Как степень для турбо моторов

Степень сжатия турбомоторов

Прежде чем приступить к обсуждению степени сжатия и давлению наддува, важно понять, что такое кнок или детонация. Детонация — это опасный процесс, вызванный спонтанным быстротекущим сгоранием топливновоздушной смеси в цилиндрах. Этот процесс вызывает резкие и большие по величине всплески давления в камере сгорания ведущие со временем к механическому разрушению поршневой группы и износу вкладышей.

Основными факторами, вызывающими детонацию являются:

— Естественная склонность самого мотора к детонации. Поскольку все моторы имеют свои конструкционные особенности, нет простого и однозначного ответа как лучше. Форма камеры сгорания, расположение в ней свечи зажигания, диаметр цилиндра и степень сжатия, качество распыла топлива — все это влияет на склонность или, наоборот, устойчивость конкретного мотора к детонации.

— Внешние условия. В турбомоторах параметры всасываемого турбиной воздуха, его температура и влажность, а также параметры воздуха, который попадает в цилиндры после турбины, влияют на склонность к детонации. Чем выше наддув, тем больше температура воздуха, поступающего в цилиндры, и тем больше вероятность возникновения детонации. Интеркулер с хорошей эффективностью охлаждения сжатого воздуха значительно помогает в борьбе с детонацией.
— Октановое число топлива. Октан — это величина показывающая стойкость топлива к возникновению детонации. Октан типовых гражданских бензинов находится в диапазоне 92-98 единиц. Специальные спортивные виды топлива имеют октан 100-120 и выше единиц. Чем выше октан, тем более стойким является топливо к возникновению детонации.
— Настройки блока управления. Угол зажигания и соотношение воздух/топливо значительным образом влияет на склонность или устойчивость мотора к детонации в различных режимах.

СЖ заводских моторов будет разной для атмосферного и турбомотора. Например стоковый мотор Honda S2000 имеет СЖ равную 11.1:1, в то время как турбомотор Subaru WRX имеет СЖ 8.8:1.

Существует много факторов влияющих на максимально допустимую СЖ. Нет одного простого ответа какой она должна быть. В общем случае, СЖ должна быть выбрана максимально возможной для предотвращения детонации, с одной стороны, и обеспечения максимального КПД двигателя, с другой. Факторами влияющими на выбор СЖ в каждом конкретном случае являются: октановое число применяемого топлива, давление наддува, температура воздуха в предполагаемых режимах эксплуатации, форма камеры сгорания, фазы клапанного механизма и противодавление в коллекторе.
Многие современные атмосферные моторы имеют хороший дизайн камеры сгорания и большую стойкость к детонации, что при правильной настройке блока управления позволяет устанавливать на них турбонаддув не меняя заводскую степень сжатия.

Обычной практикой при турбировании атмосферных моторов является увеличение мощности на 60-100% относительно заводской. Тем не менее, для значительных значений наддува требуется уменьшение заводской СЖ.

AFR или соотношение воздух/топливо.

При обсуждении вопроса настройки двигателя, выбраный AFR, наверное, наиболее часто встречающийся вопрос. Правильный AFR имеет крайне высокое влияние на общую производительность и надежность мотора и его компонентов.
AFR определен как соотношение количества воздуха зашедшего в цилиндр к количеству зашедшего в него топлива. Стехиометрическая смесь это смесь при которой происходит полное сгорание топлива. Для бензиновых двигателей стехиометрией является соотношение 14.7:1. Это означает что на каждую часть топлива приходится 14.7 частей воздуха.

Что означают понятия бедная и богатая смесь? Более низкие значения AFR означают меньшее количество воздуха относительно топлива и такая смесь называется богатой. Аналогично, большие значения AFR означают больше воздуха относительно топлива и называются бедной смесью.

Например:
15.0:1 = бедная
14.7:1 = стехиометрическая
13.0:1 = богатая

Бедная смесь ведет к повышению температуры горения смеси. Богатая — наоборот. В основном атмосферные моторы достигают максимальной отдачи на смеси, несколько богаче стехиометрии. На практике ее держат в диапазоне 12:1. 13:1 для дополнительного охлаждения. Это хороший AFR для атмосферного мотора, но он может в некоторых случаях быть крайне опасным в случае с турбомотором. Более богатая смесь снижает температуру в камере сгорания и повышает стойкость к детонации, а также снижает температуру выхлопных газов и увеличивает срок службы турбины и коллектора.

Реально при настройке существует три способа борьбы с детонацией:
— уменьшение давление наддува
— обогащение смеси
— использование более позднего зажигания.

