиску і далі маємо на увазі що у нас 1.7атм абсолютного тиску в колекторі
У нашому випадку, при нормальному атмосферному тиску на вході в турбіну, співвідношення тисків буде таким:
PR = Pcr / Pin = 1.7 / 1.0 = 1.7
Але насправді все трохи складніше. У зв'язку з наявністю в системі повітряного фільтра тиск на вході в компресор, як правило, дещо менше атмосферного. Залежно від розміру і якості фільтра воно може бути менше на 0.02-0.10атм. Припустимо у нас воно менше атмосферного на 0.05атм.
Тоді наша формула придбає такий вигляд:
PR = 1.7 / (1.0-0.05) = 1.7 / 0.95 = 1.79
Повторимо ще раз - для обчислення Pressure Ratio нам треба знати наддув для якого ми його вважаємо і розрядження на впуску перед компресором. Після цього
PR = (1.0 + тиск на виході компресора) / (1.0 - розрядження на впуску)
У разі спортивної машини без повітряного фільтра, ми можемо прийняти наш дільник завжди дорівнює одиниці і просто вважати PR = 1 + ДавленіеНаВиходе.
Air Flow або витрата повітря
По горизонтальній осі у нас розташований "масова витрата повітря".
Це величина, що показує, масу повітря, що проходить за одиницю часу через компресор і, відповідно, далі через двигун. Історично це величина на компресорних картах виражається в lb / min або по-російськи в фунтах повітря за хвилину часу. Фунт це 0.45кг, а хвилина це 60 секунд :)
Оскільки, як ми вже проходили, потужність двигуна безпосередньо залежить від кількості паливо-повітряної суміші яка проходить через нього, масова витрата, це, одна з головних характеристик яку ми можемо отримати, вивчаючи компресорну карту. При проходженні через мотор 1 фунта повітря в хвилину, сучасні мотори виробляє в середньому 9-11 кінських сил потужності. Відповідно навіть побіжний погляд на компресорну карту може нам сказати, на яку потенційну потужність ми можемо розраховувати з цієї турбіною. На наведеному вище прикладі, область роботи компресора закінчується приблизно на 52 фунтах, відповідно цю турбіну грубо можна відразу оцінити на 500лс.
Кордон Surge це крайня ліва лінія компресорної карти. Робота компресора лівіше цієї межі, тобто за межами позначеної компресорної картою, пов'язана з нестабільністю повітряного потоку, сплесками і провалами наддуву. Тривала робота компресора в такому режимі призводить до передчасного виходу його з ладу на увазі великий змінного навантаження на підшипники і крильчатку компресора.
Турбіна "/>
Перший найпоширеніший - при різкому закритті дроселя, коли масова витрата повітря через мотор різко падає, але турбіна все ще обертається досить швидко. Це миттєво перекидає нас вліво по компресорної карті в зону Surge. Але швидке спрацьовування Blow Off клапана відновлює витрата повітря через турбіни, випускаючи надлишок наддутого повітря в атмосферу.
Другий випадок - виникнення Surge на режимі повного навантаження, зазвичай на низьких оборотах, коли турбіна тільки починає виходити на наддув. Він значно небезпечніший, оскільки може тривати відносно довго, особливо на високих передачах. Як правило, це пов'язано з дуже великою швидкістю обертання турбіни і великому створюваному тиску в компресорі, при відносно малому загальній витраті повітря через мотор. Зазвичай спостерігається на гібридах з маленькою гарячої частиною, маленьким A / R гарячої частини і великий компресорної частиною.
Ще одним способом, що допомагає знизити ймовірність попадання компресора в зону Surge є використання компресорного хаузінга з так званим "Ported Shroud". Фактично це обвідні повітряні канали, вбудовані в компресорний хаузінг:
Видно, "/>
Як це виглядає в реальному житті? Нижче наведено фото двох турбін 30й серії, перша 3071 без "Ported Shroud", друга 3076 із заводським "Ported Shroud"
Так само буває можливість доопрацювання заводського компресорного хаузінга під "Ported Shroud", якщо з заводу він не був виготовлений. Наприклад в разі GT3582R це виглядає так:
Подивимося "/>" Гранична межа ефективності "," Зони ефективності компресора "і" Швидкість обертання турбіни "
Гранична "/>
Як лінія Surge обмежує карту зліва, так межа ефективності обмежує її справа. Garrett на своїх картах вказує область роботи компресора до 60-58% ефективності. Все, що знаходиться правіше за цю межу, матиме ефективність нижче 58% і використання компресора в цій області втрачає сенс. За цією межею починається невиправдано великий нагрів стискається компресором повітря, а швидкість обертання турбіни виходить за допустимі виробником значення.
Зони ефективності компресора
Ми бачимо концентричні замкнуті лінії, що розходяться з центральної області карти. Біля кожної такої лінії підписано значення ефективності компресора всередині області окресленої цією лінією. Найменша область в центральній частині відповідає максимально можливої ефективності компресора. У міру віддалення від центру ми будемо потрапляти в області все меншою і меншою ефективності поки не зайдемо або в межа по Surge зліва, або в межа по продуктивності праворуч.
Швидкість обертання турбіни
Лінії, позначені на карті як "швидкість обертання турбіни", показують з якою швидкістю буде обертатися вал турбіни в цій області. Значення виражаються в оборотах вала за хвилину часу. З ростом швидкості обертання турбіни у нас збільшується тиск і / або витрата повітря через компресор. Як видно, ці лінії починають сходитися в області межі зони ефективності і, як вже було сказано вище, за межами цієї області швидкість обертання турбіни швидко збільшується за межі допустимого.
На цьому ми закінчуємо розгляд компресорної карти і тепер, розуміючи що на ній зображено, в наступному розділі ми перейдемо до вивчення процесу підбору турбіни під конкретний мотор.