Меню

Расход воздуха мощность турбо



Выбираем современный двигатель: почему турбо лучше, чем обычный?

Турбированные и атмосферные двигатели — в чем разница?

Разница в том, каким образом в цилиндры двигателя поступает воздух.

Воздух идет сам туда, где ниже давление. У атмосферного мотора воздух идет в цилиндры под действием создаваемого на такте впуска разрежения — поршень опускается и втягивает за собой воздух. Проще не бывает.

Чтобы нагнать в цилиндры больше воздуха, в помощь разнице давлений приходит принудительный наддув. Грубо говоря, на впуске ставят «большой вентилятор». О конструкции таких систем поговорим вкратце чуть ниже.

Зачем двигателю нужен наддув?

Чтобы повысить мощность двигателя, нужно сжечь в нем больше топлива — зависимость простая. А вот чтобы сжечь больше топлива, нужно подать в цилиндры много воздуха, почти по кубометру на каждый литр бензина. Вопрос лишь в том, как заставить его это сделать? Основных способов два:

Двигатель W12 разработки Volkswagen Group ставился в разные годы на Audi A8L, Volkswagen Phaeton, Volkswagen Touareg, Bentley Continental Flying Spur и другие премиум-модели. Фото: w12cars.com

Какие есть основные типы наддувов?

В основном используют два способа повысить давление на впуске выше атмосферного.

  • Механический нагнетатель. На впуске стоит воздушный насос — компрессор, который приводится в движение от коленчатого вала мотора. Просто, но двигателю приходится его крутить и тратить на это часть мощности.
  • Турбокомпрессор, который использует энергию выхлопных газов. Он представляет собой сдвоенный корпус из двух металлических «улиток», в котором на одном валу крутятся две крыльчатки. Одну из них раскручивает поток выхлопных газов, вырывающийся из выпускного коллектора. Вторая крутится, так как находится на одном валу с первой, — она «загоняет» атмосферный воздух во впускной коллектор.

Мы не будем сейчас вдаваться в достоинства и недостатки каждой из схем, а также описывать историю их создания и развития — это тема для отдельного материала. Здесь нам важно определиться, насколько наддувные моторы хороши.

Какие преимущества есть у наддувного мотора?

Высокая максимальная мощность.Как мы уже поняли, за счет наддува можно увеличить количество сжигаемого топлива, а значит, и повысить мощность мотора при неизменном объеме. Мощность можно увеличить в разы, но обычный показатель — 20–100% для серийных двигателей. Стабильный крутящий момент.В обычном атмосферном моторе давление на впуске, а следовательно, и количество сжигаемого топлива меняется в зависимости от оборотов мотора. На каких-то оборотах наполнение максимально, и двигатель работает с полной отдачей. На других наполнение цилиндров хуже, и момент, развиваемый двигателем, меньше.В современном турбомоторе наполнением цилиндра занимается турбина, а управляет турбиной электроника. Появляется возможность всегда подавать столько воздуха, сколько нужно для максимально эффективного сгорания смеси, и столько, чтобы «железо» двигателя выдержало нагрузку. Это позволяет создавать знаменитую «полку» крутящего момента. Такое название произошло от вида графика момента, который на турбомоторах действительно похож на ровную полку. Низкий расход топлива.Казалось бы, парадокс. Наддув позволяет впрыскивать больше топлива, но при этом обеспечивает экономичность. Каким образом? Дело в том, что рабочий объем турбомоторов меньше, и в целом они легче. С наддувом двигатель прекрасно тянет с самых низов, а на малых оборотах меньше потерь энергии на трение и выше КПД. В результате при неспешном движении турбомотор экономичнее. А при большой нагрузке расход топлива никто не считает, не зря же есть выражение «ехать на все деньги», тем более мало кто постоянно ездит в экстремальных режимах.

На графике замера мощности и крутящего момента Skoda Fabia RS TSI видно, что в диапазоне с 2 000 до 4 500 оборотов двигатель развивает 250 ньютон-метров. Это и называется «полкой крутящего момента».

Почему люди боятся наддувных моторов?

