Турбо теория для новичка

Турбирование двигателей внутреннего сгорания — самый эффективный способ увеличения их мощности. Каждая вновь приобретенная лошадиная сила, полученная после установки турбочарджера, получается дешевле, нежели при других путях апгрейда мотора.

Как установить турбину? Как выбрать турбину - Техно теория

автор: Алексей Романов

Всем про это известно…

На самом деле не высокая эффективность доработки моторов посредством турбин стала поводом обратиться к теоретическим основам этой процедуры. Тем более, в условиях сегодняшнего состояния экономики ожидаемая дешевизна приобретенных «лошадей», вычисляемая главным образом за счет их количества, нивелируется размером общих вложений. Просто на протяжении довольно долгого времени (последние пару лет уж точно) все многочисленные публикации о доработках автомобилей на тему турбирования преподносят в несколько однобокой манере. Подробнейшие повествования о поэтапной подготовке двигателя с разбором технологических операций и оценки конструктивных особенностей каждой детали, выбираемой для кривошипно-шатунного механизма, цилиндропоршневой группы, ГРМ и т. д., подойдя к теме турбирования, как правило, странным образом обрываются примерно так: «Параметры кастом турбосистемы остались засекреченным know-how ее изготовителя».

Как установить турбину Техно теория Как выбрать турбину 12

А когда речь идет о конструкциях турбосистем с различной принципиальной схемой, чаще всего особенности их работы подлежат рассмотрению только относительно друг друга. О характеристиках же, влияющих на величину отдачи силового агрегата, нет ни слова. То, как все работает расписано досконально, а о том, сколько вырабатывает та или иная замечательная конфигурация — ничего.

Как установить турбину? Как выбрать турбину - Техно теория

Отчеты о проделанной тюнерами работе (рассказы о доработанных машинах — подавно) тоже не отличаются информативностью. В них практически не встречается хотя бы перечисление руководящих принципов выбора турбочарджеров. Обычно все ограничивается лишь наименованием установленной модели без обоснования предпочтений. Вместо этого можно прочесть фразы типа: «про турбирование всем все известно». Поддавшись силе подобных выражений, можно легко впасть в заблуждение о степени своей информированности, подобно Кисе Воробьянинову в одной из экранизаций «12 стульев», уверовавшему в знание им немецкого языка. Заблуждения и неточности вообще имеют свойство укрепляться в сознании человека, порой приобретая свойства аксиом.

Как установить турбину? Техно теория. Как выбрать турбину?

Вот, к примеру, если спросить любого, более-менее сведущего в технике человека, о том, чему равна мощность двигателя, то с огромной долей вероятности в ответ получим: «Мощность равна произведению крутящего момента и оборотов коленвала». Услышав и запомнив нехитрую формулу, тюнер-новичок проведет немало времени, подставляя известные параметры в это уравнение, удивляясь величине получаемых искомых. И только потом к нему придет осознание необходимости присутствия в уравнении фундамента инжиниринга — коэффициента. То есть, изначально сообщение о равенстве содержало неточность. Хоть это и не назвать большой ошибкой, но все-таки лучше сюда подходит понятие эквивалентности.

Как установить турбину? Техно теория. Как выбрать турбину?

ФОРМУЛА МОЩНОСТИ

Мощность, как величина механической энергии, выдаваемой двигателем внутреннего сгорания, измеряется в крутящем моменте, получаемом при определенных оборотах. Вычислить ее значения можно по формулам: Ne (л. с.)=n (об/мин) Me (кгм)/716,2 или Ne (кВт)=n (об/мин) Me (Нм)/9000,55, где Ne — мощность, n — обороты коленвала, Ме — крутящий момент.
Как установить турбину? Как выбрать турбину - Техно теория
Как установить турбину? Как выбрать турбину — Техно теория

