Основы турбонаддува. 2 часть
TRIM
Для того, чтобы расшифровать само понятие «TRIM», воспользуемся двумя терминами – «эксдюсер» и «индюсер». Первый обозначает диаметр той части крыльчатки, из котрой выходит воздух, второй – диаметр части, в которую он входит. Что же касается TRIM, то этим термином обозначается отношение площадей эксдюсера и индюсера турбинного колеса или компрессора. Турбокомпрессор устроен так, чтобы эксдюсер колеса компрессора всегда был больше индюсера, а в случае с турбинным колесом – наоборот.
Собственно говоря, от показателя TRIM турбинной и компрессорной крыльчатки находится в прямой зависимости и производительность турбины. Обозначением Area/Radius (площадь/радиус) или попросту A/R принято описывать геометрию компрессорного или турбинного корпуса. С технической точки зрения данной обозначение отвечает за отношение площади сечения канала корпуса турбины к расстоянию между центром сечения и центром вала.
Стоит отметить и тот факт, что показатель A/R может оказывать разное влияние на производительность турбинной и компрессорной части. Так, A/R компрессорной части почти не оказывает влияния на показатели производительности. Как правило, корпуса турбин с достаточно большим показателем A/R принято использовать с целью оптимизации отдачи в малонаддувных турбинах. А вот для более высоких значений наддува принято использовать корпуса турбин с менее выраженным показателем A/R компрессора.
И напротив, A/R турбины оказывает весьма ощутимое влияние на ее производительность. Собственно говоря, этим параметром определяется количество воздушного потока, которое турбина способна через себя пропустить. При использовании меньшего значения A/R появляется возможность увеличить скорость прохождения воздушного потока в корпусе турбины. В этом случае также появляются возможности для повышения отдачи турбины в низком диапазоне нагрузок, кроме того здесь же наблюдается и более острый отзыв турбины на манипуляции с дроссельной заслонкой. Более того, в этом же случае наблюдается снижение значения минимальных рабочих оборотов двигателя, необходимых для выхода турбокомпрессора на работу в режиме наддува.
Впрочем, низкое значение A/R турбины может иметь и ряд недостатков. Так, газы в этом случае будут попадать на крыльчатку турбины исключительно по касательной траектории, что приведет к снижению максимального потока газов, способных пройти через колесо турбины. Наконец, при менее выраженных значения A/R повышается подбор газовой массы непосредственной перед входом в турбину, таким образом повышается значение EGT и снижается качество продувки цилиндров двигателя при работе на повышенных оборотах. В результате, максимальная выходная мощность силовой установки снижается.
Осуществить выбор конкретного корпуса турбины для двигателя можно, сведя разницу между ранним наддувом и максимальной мощностью к определенному компромиссу. В данной ситуации крайне важно также принимать во внимание особенности внутренней конструкции корпуса турбины. Несовершенство форм каналов, некоторые погрешности в форме листьев, наличие переходов между различными сечениями – все эти факторы могут оказать заметное негативное влияние на технические характеристики горячего корпуса турбины. К примеру, опытным путем удалось установить, что корпуса турбин марки TiAL, обладающие круглым входом, характеризуются более эффективными аэродинамическими свойствами и способны обеспечить более качественную продувку цилиндров на высоких оборотах, в сравнении с традиционными чугунными корпусами турбин, вход которых выполнен в прямоугольном формате.
Выбирая оптимальное значение A/R, лучше всего принимать во внимание и эффективность функционирования выпускного тракта, который располагается непосредственно после турбины. Например, в случае применения прямоточных выпускных систем с увеличенным сечением появляется возможность выбирать меньшее значение A/R турбины, а на выходе получить более быстрый переход в режим наддува при неизменных значения максимальной мощности силовой установки.
Выпускные коллекторы, их типы и оказываемое на производительность турбины влияние
Буквально все без исключения турбоколлекторы сегодня можно условно разделить на два типа – литые или сварные. Для достижения максимальных показателей турбоколлектора по производительности, придется учитывать целый ряд дополнительных рекомендаций:
- старайтесь избегать слишком резких изгибов, потому как ранеры с незначительным радиусом поворота способны поглощать немало полезной энергии от потока газа (здесь же отметим, что термин «ранер» означает канал коллектора, расположенный от фланца на блоке цилиндров до фланца на турбокомпрессоре);
- старайтесь соблюдать одинаковую длину ранеров, дабы исключить риски перекрестного наложения импульсов от выходящих отработавших газов;
- также желательно избегать резкой разницы в форме сечения и заметных переходов;
- дополнительно рекомендуется исключить резкие углы в сводах ранеров, чтобы направление и скорость потока проходящего воздуха не изменялись;
- также лучше всего отказаться от слишком большого объема коллектора, дабы турбина демонстрировала лучшую отзывчивость, а вот для получения эффекта максимального показателя пиковой мощности, напротив, объем коллектора должен быть больше;
- также идеальным вариантом станет выбор оптимального соотношения длины ранеров с объемом коллектора, в этом случае стоит принимать во внимание рабочий объем двигателя, а также диапазон его рабочих оборотов, в котором планируется достижение наибольшей отдачи.