С полной определенностью можно сказать, что двигатели с наддувом стоят на более высокой ступени эволюции, чем «атмосферники». И все-таки на сегодняшний момент большинство выпускаемых и продаваемых авто оснащены именно классическими двигателями, причем не только в «отсталой» России, но и в «просвещенной» Европе, не говоря уже про США. Почему же? Ресурс турбин невелик.В среднем турбина на бензиновом моторе служит максимум до 120–150 тысяч километров, а ремонт обходится недешево. Механический приводной нагнетатель в теории «неубиваем», но это умирающий вид, и там, где он применяется, о ресурсе не заботятся. Двигатель работает в более суровых условиях.Температура и давление в цилиндрах у наддувных моторов гораздо выше, а значит, и изнашиваются они сильнее. Это компенсируется тем, что турбодвигатели изначально строят с более высоким запасом прочности всех систем.Впрочем, вполне справедливо, что двигатель сложнее, у него больше датчиков, больше трубопроводов, больше всего греющегося и протекающего, и любая поломка в системе управления может повредить сам мотор или турбину. Говорят, что у турбина дает нестабильную тягу.Действительно, на старых наддувных моторах турбина «отзывалась» не сразу — нужно было время на то, чтобы выхлопные газы раскрутили крыльчатку, и получалось то, что назвали «турболагом». Теперь, с внедрением новых технологий (о них подробнее расскажем позже), эта проблема решена. «Пуристы», поборники атмосферных двигателей утверждают, что все равно нет идеальной связи между движением педали газа и тягой, но для рядовых водителей эти тонкости будут неочевидными.Говорят, что турбированные моторы звучат менее «благородно», чем атмосферные.Действительно, турбина делает звук выхлопа не столь ярким и «породистым». Но в полной мере это можно отнести разве что к «большим» моторам — рядным шестеркам или V8. Их звучание признается за некий идеал, и добавление к ним турбокомпрессора резко меняет звук.По мнению аудиофилов, «от выхлопа» звук становится нечетким и размазанным. Турбина работает как глушитель, сглаживая пики давления выхлопных газов и создавая свои собственные гармоники. Если речь об обычных рядных «четверках», то нельзя сказать, что выхлоп такого мотора изначально звучит особенно хорошо, с добавлением к нему турбины он становится тише, но вряд ли теряется уникальность.На помощь фанатам хорошего звука мотора приходят специалисты по акустике выхлопа. Выхлопные системы современных машин, что с наддувом, что без — плод серьезной работы, и особенности звука в первую очередь зависят от качества настройки системы и пожеланий покупателя.

Читайте также:  Электрическая мощность системы автоматического пожаротушения

Почему некоторые производители спорткаров до сих пор не признают наддува?

Действительно, без турбин и нагнетателей прекрасно обходятся такие «уважаемые» автомобили, как Toyota GT86, Renault Clio RS и Honda Civic Type R. Основных причин на то несколько:

  • Высокую мощность можно получить и без турбины, но при условии, что двигатель будет развивать ее только на очень высоких оборотах. Например, 201 л.с. на той же Honda Civic Type R доступны лишь при 7 800 оборотах в минуту, что очень много для негоночного мотора.
  • Система наддува сильно увеличивает вес и размер маленьких моторов — ее невозможно сделать действительно компактной. Для спорткаров это немаловажно.
  • Многим нравится «крутильный» характер атмосферных моторов, отсутствие всяких возможных задержек и влияния температуры воздуха, «чистота» реакций и звука.
  • Во многих гоночных дисциплинах запрещены моторы с турбонаддувом, зато есть традиции форсирования атмосферных моторов.
  • На «атмосферниках» — более мощное торможение двигателем под сброс газа, что заметно на малоразмерных моторах и, опять-таки, важно для спорткаров.
  • В Японии и США, где в основном еще сохраняются безнаддувные «зажигалки», нет столь строгих ограничений по расходу топлива, как в Европе. Мотор с турбиной дороже, но может выдавать высокую мощность при низком расходе и на любой высоте, хоть на вершинах Альп. Мотор без турбины проще, менее требователен к обслуживанию, особенно когда очень высокая мощность не нужна, да и высоким расходом топлива и малой тягой в «негоночном» режиме можно пренебречь. И не стоит недооценивать силу традиций национального автомобилестроения.

Впрочем, мало-помалу наддув отвоевывает место под капотом спортивных автомобилей. Сначала Формула-1 отказалась от «атмосферников», а в марте 2014 года дебютировала первая в современной истории турбированная модель Ferrari — California T, которая получила «улитку» после долгого перерыва со времен 288 и F40.

Читайте также:  Синусоидальное напряжение потерь мощности

Источник

ILDAR800 › Blog › Турбо. Расчет по-взрослому.