Задачей настройщика является поиск наилучшего баланса этих трех параметров для получения максимальной отдачи и ресурса турбомотора.

2 сентября 2014 — 3589 просмотров Комментарии

Источник

Изменение степени сжатия

После того как мы определились со степенью сжатия перед нами стоит вопрос как правильно добиться нужной нам степени сжатия. Для начала нужно рассчитать на сколько необходимо увеличить камеру сгорания. Это не сложно. Формула для вычисления степени сжатия имеет следующий вид:
Ɛ=(VP+VB)/VB
Где Ɛ— степень сжатия
VP — рабочий объём
VB — объём камеры сгорания

Преобразовав уравнение можно получить формулу для вычисления камеры сгорания при известной степени сжатия.
VB=VP1/Ɛ
Где VP1 — объём одного цилиндра

Читайте также:  Мотор редукторы производителя siti

По этой формуле вычисляем объём имеющейся камеры сгорания и вычитаем из него объём желаемой (вычисленный по той же формуле), полученная разница и есть интересующее на значение на которое и нужно увеличить камеру сгорания.

Существуют разнообразнве способы увеличения камеры сгорания но далеко не все из них верные. Камера сгорания современного автомобиля спроектирована таким образом, что при достижении поршнем ВМТ топливо воздушная смесь вытесняется к центру камеры сгорания. Это пожалуй самая действенная разработка препятствующая детонации.

Самостоятельная доработка камеры в ГБЦ под силу далеко не многим. Это обусловлено тем, что вопервых вы можите нарушить спроектированную форму камеры, так же при доработке могут «вскрыться» стенки т.к. не известна их толщина. Так же не рекомендуется «расжимать мотор» толстыми прокладками т.к. Это нарушит процессы вытеснения в камере сгорания. Наиболее простым и правельным способом считается установка новых поршней в которых задан необходимый объём камеры. Для турбо-двигателя сферическая форма считается наиболее эффективной. Лучше использовать для этих целей специально разработанные и изготовленные поршни. Возможен вариант самостоятельной доработки стоковых поршней. Но сдесь нужно учесть что толщина дна поршня не должна быть меньше 6% от диаметра.

Степень сжатия в турбо двигателе

Одной из самых важных и пожалуй самой сложной задачей при проектировании турбодвигателя является принятие решения о степени сжатия. Этот параметр влияет на большое количество факторов в общей характеристике автомобиля. Мощность, экономичность, приёмистость, детонационная стойкость (параметр от которого сильно зависит эксплуатационная надёжность двигателя в целом), все эти факторы в значительной степени определяются степенью сжатия. Также это влияет на расход топлива и состав отработавших газов. В теории, степень сжатия для турбо-мотора рассчитать не составляет большого труда.

Сначала разберём понятие «Сжатие» или «Геометрическая степень сжатия». Оно представляет собой отношение полного объёма цилиндра (рабочий объём плюс пространство сжатия, остающееся над поршнем при положении в верхней мёртвой точки (ВМТ)), к чистому пространству сжатия. Формула имеет следующий вид: Ɛ=(VP+VB)/VB

Где Ɛ— степень сжатия
VP — рабочий объём
VB — объём камеры сгорания

Не нужно забывать о существенных расхождениях между геометрической и фактической степенью сжатия даже на атмосферных моторах. В турбодвигателях к этим же процессам добавляется и предварительно сжатая компрессором смесь. На сколько фактически от этого увеличиться степень сжатия, видно из следующей формулы:
Ɛeff=Egeom*k√(PL/PO)
Где Ɛeff — эффективное сжатие
Ɛgeom — геометрическая степень сжатия
Ɛ=(VP+VB)/VB, PL — Давление наддува (абсолютное значение),
PO — давление окружающей среды,
k — адиабатическая экспонента (числовое значение 1,4)

Эта упрощённая формула будет справедлива при условии, что температура в конце процесса сжатия для двигателей с наддувом и без наддува достигает одинакового значения. Иными словами, чем выше давление наддува, тем меньше возможное геометрическое сжатие. Итак, согласно нашей формуле для атмосферного двигателя со степенью сжатия 10:1 при давлении наддува 0.3 бара степень сжатия следует уменьшить до 8.3:1, при давлении 0.8 бара до 6.6:1. Но, слава богу, это теория. Все современные двигатели с турбонаддувом работают не с такими через мерно низкими значениями. Правильная степень сжатия для работы определяется сложными термодинамическими вычислениями и всесторонними испытаниями. Всё это из области высоких технологий и сложных расчётов, но много тюнинговых моторов собрано на основе некоторого опыта, как собственного, так и взятого за пример, от известных автомобильных производителей. Эти правила будут справедливы в большинстве случаев.

Есть несколько важных факторов влияющих на расчёт степени сжатия и их нужно принимать во внимание при проектировании. Я перечислю наиболее важные. Конечно, это желаемый наддув, октановое число топлива, форма камеры сгорания, эффективность промежуточного охладителя, и, безусловно те мероприятия которые вы в состоянии провести по снижению температурной напряжённости в камере сгорания. Углом опережения зажигания (УОЗ) так же можно частично компенсировать возросшие нагрузки. Но это темы для отдельной разговора, и мы безусловно затронем их позже в следующих статьях.

Источник

Как степень для турбо моторов

Для расшифровки термина Trim введем еще два понятия – «индюсер» и «эксдюсер».
Индюсер (inducer) – это диаметр той части колеса крыльчатки, в которую воздух входит.
Эксдюсер (exducer) – диаметр крыльчатки, откуда воздух выходит.
Trim — это отношение площадей индюсера и эксдюсера компрессора или турбинного колеса.
Турбокомрессор устроен таким образом, что эксдюсер компрессорного колеса больше, чем его индюсер, а эксдюсер турбинного колеса, наоборот, меньше его индюсера.

Рассмотрим конкретный пример:
В турбине GT2871R (Garrett part № 743347-2) имеется компрессорное колесо с эксдюсером 71,0 мм и индюсером 53,1 мм

Соответственно, параметр Trim для такого колеса будет:

От Trim крыльчатки турбины и компрессора зависит ее производительность. Чем больше значение trim, тем больший поток воздуха проходит через крыльчатку за единицу времени, и тем больше воздуха будет поступать в цилиндры двигателя.

A/R корпуса турбины (хаузинга)

»Хаузингом» у автолюбителей называется корпус турбины или компрессора. A/R, или Area/Radius (буквально, Площадь/Радиус) описывает геометрию турбинного или компрессорного хаузинга (корпуса турбины). Технически A/R обозначает отношение площади сечения канала хаузинга (корпус турбины) к расстоянию от центра вала до центра сечения:

Читайте также:  Как доработать мотор авто

Параметр A/R по разному влияет на производительность компрессорной и турбинной части:

A/R компрессора на производительность почти не влияет. Обычно хаузинги (корпус турбины) с большим значением A/R используются для оптимизации отдачи в турбинах с малым наддувом, а для больших значений наддува применяются хаузинги (корпуса турбин) с меньшим показателем A/R компрессора.

И, наоборот, влияние A/R турбины на ее производительность весьма значительно. Собственно, этот параметр и определяет то, какой поток воздуха способна пропустить через себя турбина. Используя меньшее значение A/R, можно увеличить скорость потока воздуха в хаузинге турбины (корпуса турбины). При этом появляется возможность увеличить отдачу турбины в диапазоне низких нагрузок, а также происходит более быстрый отклик турбины на дроссель. Кроме этого, снижается значение минимальных оборотов двигателя, которое необходимо для выхода турбины в режим рабочего наддува.

Однако, низкий A/R турбины имеет и свои недостатки. Газы попадают на крыльчатку почти по касательной траектории, что существенно уменьшает максимальный поток газов, который может пройти через турбинное колесо. Кроме того, при меньших значениях A/R увеличивается подпор газа перед турбиной, повышается EGT и ухудшается продувка двигателя на высоких оборотах. В итоге, снижается максимальная пиковая мощность мотора.

Выбор конкретного хаузинга для двигателя сводится к компромиссу между пиковой мощностью и ранним наддувом. При этом необходимо также учитывать внутреннюю конструкцию хаузинга (корпус турбины). Несовершенная форма канала, погрешности литья, а также переходы между разными типами сечения — все это может ощутимо ухудшить технические характеристики горячего хаузинга (корпуса турбины). Например, в ходе экспериментов установлено, что турбинные хаузинги марки TiAL, имеющие круглый вход, обладают более эффективной аэродинамикой и обеспечивают лучшую продувку на больших оборотах, чем обычные чугунные хаузинги (корпуса турбин) с прямоугольным входом.

При выборе оптимального показателя A/R рекомендуется учитывать и эффективность работы выпускного тракта, расположенного после турбины. Применение прямоточных выхлопных систем с большим сечением дает возможность выбрать меньший А/R турбины и получить более ранний выход в режим наддува при том же значении пиковой мощности.

Типы выпускных коллекторов и влияние на производительность турбины

Практически все турбоколлекторы можно разделить на два вида: трубные сварные и литые (log-style):

Чтобы достичь максимальной производительности турбоколектора, следует придерживаться следующих общих рекомендаций:

— стараться избегать резких изгибов, так как ранеры с малым радиусом поворота поглощают полезную энергию газовых потоков («ранером» называется канал коллектора от фланца прилегающего к головке блока цилиндров до фланца состыковывающегося с турбокомпрессором);
— добиваться одинаковой длины ранеров, чтобы избежать перекрестного наложения выхлопных импульсов.
— избегать резких переходов площади и формы сечения;
— избегать резких углов в сводах ранеров, чтобы сохранить скорость и направление потока воздуха;
— избегать больших объемов коллектора для лучшей отзывчивости турбины и, наоборот, использовать больший объем коллектора для достижения большей пиковой мощности;
— выбирать оптимальное отношение длины ранеров («ранер» называется канал коллектора от фланца прилегающего к головке блока цилиндров до фланца состыковывающегося с турбокомпрессором) и объема коллектора, учитывая объем двигателя и диапазон оборотов, на которых требуется получить наибольшую отдачу.

Использование литых коллекторов в основном встречается в стандартной заводской комплектации, а сварные трубные коллекторы обычно используются в спортивных вариантах двигателей. Оба типа коллекторов имеют свои недостатки и достоинства.

Литые коллекторы более компактны, и в связи с массовым производством имеют меньшую стоимость.

Трубные коллекторы изготавливаются в единичных экземплярах (малых сериях) для каждого конкретного случая. При этом не требуется сложной предварительной организации технологического процесса, как в случае литых коллекторов. Оптимально изготовленный трубный коллектор имеет значительно большую производительность по сравнению с литым коллектором, а также длительный срок эксплуатации.

Твинскрольные коллекторы

Твинскрольные коллекторы используются только с турбокомпрессорами, имеющими твинскрольную конструкцию и бывают как сварными трубными, так и литыми. Эти коллекторы эксплуатируются совместно с подходящим твинскрольным турбинным хаузингом(корпуса турбин).

Такая конструкция позволяет более эффективно использовать выхлопной импульс каждого цилиндра за счет разделения пересекающихся рабочих циклов. Например, если 4-х цилиндровый двигатель имеет порядок работы цилиндров согласно схемы: 1-3-4-2, то в начале фазы выпуска цилиндра №1 выпускная фаза в цилиндре под номером 2 еще не закончена, и поэтому его выпускной клапан находится в открытом положении. В зависимости от значения параметра перекрытия, в этот же момент времени может быть открыт также впускной клапан второго цилиндра. В обычном, нетвинскрольном коллекторе высокое давление, создаваемое первым цилиндром, перебивает течение потока второго цилиндра и не позволяет ему полностью продуться в начальной стадии впуска. Кроме того, при этом теряется часть энергии потока из первого цилиндра.

Оптимальной компоновкой твинскрольного коллектора, в описанном случае, будет группировка цилиндров по схеме: №№ 1 и 4 в одной части коллектора, а остальные два цилиндра (№№ 2 и 3) — в другой.

Читайте также:  Инструкция по ремонту подвесного мотора suzuki

Пример турбинного твинскрольного хаузинга:

Оптимальное использование энергии выхлопных газов, происходящее в твинскрольных системах улучшает отзывчивость турбины на малых оборотах, а также позволяет получить большую мощность на больших оборотах двигателя.

Степень сжатия турбодвигателей

Прежде чем обсуждать такие понятия как давлению наддува и степень сжатия, рассмотрим такой неприятный процесс как детонация. Детонацией называется спонтанное (самопроизвольное) быстротекущее сгорание топливновоздушной смеси в цилиндрах двигателя. В результате детонации в камере сгорания происходят резкие и значительные по величине всплески давления, что приводит к преждевременному износу вкладышей и механическому разрушению поршневой группы.

Основными причинами, способствующими возникновению детонации является:

— неустойчивость к детонации конкретной модели двигателя. Так как у всех моторов имеются множество конструктивных особенностей, то практически невозможно рассчитать его склонность к детонации. На этот параметр могут влиять такие факторы как форма и размер камеры сгорания, расположение свечей зажигания, степень сжатия топливовоздушной смеси, диаметр цилиндров, качество распыления топлива и т.п.

— влияние на работу турбодвигателя внешних условий. На склонность к детонации влияют такие характеристики всасываемого турбиной воздуха, как температура и влажность. Кроме того, большое значение имеет, какой воздух поступит в цилиндры двигателя после турбины. Чем выше степень наддува, тем больше температура поступающего в цилиндры воздуха, и тем, соответственно, больше вероятность возникновения детонации. Избежать детонации перегретого воздуха, как правило, помогает эффективный интеркулер;

— октановое число топлива. Октан топлива — это величина, показывающая устойчивость топлива к детонации. Октановое число стандартных гражданских бензинов находится в пределах от 92 до 98 единиц. Особые спортивные виды топлива могут иметь октан 100-120 единиц и выше;

— настройки блока управления. На устойчивость двигателя к детонации в значительной степени влияют такие параметры, как соотношение воздух/топливо и угол зажигания.

Теперь, разобравшись с основными причинами возникновения детонации, рассмотрим такое понятие, как степень сжатия. Эту характеристику можно определить по следующей формуле:

Где: CR — степень сжатия,
Vcv — объем камеры сгорания,
Vd — объем цилиндра

Степень сжатия (СЖ) заводских моторов для атмосферных и турбированных двигателей будет различаться. Например, у турбомотора Subaru WRX СЖ будет 8,8:1, а у стокового мотора Honda S2000 – 11,1:1.

Имеется много параметров, влияющих на максимально возможную степень сжатия. Единого критерия, позволяющего вычислить максимальную СЖ практически не существует. Есть лишь общее правило, рекомендующее выбирать СЖ максимально возможной, но не вызывающей детонацию, и, одновременно, обеспечивающей максимальный КПД двигателя. При этом необходимо учитывать такие факторы, как октановое число топлива, температуру воздуха, давление наддува, форму камеры сгорания, противодавление в коллекторе и фазы клапанного механизма.

Некоторые современные атмосферные моторы имеют настолько проработанный дизайн камеры сгорания и значительную устойчивость к детонации, что на них можно устанавливать турбонаддув без изменения заводской степени сжатия (если произведена правильная настройка блока управления).

Как правило, при турбировании атмосферных двигателей увеличение мощности составляет 60-100%. Тем не менее, для достижения очень больших значений наддува необходимо уменьшение заводской степени сжатия.

Соотношение воздух/топливо, или параметр AFR

При настройке двигателя, выбор оптимального значения AFR, пожалуй, самый важный вопрос. Правильная настройка AFR влияет как на надежность мотора, так и на его производительность.
Параметр AFR определяется как отношение количества воздуха, поступившего в цилиндр двигателя к количеству попавшего в него топлива. Для оценки качества топливовоздушной смеси используется такое понятие, как стехиометрическая смесь.
Стехиометрическая смесь это топливовоздушная смесь в такой пропорции, когда она сгорает полностью. Стехиометрия для бензиновых двигателей – это соотношение 14,7:1. То есть на каждую массовую часть топлива полагается 14,7 частей воздуха.

Теперь рассмотрим понятия «бедной» и «богатой» топливовоздушной смеси. При более низких значениях AFR в смеси содержится меньшее количество воздуха и такую смесь называют богатой. И, наоборот, при больших значениях AFR в топливе содержится больше воздуха, и такая смесь называются бедной.

AFR=16,0:1 – бедная,
AFR=14,7:1 – стехиометрическая,
AFR=14,0:1 – богатая.

При использовании бедной смеси происходит повышение температуры ее горения. Применение богатой топливовоздушной смеси позволяет, наоборот, уменьшить температуру горения. Атмосферные моторы, как правило, достигают максимальной эффективности при работе на смеси немного богаче стехиометрии. Практически, AFR топливовоздушной смеси стараются поддерживать на уровне 12:1 — 13:1, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение. Для атмосферных двигателей это хороший AFR, но для турбодвигателей такой диапазон может оказаться очень опасным. Чтобы уменьшить температуру в камере сгорания турбированного мотора и повысить его устойчивость к детонации, а также снизить температуру выхлопных газов, что позволяет увеличить срок службы коллектора и турбины, на практике используют еще более богатую смесь, чем для обычных двигателей.

Чтобы добиться от турбодвигателя максимальной эффективности и при этом сохранить его ресурс, настройщику приходится тщательно подбирать оптимальное соотношение трех основных, влияющих на детонацию параметров:
— обогащение смеси;
— уменьшение давление наддува;
— использование более позднего зажигания.

Источник

Поделиться с друзьями