«На каких оборотах турбина выходит на буст?»
Часто приходится слышать этот вопрос, который, впрочем, не несет в себе смысла. Давайте разберемся.
Существует общепринятая классификация величины давления наддува: до 0,5 бар – малое давление, до 0,8 бар – среднее давление, свыше 0,8 бар – высокое давление наддува. И тут очень важно понять: любое требуемое и достигнутое давление наддува – это и есть буст. Вы строите турбомотор, значит, величину буста определяете именно вы, и эта информация является исходной при выборе турбокомпрессора, а не конечной. Очевидно, что в вопросе «на каких оборотах турбина выходит на буст?» не хватает, как минимум, конкретной величины буста, к тому же прослеживается попытка рассматривать турбокомпрессор в отрыве от ДВС, а сам по себе он не работает. Так как же тогда выбрать турбину под конкретные требования и конкретный двигатель? Ответ прост: оценивая его по турбокарте. Рассмотрим процесс оценки на конкретном примере.
Сначала необходимо определиться с величиной давления наддува. Тут надо руководствоваться принципом разумной достаточности, а также не забывать про ограничение в виде не бесконечной величины запаса прочности, главным образом, деталей ШПГ. Предположим, что требуемое давление наддува равняется 1,2 бара. Также нам понадобятся следующие данные: объем двигателя, максимальные обороты (опять же, эту величину определяете вы, исходя из тех же соображений, что и при выборе величины наддува), коэффициент наполнения. Пусть объем двигателя равен 1690куб.см, максимальные обороты равны 6500об/мин, коэффициент наполнения для 8V двигателя равен 0,75 (а для 16V – 0,85).
Расход воздуха таким двигателем: (1690*6500*0,5*0,75) / 1000000 = 4,12 куб.м/мин. Где 0,5 – это коэффициент, означающий, что наполнение цилиндров происходит один раз за два оборота коленвала (т.е. у нас четырехтакный двигатель); 1000000 – коэффициент для перевода куб.см. в куб.м. Переводим в более корректную величину, а именно в кг/мин, для чего умножаем на 0,98 (такова плотность воздуха при 15град Цельсия на 200м над уровнем моря, т.е. в Москве) = 4,04кг/мин
Выбранное давление 1,2 бара – это давление избытка относительно атмосферного, абсолютная величина равна 2,2 барам, т.е. атмосферное давление плюс давление наддува с учетом того, что 1 атмосфера примерно равна 1 бару.
Расход воздуха через мотор при наддуве 1,2 бара равен: 2,2*4,04=8,89кг/мин.
Мы готовы к оценке турбокомпрессора. Наша главная цель – «попасть» в зону максимального КПД (на турбокарте эти зоны ограничены замкнутыми областями, а КПД этих областей подписаны). По оси Х – расход воздуха, по оси Y – давление наддува. Поскольку на турбокарте у нас расход воздуха задан в фунтах в минуту, то переведем наши 8,89кг в эту величину = 19,6 фунта/мин. На турбокарте (к примеру, на карте турбокомпрессора Garrett GT2854R) находим точку пересечения величин 19,6 по Х и 2,2 по Y и попадаем в зону 68% – это хороший результат, но может быть и лучше, необходимо изучить турбокарты и у других турбокомпрессоров, главное – не попадать в зону ниже 60%.
Далее нам надо изучить переходные процессы турбокомпрессора. Для чего необходимо построить линию по двум точкам. Первая точка: расход воздуха при 50% от максимальных оборотов, т.е 19,6*0,5=9,8 фунта/мин. Вторая координата для этой точки – это заданное давление наддува 2,2 бара. Вторая точка: 20% от максимального расхода воздуха, т.е 19,6*0,2=3,9 фунта/мин; и давление равное единице (т.е только атмосферное давление без избытка от турбины). Линия, проходящая через эти две точки, должна оказаться внутри границ турбокарты (т.е. не оказаться слева от графиков). В нашем случае линия идет прямо по границе – это приемлемо. Непопадание линии в границы вовсе не означает, что турбокомпрессор не будет работать, но в исходных данных есть противоречия: наддув требуется большой, а объем у двигателя мал, при этом диапазон оборотов узок и т.п. (на практике эти противоречия могут выглядеть так: большая турбояма, за которой турбина только-только раскручивается, а уже срабатывает отсечка по оборотам) – «на выходе» это даст несбалансированный двигатель, инженеры такого бы не построили (впрочем, они разрабатывают эластичные моторы, пригодные для комфортной эксплуатации в городских условиях, а у вас могут быть другие цели).