В прошлой записи обещал продолжить тему выбора турбины, но предварительно хочу еще раз (или для кого-то в первый раз) напомнить несложные формулы расчетов конфига, чтобы не ссылаться на опыт ребят из соседнего гаража. Сорри за задержку, но вот жеж моё «я к вам пишу» 🙂

Постановка задачи. ПреамбулаВсе машины одинаковы. Разница в нюансах. Принципиальных отличий в форсировке жигулей, тойоты или фольксвагена нет. В то же время весь наш опыт стоит денег. Большая их часть – цена ошибок, сделанных по незнанию. Предлагаю избавиться от них заранее и потратить сэкономленное с пользой.
Давайте в качестве теоретической болванки возьмем простой дешевый мотор и превратим его в Мотор. Разумеется, с помощью наддува.
Дано: ВАЗ 2106, Калина, Малина, Махиндра, Тесла , далее по списку. Мотор 1,6л, 8 или 16 клапанов.

Планирование
Первая ошибка, которую делает любой тюнер – отсутствие плана. Задайте себе вопрос «Сколько лошадиных сил?» Это главный пункт, точка отсчета и цель одновременно. Хотите 200 сил? 250? 388? Мотор должен быть не просто мощным, а максимально удобным, чтобы ездить хотелось каждый день, чтобы в кайф. Это значит, что мотор должен ехать уже снизу. И не говорите, что вам не нравятся EVO или STI! Они так хороши, потому что валят сразу и без дураков, на 2500 об/мин развивают момент 30 кг, а на 3500 об/мин – заявленные 35-40. Чтобы добиться аналогичной эффективности на вазовском моторе, чей объем = 80% от 2-литрового мотора «эволюции», нам достаточно получить 28-32 кг момента на 3000-3500 об/мин и 240 л.с. на 6500 об/мин. Я возьму за отсчет именно это значение, а вы примете свое решение. По крайней мере, нет ничего плохого, чтобы построить универсальный мотор, а затем по окончании первой волны эйфории продолжать экспериментировать с настройками. Как точно попасть в выбранные характеристики будущего мотора? Начнем с выбора турбины, но предварительно нам нужно кое-что посчитать.

Расчеты параметров для выбора турбины.
Расход воздуха.

Прежде всего забейте на советы и слухи. У вас теперь есть максимально точный инструмент для создания своей конфигурации. Основная характеристика турбокомпрессора – производительность. И, внимание! Никогда не берите давление наддува с потолка, оно тоже рассчитывается и зависит от индивидуальных характеристик двигателя и желаемой мощности.
Важно: производители чаще дают характеристики турбокомпрессоров в единицах британской системы мер. Масса в фунтах (lb), массовый расход в фунтах в минуту (lb/min), объемный расход воздуха в кубических футах в минуту (CFM), давление в psi (фунт на квадратный дюйм), удельный расход топлива (BSFC) – фунт на лошадиную силу в час (lb/hp•hr). То есть в любом случае придется иметь дело с этими «пси» и «фунтами», поэтому для удобства я буду приводить здесь данные именно в этих единицах. Если нужно перевести все в метрическую систему, то я пользуюсь вот этим конвертером, который можно скачать бесплатно: joshmadison.com/convert-for-windows/
***
Итак, нам требуется получить 240 л.с. на 6500 оборотов с мотора 1,6. Доставайте калькулятор. Какую массу воздуха должен обеспечить компрессор для получения такой мощности?
Ее значение считается по этой формуле:
Рв = HP x A/F x BSFC/60,
где HP – мощность, Рв – расход воздуха, A/F – состав смеси, BSFC – удельный расход топлива
Минимальное значение качества смеси для 95 бензина не опускается ниже 12:1, а если топливо гоночное (100-105) – не ниже 12,5:1. Для метанола это значение составляет 5,0:1, а для дизеля 18:1. Удельный расход (BSFC) для турбомоторов варьируется от 0,5 до 0,6 lb/hp•hr. Примем среднее значение 0,55. Считаем:
Рв = 240 х 12 х 0,55/60 = 26,4 lb/min (12 кг/мин)
Давление наддува
Мы еще раз подтвердили данные профессиональных настройщиков двигателей, что каждый килограмм расхода воздуха – это 20-22 л.с. Обратите внимание, что мы не используем в формуле ни значение объема мотора, ни оборотов максимальной мощности. Это значит, что для любого бензинового мотора потребуется 12 кг воздуха в минуту, чтобы получить 240 л.с. Даже когда 500-сильная машина развивает эти 240 сил где-нибудь на 2,5 т. оборотов, расход воздуха будет таким же. Также очевидно, что для небольшого мотора давление наддува должно быть выше, чем для условного 3,5-литрового V6.
Рассчитаем давление наддува:
РАвпуск = [Рв х R x (460+Tвп)] / (VE x N/2 x Vd)