Естественно, долгое отсутствие элементов турбо теории в периодических автомобильных изданиях ни в коем случае не отразилось на среднем уровне знаний в тюнинговой среде. Те, кто дорабатывал таким образом двигатели, подтвердят, что для осуществления своих планов совсем не обязательно уметь щелкать как орехи дифференциальные уравнения, логарифмы и прочие мудреные формы вычислений из программы высшей или самой обычной математики. Необходимые для решения подобной задачи навыки, скорее, ближе к арифметике, а довольно большая их часть и вовсе сродни простейшей геометрии (даже не начертательной). Провести две пересекающиеся под углом 90 градусов прямые на графике — задача не из разряда затруднительных. Огромное количество, опять же, коэффициентов, полученных благодаря системным лабораторным исследованиям для замещения ими сложных функциональных зависимостей параметров газодинамических процессов, еще более упрощают решения задачи подбора турбочарджера. Но, все же, держа в голове постоянно прибавляющееся количество вновь пристрастившихся к тюнингу, повторить теоретические аспекты не будет лишним.

Как установить турбину Техно теория Как выбрать турбину

Турбина — формула мощности

Совсем не просто так в предыдущей главе была упомянута формула мощности мотора. Если вести разговор именно только о турбочарджере, принимая все работы по необходимому укреплению и совершенствованию деталей двигателя как уже свершившийся факт, то именно мощность служит точкой отсчета, с которой начинается выбор размеров турбосистемы. Конечно, желание снять побольше сил обязательно будет ограничено способностью двигателя выдерживать повышенные нагрузки. Поэтому мечтая о «лошадях», несмотря на то, что для получения их умопомрачительного количества обязательно найдется подходящий турбокомпрессор, нужно помнить и таком понятии как ресурс.

ЕЩЕ ОДНА ФОРМУЛА МОЩНОСТИ

Формулу для подсчета мощности можно записать и отталкиваясь от геометрии мотора: Ne=Pa L А mц n/2 r, где Ра — эффективное давление (или среднее давление) действующее на поршень, L — ход поршня, А — площадь поршня, mц — число цилиндров, n — обороты в минуту. Собственно, это та же формула, что и приведенная ранее, просто крутящий момент здесь представлен как произведение площади и хода поршня, а также давления на него. В этом уравнении часть mц n/2 описывает число рабочих ходов 4-тактного двигателя, совершаемые за одну минуту. Во избежание излишних нагромождений значение коэффициента при ведения обозначим как г, без учета размерностей остальных переменных, поскольку в представленной форме уравнение имеет, скорее, логическую, нежели вычислительную ценность.

Как установить турбину? Как выбрать турбину - Техно теория

Из связи крутящего момента с давлением на поршень и геометрией цилиндра не трудно увидеть, что наибольшие резервы роста мощности без кардинального пересмотра конструкции двигателя лежат в повышении давления при рабочем ходе. Давление это, конечно, зависит от эффективности процесса сгорания топлива, но в большей степени на него оказывает влияние масса топливовоздушной смеси, заключенная в объеме цилиндра. Поскольку состав смеси колеблется в крайне ограниченных пределах, ее количество полностью описывается расходом воздуха через двигатель.

Как установить турбину Техно теория Как выбрать турбину 14

РАСХОД ВОЗДУХА ЧЕРЕЗ ДВИГАТЕЛЬ

Полное уравнение расхода воздуха через цилиндры двигателя выглядит так : Gb(кг/c)=kNe geaI, где k=0,28 10-6 — коэффициент при ведения, ge — удельный расход топлива (г/кВт ч), а — коэффициент избытка воздуха, I~14,5 — показатель стехиометрического состава смеси. При решении этого уравнения значения удельного расхода воздуха и избытка воздуха устанавливаются, исходя из испытаний двигателей, аналогичных конструкций. Таким образом, расход выражен как функция мощности, но его можно выразить и как функцию степени повышения давления на впуске и оборотов мотора: GB=Vh n nv Р0 Рк/1,2 105, где Vh — рабочий объем мотора (л), nv — коэффициент наполнения, P0 — плотность воздуха при нормальных атмосферных условиях (1,2 кг/м 3), РК — коэффициент, учитывающий увеличение плотности воздуха в компрессоре. Степень повышения давления, являющаяся одним из основных показателей, отображаемых производителями в характеристиках турбо чарджеров, определяется как раз исходя из коэффициента Рк. Правда связь эта имеет довольно сложную формулу, к тому же меняющуюся в зависимости от наличия и вида конструкции теплообменника в турбо системе. Причем часть переменных в этих формулах определяется по таблицам газодинамических функций в зависимости от значений других переменных. При водить эти таблицы в этой статье бессмысленно. Во-первых, они займут очень много места. Во — вторых, расчет по этой методике больше подходит для конструирования турбо-чарджера с чистого листа, а для выбора образца из готовой продукции вполне можно обойтись и менее громоздкими вычислениями.

Как установить турбину? Как выбрать турбину - Техно теория

По расходу воздуха в качестве основного критерия и степени повышения давления выбирают одну из двух ставных частей турбочарджера — компрессорную. Определение же пара метров турбинной части исходит из того, что величина давления в компрессоре зависит от результирующей линейной скорости бесконечно малого объема воздуха на наружной кромке лопатки компрессорного колеса. Иначе говоря, она зависит от диаметра последнего и скорости вращения, которая задается турбиной. Если от компрессора в большей степени зависят пиковые значения мощности турбированного мотора, то от турбины – характеристики выхода на различные режимы работы. Поэтому задача подбора турбо системы двуедина. Приступая к рассмотрению претендентов на место под капотом, сначала нужно определиться не только с уровнем желаемой мощности, но и с тем, как машина будет эксплуатироваться. Причем второе, пожалуй, даже важнее, что совпадает с общим правилом для всех систем как при тюнинге, так и при проектировании автомобиля в целом.

Как установить турбину? Как выбрать турбину - Техно теория
Как установить турбину? Как выбрать турбину — Техно теория

Автомобиль в большинстве случаев является многофункциональным средством передвижения. Но даже строя машину под определенные цели (будь то повседневные городские или пригородные поездки, соревнования на лучшее время круга, преодолеваемого с постоянной крейсерской скоростью, дрэг-битва, дрифт, или же перевозка грузов) при подборе турбо-чарджера придется искать компромисс в величинах турбо-лага, температуры, скорости выхода на рабочий режим, крутящего момента и мощности на низах.

Правильный выбор обеспечит низкое сопротивление системы, малозаметную турбо-яму, низкую температуру топливного заряда и низкое давление в выпускном коллекторе. Но каков бы ни был выбор, все равно придется пожертвовать либо моментом на низах, либо максимумом мощности вверху. Впрочем, для устранения этих недостатков существуют проверенные решения, досконально расписанные в статьях о конструктивных схемах турбо систем. Сегодня разговор не о них.

Как установить турбину? Техно теория. Как выбрать турбину?

Обратный инжиниринг

В автомобильной науке множество условностей и допущений. Можно, конечно, относиться к ним пренебрежительно, называя обратным инжинирингом (это когда решение подгоняется под результат при помощи коэффициентов), но на протяжении многих десятилетий такая методика давала достойный результат. Современные методы вычисления, подкрепленные возможностями компьютерной техники, позволяют досконально проработать все нюансы конструкции. Однако при тюнинге столь громоздкие вычисления не оправданны, поскольку технологические возможности самостоятельных изысканий ограничены. Ну, в самом деле, как в непромышленных условиях, например, модифицировать инконелевое колесо турбины, даже если благодаря собственным расчетам удалось найти резервы для повышения отдачи мотора. При тюнинге обычно расчеты выполняют для определения параметров выбора из уже существующих типоразмеров, и для этого достаточно упрощенной схемы расчетов, которой пользовались инженеры до появления электронных средств вычислений.

Как установить турбину Техно теория Как выбрать турбину

Какой нужен размер турбины? Выбор турбины.

Раз выбор режимов является приоритетным, то вопреки правилу, устоявшемуся у составителей учебных программ, описание поиска оптимальных размеров турбо компрессора стоит начать с его турбинной части, но перед этим рассмотрим некоторые общие положения.

Турбина призвана раскручивать компрессорную часть до тех скоростей, которые смогут обеспечить в ней желательные величины потока воздуха и давления наддува.
Маленькая турбина будет раскручиваться быстрее, чем большая, при той же самой энергии выхлопных газов. Потом, правда, такая турбина создаст большее ограничение потоку выхлопа, а оно вызовет противодавление в выпускном коллекторе – неприятный побочный эффект. Это не означает поиск компромисса. Размер турбинной части, даже когда основной целью выбора является обеспечение максимально возможной скорости раскрутки, должен сохранять уровень противодавления на минимуме.

Давление в выпускном коллекторе служит хорошим показателем успешности того насколько хорошо турбинная часть подобрана для конкретного двигателя. Чем меньше показания манометра, установленного в выпускном коллекторе, тем больше мощности мотора. Давление в выпускном коллекторе не должно превышать давление наддува приблизительно в 2,5 раза.

Как установить турбину? Как выбрать турбину - Техно теория

Резвый отклик турбины на педаль газа, ранний подхват, и, как следствие, ощутимые показатели избытка на впуске, которые расхваливает какой-нибудь производитель турбин малого размера, порадуют только владельцев тихоходных пикапов для перевозки печатной продукции от склада до торгового ларька. Для легкового автомобиля даже при обычном городском режиме с рваным ритмом передвижения такие турбо-малютки становятся проблемой, отбирая уже на оборотах чуть выше средних до 20% мощности.

Как установить турбину Техно теория Как выбрать турбину 14

Процесс выбора турбинной части во многом заключается в оценке двух параметров:
размера турбины и отношения A/R. Размер турбины вообще можно оценивать по диаметру ее выходного отверстия (рис.1). Хотя такой подход, конечно же, грубоват, но все же дает представление о потенциале потока выхлопных газов, пропускаемых турбиной. Выбор турбины, в отличие от компрессора, в большей степени основывается не на прямых вычислениях, а на результатах измерений (как самостоятельных, так и накопленных предшественниками и инженерами в лабораториях).

Как установить турбину? Как выбрать турбину - Техно теория

По графику зависимости расхода воздуха в компрессоре от размера выходного диаметра турбинной части (рис.2), построенного по усредненным статистическим результатам тестирования и испытаний существующих турбодвигателей, можно начать рассмотрение группы чарджеров, подпадающих под интересующий диапазон расхода. Более простая формула для вычисления расхода (в сравнении с приведенной выше) будет приведена в главе, посвященной подбору компрессоров. у производителей турбо-китов имеются собственные графики подобных зависимостей, лучше характеризующие их продукцию. Но в любом случае оценка по этому показателю очень приблизительна.

Как установить турбину? Как выбрать турбину - Техно теория

Отношение A/R

В то время как габарит турбины приблизительно отражает ее способность переваривать поток выхлопных газов, оценка отношения A/R — инструмент более точного подбора ее основных конструктивных размеров. Параметр А, называемый площадью разгрузки, представляет собой площадь сечения конусного канала, организованного по периметру улитки. Параметр R в отношении A/ R — расстояние от оси турбинного колеса до линии центра сечений конусного канала улиточной части. Отношение A/ R постоянно по всей окружности турбины (рис. 3) :

Al/ R1=A2/ R2=A3/ R3=A4/ R4=A5/ R5.

Соотношение A/R применимо и для компрессорной, и для турбинной частей чарджера. Компрессорный A/ R незначительно влияет на производительность турбо системы, хотя увеличение его часто применяют для некоторого повышения давления при малом расходе у чарджеров небольших размеров.

Как установить турбину? Техно теория. Как выбрать турбину?

На компрессорах с большим расходом, наоборот, иногда его уменьшают, раздвигая тем самым границы пика наддува. Гораздо важнее для характеристик системы турбинный A/R. Размер А- существенный фактор, поскольку он определяет скорость, с которой выхлопные газы выходят из конусной части улитки на лопатки колеса. Это имеет непосредственно е отношение к скорости вращения турбины. Чем площадь разгрузки меньше, тем она выше. Необходимо помнить, что площадь разгрузки также влияет и на силу противодавления, стремящуюся вернуть вы хлоп обратно в камеру сгорания.

Параметр R тоже существенно сказывается на скорости вращения турбины. Принципиальная зависимость такая же: чем меньше R, тем скорость выше. Но что более весомо, увеличение R дает на валу крыльчатки больший крутящий момент. Это объясняется довольно просто: чем больше рычаг приложения сил (в нашем случае от выхлопных газов), тем больший момент получаем на оси. Выбирать лучше турбину с большим диаметром турбинного колеса, если позволяют условия.