Несомненно, у турбокомпрессора есть и другие не менее важные параметры, которые также необходимо учитывать при его выборе, но это уже выходит за рамки данной заметки.
Как читать турбокарты
Хотел бы услышать ваше мнение.
Сейчас учусь читать турбокарты. Хотелось бы уточнить правильно ли я рассуждаю или нет. ДУмаю другим это тоже будет полезно.
Пример: предположим мы хотим выбрать турбину которая бы давала 1 кг избытка в рабочем режиме. двигатель — 4G63 который мы собираемся крутить до 7500 rpm. пусть рассматриваемой турбиной будет гарретт GT28. Атмосферное давление принимаем равное 14.7 psi.
шаг_1:
сначала нам нужно определить потребность нашего двигателя 4G63 в воздухе при бусте в 1 кг. для этого используя известные формулы мы делаем расчет airflow для всего диапазона оборотов (допущения: объем двигателя = 1997 кубиков, эффективный объем = 90%):
Эта таблица показывает сколько кубических футов воздуха в минуту (cubic feet per minute, CFM) будет съедать наш двигатель на разных оборотах. Для наглядности тут я взял шаг в 500 rpm.
Pressure Ratio (PR)
Для работы с турбокартами нам нужно знать PR. PR = (давление на выходе) / (давление на входе) = (14.7 + буст) / 14.7.
PR = 2.02 — это и будет наш искомый 1 кг избытка. Этот столбец выделен зеленым. В нем показано что наш двигатель будет нуждаться в воздухе от 64.12 CFM на 1000 rpm до 480 CMF на 7500 rpm. Разумеется на 1000 rpm турбина не даст 1 кг избытка — но нам нужно определить теоретические предельные величины чтобы под них искать себе турбину.
шаг_2.
открываем каталог Garrett и находим там турбину GT28. Вот например эта: http://www.turbobygarrett.com/turbob. R_705330_1.htm
Смотрим сразу на турбокарту. Обращаем внимание что GARRETT свои турбокарты обозначает не в CFM (объем в минуту), а в LB/MIN (фунты в минуту, т.е. масса).
Наша же таблица приведена в величинах объема. Для перевода объема в массу нужно знать плотность и температуру однако они на турбокарте не указаны. Тут говорится что обычно Гарретт пишет температуру и плотность. Видимо нас не*али. Хорошо, предположим что данная турбокарта рассчитана при тех же условиях что и карта по ссылке выше, т.е. "For GT compressor flow maps using these conditions, every 10 lb/min is equal to 144.7178 cfm" или иначе говоря 1lb/min = 14.47178 CFM. С помощью этой константы переводим запросы нашей турбины (зеленый столбец) в LB/MIN:
1000 rpm: 64.12 CFM = 4.43 lb/min
7500 rpm: 480 CFM = 33.16 lb/min
Итак, предельное значение для нашего движка = 33.16 lb/min при избытке в 1 кг (PR = 2).
Теперь возвращаемся к турбокарте. Находим по вертикальной оси PR отметку 2.0. По горизонтальной линии от отметки 2.0 идем до самой правой кривой. Самая правая кривая соответствует 65% эффективности турбины (т.е. она выдает 65% от теоретически возможного согласно законам физики). Видим что точка пересечения соответствует отметке по вертикали где между 41-42 lb/min. получаем что наш двигатель требует 33.16, а турбина даст 41-42. Ок. здесь даже запас есть.
А что будет если мы поставим эффективный интеркулер? Тогда турбина будет работать эффективнее и вместо 65% кривой мы будем уже смотреть на 68%, 70%, 72%. Предположим что эффективность будет 75%. Тогда airflow будет чуть больше чем 35lb/min. Тоже есть небольшой запас.
Получается что при наших исходных данных и допущениях (объем нашего двигателя, эффективность наполнения, совпадение условий при расчете турбокарты) рассматриваемая турбина подходит для нашего использования.
Подбираем турбокомпрессор или как читать турбокарту
В интернете я как-то находил статью по этому поводу, но она мне не понравилась. теоретические VE + не бары а непонятные PSI… фу. Кто-то занимался переводом с американцев. а не писал под суровую реальность наших моторов. Так как я считаю, что умею это делать достаточно хорошо, постараюсь описать данный процесс.