Читайте также:  Как определить мощность вэу

PAвпуск = Абсолютное давление во впускном тракте (ресивере) для получения требуемой мощности
Рв = массовый расход воздуха (lb/min)
R = газовая постоянная = 639,6
Tвп = Температура во впускном тракте, градусы по шкале Фарингейта (F). Приемлемое значение варьируется от 40 до 70 °С. Примем его 55°С, т.е. 130°F
VE = Коэффициент наполнения. Для конструкции с 4 клапанами на цилиндр среднее значение = 0,9-1,05. Для 2-клапанных камер сгорания = 0,7-0,9. К этому параметру мы еще вернемся чуть позже.
N = Частота вращения коленвала, об/мин
Vd = объем двигателя в кубических дюймах (CI – cubic inch). Чтобы перевести объем из литров в CI, умножаем литры на 61,02 (1,6 х 61,02 = 97,6).

Считаем наш мотор:
РАвпуск = [26,4 х 639,6 x (460+130)] / (0,95 x 6500/2 x 97,6) = 33,11 psi
Таким образом давление наддува
Pнаддува = Рабсолютное — Ратмосферное = 33,11 – 14,46 = 18,65 psi = 1,3 бара.

Степень повышения (PR)
На этом первую часть можно было бы и закончить, чтобы перейти к выбору турбокомпрессора. Но мы не учли в расчетах потери давления из-за общего сопротивления в системе. Воздуховоды (пайпинг), интеркулер и дроссельная заслонка оказывают некоторое сопротивление потоку, в результате давление падает. Да и на впуске стоит воздушный фильтр. Каким бы спортивным он не был – потери его нужно учитывать. И вот почему.
Производители турбин не указывают давления наддува, потому что не знают условий эксплуатации. Ведь это может быть разреженная атмосфера высокогорья или турбина используется как вторая ступень наддува в дизеле. Поэтому они указывают лишь степень повышения, которую способен обеспечить компрессор, т.е. с каким коэффициентом будет сжат воздух на выходе компрессора относительно потока на входе, поэтому сами значения давления не указывают. Так что очередной важный расчет перед выбором компрессора – степень повышения.
Даже конический спортивный фильтр препятствует всасыванию, не говоря о штатном фильтре в заводском корпусе. Эти значения невелики 0,5-1,5 psi, но их стоит учитывать. Примем значение потерь до компрессора 1 psi. Если дело происходит, например, в Челябинске, то примем стандартное атмосферное давление Ратм = 736 мм рт.ст. = 14,24 psi.
Pвход = 14,24-1 = 13,24 psi

Чтобы узнать нормальное атмосферное давление в вашем населенном пункте, достаточно поинтересоваться на какой высоте над уровнем моря он находится. Нормальное давление на уровне моря – 760 мм.рт.ст. Каждые 10м выше уровня моря – минус один мм.рт.ст. Например, Москва находится на высоте 120м, значит нормальное давление для Москвы – 760-12=748 мм рт.ст., Челябинск на 237 м выше уровня моря, значит давление составит 760-23,7=736,3 мм рт.ст. Ну а в Катманду (1300 м) – 630 мм рт.ст.
В psi и барах, здесь тоже пригодится конвертер:
Москва – 14.46 psi, 0.99 бара
Челябинск – 14.24 psi, 0.98 бара
Катманду – 12.18 psi, 0.84 бара

Потери во впускном тракте могут составить от 1 до 5 psi. Мы стараемся все построить грамотно, то есть с минимальными потерями, поэтому возьмем для расчетов значение 2 psi – вполне реальная цифра для расчетов. Таким образом, чтобы расчетное абсолютное давление в ресивере составило 33,1 psi, давление на выходе из компрессора должно быть уже
Pвыход = Рвпуск + Рпотери
Pвыход = 33,1 + 2 = 35,1 psi

Степень повышения (PR – pressure ratio) считаем по формуле
PR = Pвыход / Pвход
PR = 35.1 / 13,24 = 2,65
Итак, у нас есть максимальный расход воздуха и степень повышения. Теперь подбираем турбокомпрессор, чей рабочий диапазон обеспечит наши скромные запросы, о чем напишу вот-вот совсем скоро 🙂

Источник