Если ошибочно выбрана турбина со слишком большим значением A/R, то рост давления наддува будет происходить слишком вяло. A/R должно быть настолько большим, чтобы не было препятствий для скорости вращения, достаточной для получения, в конечном счете, необходимого давления в компрессоре.

Если A/ R слишком мал, то реакция турбины на переменные условия режимов движения автомобиля будет столь быстрой, что управление машиной станет казаться трудным и нервным. Это также отразится на снижении мощности в верхней трети диапазона оборотов двигателя.

На рис.4 изображена примерная зависимость давления наддува компрессора от давления на в ходе в турбинную часть при разных значениях A/R. Более точные цифры, служащие отправной точкой выбора отношения A/R, можно получить только путем измерений давления в выпускном коллекторе и давления наддува на впуске непосредственно на двигателе.

Как установить турбину Техно теория Как выбрать турбину 14

Trim

Еще один пара метр, характерный для турбинной и компрессорной части, — соотношение входного и выходного диаметров крыльчаток, обозначаемое в спецификациях как Trim. В компрессоре входной диаметр меньше, а в турбине, наоборот, поток газов в ходит в контакт сначала с лопастями колеса большего диаметра. Тем не мене, Trim в обоих случаях считается как меньший диаметр, деленный на больший. Часто в документации результат деления умножают на 100. Характеризовать Trim как конусность не совсем корректно, поскольку у колес с разной шириной при одинаковом соотношении диаметров фактическая конусность будет разной. Поэтому лучше придерживаться именно понятия Trim.

Для компрессоров меньшее значение Trim означает более быструю раскрутку, но расход у них меньше, нежели у компрессоров с более высоким значением соотношения диаметров колес. Кроме этого, высокий Trim означает, что турбо подхват будет резче. Именно на резкость реакции в первую очередь влияет этот показатель и у турбинных колес.

Как установить турбину? Техно теория. Как выбрать турбину?

Сколько нужно количество лопаток на колесе?

Существуют формулы и для определения количества лопаток на колесе, но результаты вычислений сегодня имеют лишь познавательный эффект, так как за десятилетия сложилась достаточно устойчивое суждение об их численности в зависимости от диаметров колес. Для колес компрессора, если наружный их диаметр не превышает 80 мм, количество лопастей не может быть больше 12-14 для соблюдения условия 3-5 миллиметрового расстояния между входными кромками лопаток у основания наименьшего диаметра. На большем диаметре, естественно, возможно размещение большего количества лопастей. Увеличение их числа приводит к повышению КПД за счет уменьшения зон срыва потока и протечек на периферии. Но с определенного момента начинают расти потери на трение, и КПД перестает повышаться.

В общем случае, с увеличением числа лопаток на колесе сужается диапазон эффективной работы компрессора. Для повышения эффективности с сохранением широты диапазона прибегают к переменному по диаметру количеству лопаток. На меньшем диаметре число лопаток иногда даже уменьшают для сдвига границы помпажа в область меньшей производительности. Уменьшение производится укорочением или подрезкой лопастей на расстоянии 5-10 мм от входных кромок. Лопатки могут быть укорочены как все, так и через одну.

Как установить турбину Техно теория Как выбрать турбину

Раньше конструкторы старались сохранять равенство диаметров колес турбины и компрессора, считая, что это лучший способ обеспечить равную результирующую линейную скорость газов на кромках крыльчаток с обеих сторон чарджера. Собственно, это еще и облегчало задачу расчета, так как при таком подходе предполагался и одинаковый расход газов через обе улитки. Но разница в температурах и, соответственно, в плотности выхлопных газов и воздуха все-таки разрушает подобное равенство. Из уравнения степени понижения давления в турбине (одного из тех, что используются для проектирования турбины с чистого листа) следует, что диаметры и число лопаток турбинных колес меньше примерно на 10-15%, что подтверждают стендовые показатели.

Previous NISSAN Fairlady Z s30 - Симбиоз поколений
Next Самые продаваемые машины в России в 2017 году - топ 25