Применение литых коллекторов, как правило, можно встретить в штатных заводских комплектациях. Что же касается коллекторов сварного типа, то они чаще применяются в спортивных доработанных вариантах силовых установок. Впрочем, оба эти типа обладают своими достоинствами и недостатками.
Так, литые коллекторы всегда обладают более компактными размерами и обладают меньшей стоимостью благодаря налаженному массовому производству. Что же касается сварных трубных коллекторов, то они производятся в единичных экземплярах или ограниченными сериями, потому как разрабатываются под каждый отдельный случай. В то же самое время, организация технологического процесса для производства таких конструкций не является особо сложной, точно так же, как и в случае с литыми коллекторами. Качественно изготовленный и оптимально спроектированный сварной трубный коллектор обладает значительно более высокой производительностью в сравнении с литыми конструкциями, а также демонстрирует рекордную продолжительность по срокам эксплуатации.
Твинскрольный коллектор
Такая разновидность, как твинскрольные коллекторы, может применяться лишь вместе с турбокомпрессорами, оснащенными твинскрольной конструкцией. При этом, твинскрольный коллектор также может быть литым или сварным трубным. Данные коллекторы принято эксплуатировать вместе с подходящими под их конструкцию твинскрольным корпусом турбины (хаузингом).
Конструкция такого плана предоставляет возможности для более эффективного использования выпускного импульса от каждого отдельного цилиндра, а достигается такой эффект благодаря принципу разделения рабочих циклов, которые пересекаются. К примеру, если в 4-цилиндровом двигателе наблюдается порядок работы по схеме 1-3-4-2, то в самом начале выпускной фазы на первом цилиндре, все еще продолжается выпускная фаза на втором цилиндре, а потому выпускной клапан первого цилиндра в этот момент оказывается все еще открытым. В непосредственной зависимости от значений параметров перекрытия, в тот же самый момент цикла может оказаться открытым еще и клапан второго цилиндра. В случае с обычным, не твинскрольным коллетором, высокое давление, которое образуется первым цилиндром, будет перебивать течение потока отработавших газов из второго цилиндра, не позволяя последнему полноценно продуться перед стартом впускной фазы. Кроме всего прочего, в этом же случае часть полезной энергии от потока первого цилиндра также будет безвозвратно утеряна.
В описанной ситуации оптимальная компоновка коллектора твинскрольного типа будет выглядеть по принципу группирования 1 и 4 цилиндров в одной части, а 2 и 3 цилиндров – в другой.
Оптимальные условия для эксплуатации энергии отработавших газов, образуемые в твинскрольном коллекторе, позволяют повысить отзывчивость турбокомпрессора на низких оборотах двигателя, а также добиться повышения пиковой мощности на в высоком диапазоне оборотов.
Степень сжатия двигателей с турбокомпрессорами
Перед тем, как приступить к обсуждению степени сжатия и давления наддува, попробуем предварительно рассмотреть один неприятный процесс, который мы называем детонацией. Детонация – это самопроизвольное (спонтанное и неконтролируемое) быстротекущее воспламенение и сгорания топливовоздушной смеси непосредственно в цилиндре. В результате возникновения эффекта детонации в камере сгорания могут происходить достаточно серьезные и резкие всплески показателя давления, что становится причиной преждевременного износа вкладышей или даже механического повреждения элементов поршневой группы.
Наиболее распространенные причины, которые и приводят к возникновению в цилиндрах эффекта детонации, можно перечислить следующим списком:
1. Модель двигателя, неустойчивая к детонации. Поскольку все двигатели обладают массой разнообразных конструктивных особенностей, то сегодня уже практически нереально точно рассчитать, насколько каждый из них склонен или устойчив к детонации. Оказать определенное влияние на данный параметр может, к примеру, расположение свечей зажигания, или объем камеры сгорания, или степень сжатия смеси топлива и воздуха, или диаметр цилиндра и даже то, насколько качественным является распыление топливовоздушной смеси в нем.
2. Внешние условия, влияющие на работу турбированного двигателя. На показатели склонности двигателя к эффекту детонации могут также оказать влияние влажность и температура воздуха, который всасывает в себя турбина. Более того, немаловажным значением в этом случае будет обладать и тот факт, какого качества воздух будет поступать в сам двигатель уже после турбокомпрессора. Чем более высокой будет степень наддува, тем более горячим воздух будет поступать в цилиндры двигателя и тем большей окажется вероятность возникновения эффекта детонации. Исключить риски детонации можно посредством дополнительного охлаждения воздуха, справиться с этой задачей призван интеркулер.
3. Высокое октановое число топлива. Октановое число топлива – данная величина характеризует степень устойчивости того или иного топлива к детонации. Так, октановое число топлива для стандартного гражданского применения чаще всего колеблется в диапазоне 92-98. А вот особые разновидности спортивного топлива могут обладать октановым числом от 100 до 120 и более.
4. Тонкости настройки ЭБУ (Электронного блока управления). Показатели устойчивости двигателя к детонации в определенной степени могут зависеть также от угла зажигания, или от соотношения компонентов в топливовоздушной смеси. Оба они, как мы знаем, зависят от настроек электронного блока управления двигателем.
Так, разобравшись с перечнем наиболее распространенных причин возникновения детонации, можем приступать к рассмотрению степени сжатия – характеристики, которая определяется по специальной формуле. Отметим также, что степень сжатия штатного двигателя заводской компоновки может отличаться в зависимости от того, турбированный он или атмосферный. К примеру, турбированный двигатель Subaru WRX обладает степенью сжатия 8,8:1, а вот штатный двигатель Honda S2000 обладает более выраженным значением - 11,1:1.
Максимально допустимая степень сжатия может зависеть от огромного числа параметров. Единственно верного критерия, который бы позволил рассчитать максимально допустимую степень сжатия сегодня практически нет. Существует лишь общепринятое правило, в соответствии с которым рекомендуется выбирать степень сжатия в максимально возможном пределе, не допуская при этом возникновения эффекта детонации и обеспечивая двигателю максимальные показатели по коэффициенту полезного действия. В то же самое время, здесь дополнительно придется принимать во внимание такие факторы, как температура воздуха, октановое число топлива, форма камеры сгорания, давление наддува, фазы клапанного механизма и даже противодавление в коллекторе.
Ряд современных атмосферных двигателей обладают настолько точно проработанной формой камеры сгорания, что способны демонстрировать высочайшие показатели по устойчивости к эффекту детонации. На такие двигатели можно даже устанавливать турбины, не изменяя заводские настройки по степени сжатия, разве что, придется позаботиться о правильной настройке электронного блока управления двигателем.
Чаще всего, при установке турбокомпрессоров на атмосферные двигатели, появляется возможность повысить их мощность на 60-100 и более процентов. Как бы там ни было, для достижения наиболее серьезных значений наддува придется заняться изменением степени сжатия, установленной по умолчанию, причем, в меньшую сторону.
Параметр AFR (соотношение воздуха и топлива в топливовоздушной смеси)
При выполнении настроек двигателя с турбокомпрессором, выбор оптимального показателя AFR (то есть, соотношения в топливовоздушной смеси, соответственно, воздуха к топливу) можно назвать одной из самых важных задач. Так, правильная настройка значения AFR может оказать прямое влияние не только на показатели производительности двигателя, но и на его общую надежность. Сам параметр AFR определяет отношение объема воздуха, поступающего в цилиндры , к объему топлива, поступающего вместе с ним туда же. Чтобы оценить качество топливовоздушной смеси принято использовать такой термин, как стехиометрическая смесь – то есть, топливовоздушная смесь с такими пропорциями, которые позволяют ей полностью сгорать. Так, стехиометрия для бензинового двигателя, как правило, составляет 1 часть топлива с 14,7 частей воздуха.
Теперь попробуем рассмотреть такое явление как бедная или богатая топливовоздушная смесью. Так, при низких параметра AFR в смеси будет содержаться меньшее количество воздушной массы, а потому такую дверь будут называть богатой. Напротив, более выраженные значения AFR свидетельствуют о большем количестве воздуха в топливовоздушной смеси и такую смесь принято называть бедной.
Если выбор пал на использование бедной топливовоздушной смеси, следует ожидать и того, что температура ее горения повысится. Противоположный эффект, то есть, снижение температуры горения топливовоздушной смеси, появляется при использование богатой смеси. Атмосферные двигатели, чаще всего, могут достичь максимальной производительности при работе на несколько более богатой смеси, чем при стехиометрии. По сути дела, показатель AFR топливовоздушной смеси в двигателе в этом случае стараются удержать на отметке 12 к 1 или 13 к 1 – это нужно для обеспечения дополнительного охлаждения. В случае с атмосферными двигателями этот показатель можно назвать оптимальным, однако для турбированного мотора он не подходит и даже считается опасным. Для уменьшения температуры сгорания топливовоздушной смеси турбированных двигателей и повышения их устойчивости к эффекту детонации, а также для попутного снижения общей температуры отработавших газов и увеличения срока службы турбины и коллектора, принято использовать еще более богатые топливовоздушные смеси, чем в случае с обычными силовыми установками.
Дабы выжать из турбированного двигателя максимально возможную эффективность, сохранив при этом его рабочий ресурс, настройщикам иногда приходится с особой тщательностью заниматься подбором оптимального соотношения трех наиболее важных параметров, которые оказывают прямое воздействием на риски возникновения эффекта детонации:
- применение позднего зажигания;
- снижение давления наддува;
- использование более богатой топливовоздушной смеси.