ЭТАП 1
анализ мотора, на который хотим прикрутить турбокомпрессор.
Нужно узнать, сколько расходует двигатель воздуха.
либо теоретическим расчетом, либо тупо снять логи с мотора (подключить комп, запустить логер (например ICD), и записать данные)
Я записал логи своего стандартного двигателя ВАЗ 2112
Вот лог массового расхода воздуха двигателем, единицы измерения: Кг/ч.
переводим лог в новый файл для расчетов, я беру средние значения для каждой тысячи оборотов.
затем определяем какой уровень буста нас интересует.
например хотим дунуть 1 бар избытка.
это означает, что степень повышения давления будет 2
По школьной физике известно, что если сжать воздух в 2 раза, то его масса вырастет также в 2 раза, при условии что остальные параметры не изменились.
турбокомпрессор греет воздух, из-за КПД ниже 100% и из-за адиабатного сжатия воздуха. Но мы будем считать, что установленный интеркулер полностью остужает воздух до температуры до турбокомпрессора и что плотность воздуха не изменится
Поэтому для буста один бар мы умножаем массовый расход в 2 раза:
запомнили? синий график это атмосферное давление, красный график это буст 1 бар во всем диапазоне
от ХХ до отсечки.
ЭТАП 2
Теперь самое интересное. открываем, читаем турбокарты, соотносим возможности турбокомпрессора с расходом нашего двигателя.
самое интересное, что турбокарты разные производители приводят в разных единицах.
по вертикальной оси у всех находится один показатель: СТЕПЕНЬ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ.
а по горизонтали или объемный расход воздуха, или массовый расход воздуха, массовый бывает в разных величинах. Гаррет приводит в фунтах в минуту. а У нас принято килограмм в секунду.
у меня расчет расхода воздуха указан килограмм в час.
так как я приведу пример с Гарретом GT2860RS, вот его турбокарта
важное замечание, тут показана турбокарта компрессорного колеса турбокомпрессора. турбинную часть пока не трогаем.
чтобы занести в нее показатели расхода воздуха нашего двигателя, переведем их в фунты в минуту.
Конвертация по такому правилу: 1lb/min=27.21554кг/час
получаем вот такую таблицу нашего двигателя:
Дальше данные красного графика равного бусту 1 бар заносим на турбокарту указывая обороты двигателя отдельными точками 1 это 1000, 2 это 2000 и так далее.
это самый важный рисунок.
Наш двигатель нанесен красным цветом, он лежит горизонтально, потому что было условие что весь график соответствует бусту 1 бар, а избыток 1 бар это степень повышения давления 2 (1бар атмосферное давление, и 1 бар избыток)
поэтому весь красный график лежит на уровне 2
точки по оборотам расставлены согласно расхода воздуха. который мы вычислили ранее.
как видим по графику в рабочую зону компрессора
попадают обороты выше 3500. Это означает, что нужный нам буст 1 бар мы получим с гарретом 2860 на оборотах 3500 и выше. это первый важный вывод.
второе, по турбокарте мы не достигли даже середины (где компрессор работает с наибольшей эффективностью) это значит, что наш двигатель с этим турбокомпрессором имеет БОЛЬШОЙ потенциал для увеличения мощности.
у нас на 1 баре получилось массовый расход 18,4 фунта в минуту, а турбина может дать 35 фунтов в минуту, это крайняя правая часть графика турбокарты.
у нас получилось примерно чуть меньше 200 л.с.
а турбина по заявлению гаррет может дать 360 л.с.
чтобы их выжать, нужно запилить головку, закинуть в нее валы, поставить правильный ресивер, можно даже увеличить рабочий объем. то есть сделать все то, что увеличит пропускную способность двигателя даже без буста. (с бустом будет пропорционально выше)
если правильнее рисовать наш мотор на турбокарту. надо посмотреть, куда могут попасть по турбокарте более низкие обороты чем 4000.
поиск на меньшем давлении для 3000 показал, что буст там есть 0,25 бар. но более низкие обороты никакого буста не дают. совершенно никак не попадают в турбокарту, расход воздуха слишком мал, а это значит, что воздуха не хватит вывести турбокомпрессор в зону рабочих оборотов.
вот что получилось:
после 3х тысяч оборотов резкий выход на буст.
те же цифры буста для тех же оборотов
на скорректированном графике расхода воздуха двигателя по оборотам в сравнении со стандартом: