УАЗБУКА, почти все об автомобилях УАЗАвтомобили УАЗ: Клуб УАЗоводов, Фотогалерея, Форум УАЗ, библиотека, каталог УАЗ
Автовентури
УАЗБУКА, почти все об автомобилях УАЗ
 

[ Двигатель ]

Как читать турбокарту

май 2018г.

При просмотре параметров турбокомпрессоров сразу натыкаешься на такое понятие как турбокарта (COMPRESSOR MAP). Например, первые установки турбины на ЗМЗ-409 компания ТД Моторс начала делать с турбиной GT2860R.

Турбокомпрессор GT2860R

Если зайти на официальный сайт Garrett с описанием параметров турбокомпрессора то первое, что мы встречаем из характеристик - это турбокарта.

Турбокомпрессор GT2860R

Компрессорная карта или Турбокарта - это графическое представление работы компрессора в различных режимах.
На ней отображаются основные характеристики компрессора:
- эффективность компрессора;
- скорость вращения вала турбины;
- диапазон массового расхода воздуха;
- допустимость работы при различных давлениях наддува.

По вертикальной оси (ось ординат) располагается показатель отношения давлений на выходе и входе компрессора (Pressure ratio), по горизонтальной оси (ось абсцисс) показан массовый расход воздуха прокачиваемый компрессором (Air Flow).

Турбокомпрессор GT2860R

Pressure ratio (отношение давлений) - это отношение абсолютного давления на выходе к абсолютному давлению на входе компрессора.

PR = Pcr / Pin
Где:
PR - соотношение давлений
Pcr - абсолютное давление на выходе компрессора
Pin - абсолютное давление на входе компрессора

Величина PR характеризует степень сжатия воздуха компрессором.

Небольшое отступление: в расчетах используется Абсолютное и Относительное давление.

Под абсолютным давлением понимается давление в условиях полного (абсолютного) вакуума. То есть такое давление, которое показывал бы прибор в космическом (безвоздушном) пространстве. Естественно, такое давление (как и абсолютная температура) может быть только положительным или равняться нулю. Так как на Земле мы практически всегда находимся в атмосфере, то абсолютное давление атмосферы на уровне моря так и назвали «атмосферой», или сокращенно 1атм.

Под относительным принято считать давление относительно атмосферного. Соответственно, относительное давление может быть положительным и отрицательным, но не менее -1 атм. Перевести один тип давления в другой можно по нехитрым формулам:
Ратм=Рабс-1;
Рабс=Ратм+1, где:
Ратм – атмосферное давление,
Рабс – абсолютное давление.
(Р – общепринятое обозначение давления от английского слова Pressure – «давление»).

Как рассчитать Pressure Ratio?
К примеру мы хотим рассмотреть ситуацию работы компрессора при 0.7 атм наддува в коллекторе. Для начала вспомним, что "наддув" это относительное давление, а мы везде оперируем только абсолютным. Поэтому добавляем к нему +1.0 атмосферного давления и дальше имеем в виду что у нас 1.7атм абсолютного давления в коллекторе.
В нашем случае, при нормальном атмосферном давлении на входе в турбину, соотношение давлений будет таким:

PR = Pcr / Pin = 1.7 / 1.0 = 1.7

Здесь мы не учитываем сопротивление воздушного фильтра и воздуховодов перед турбиной. Обычно, в зависимости от вариантов их исполнения, давление на входе уменьшается на 0.02-0.10атм. Тогда формула расчета (при потерях 0.06атм) приобретет вид:

PR = Pcr / Pin = 1.7 / (1.0 - 0.06) = 1.7 / 0.94 = 1.8

Air Flow или расход воздуха

По горизонтальной оси находится "массовый расход воздуха".

Air Flow (расход воздуха) - это величина, показывающая, массу воздуха, проходящую за единицу времени через компрессор и, соответственно, дальше через двигатель.

Исторически это величина на компрессорных картах выражается в lb/min (в фунтах воздуха за минуту времени). Фунт это 0.45кг, а минута это 60 секунд.

Поскольку мощность двигателя напрямую зависит от количества топливо-воздушной смеси которая закачивается в цилиндры, то массовый расход, это, одна из главных характеристик которую мы можем получить, изучая компрессорную карту.
При прохождении через мотор 1 фунта воздуха в минуту, современные моторы вырабатывает в среднем 9-11 лошадиных сил мощности. Поэтому даже беглый взгляд на компрессорную карту может нам сказать, на какую потенциальную мощность мы можем рассчитывать с этой турбиной.
На приведенном выше примере, область работы компрессора заканчивается примерно на 36 фунтах, соответственно эту турбину грубо можно сразу оценить на 360лс.

Граница Surge

Граница Surge (помпаж) это крайняя левая линия компрессорной карты (закрашена красно-розовым цветом).
Работа компрессора левее этой границы, т.е. за пределами обозначенной компрессорной картой, связана с нестабильностью воздушного потока, всплесками и провалами наддува. Длительная работа компрессора в таком режиме приводит к преждевременному выходу его из строя в виду большой переменной нагрузки на подшипники и крыльчатку компрессора.

Турбина может попасть в режим Surge в нескольких случаях.

Первый самый распространенный - при резком закрытии дросселя, когда массовый расход воздуха через мотор резко падает, но турбина все еще вращается достаточно быстро. Это мгновенно перебрасывает нас влево по компрессорной карте в зону Surge. Но быстрое срабатывание Blow Off клапана восстанавливает расход воздуха через турбины, выпуская избыток наддутого воздуха в атмосферу.

Второй случай - возникновение Surge на режиме полной нагрузки, обычно на низких оборотах, когда турбина только начинает выходить на наддув. Он значительно более опасен, поскольку может продолжаться относительно долго, особенно на высоких передачах. Как правило, это связано со слишком большой скоростью вращения турбины и большом создаваемом давлении в компрессоре, при относительно малом общем расходе воздуха через мотор. Обычно наблюдается на гибридах с маленькой горячей частью и большой компрессорной частью.

Третий, связан с износом турбины: сопло турбины повреждено; на крыльчатке турбины отложилось большое количество кокса (продукты горения топлива); заслонки трубопровода открываются не полностью; повреждён интеркулер; сопротивление сжатого воздуха чрезмерно (оно превышает силу его сжатия). Но этот случай относится уже к ремонту, здесь мы его рассматривать не будем.

Уменьшить вероятность попадания компрессора в режим помпажа (Surge) можно с помощью установки корпуса турбины с "Ported Shroud" - обводными воздушными каналами, встроенными в корпус турбины.

Турбокомпрессор с антипомпажными отверстиями

Часто такие эксперименты проводят тюнинговые фирмы.
Установка корпуса турбины с "Ported Shroud" позволяет перенаправить часть воздуха из компрессора обратно во впуск и тем самым сдвинуть границу Surge левее по графику турбокарты.
При прочих равных условиях такая конструкция дает возможность использовать больший компрессор при меньшей турбинной части без нежелательных эффектов помпажа.

Турбокарта турбокомпрессора с антипомпажными отверстиями

Граница эффективности компрессора (Choke line)

Как линия Surge ограничивает карту слева, так граница эффективности ограничивает ее справа.
Garrett на своих картах указывает область работы компрессора до 60-58% эффективности. Все, что находится правее этой границы, будет иметь эффективность ниже 58% и использование компрессора в этой области теряет смысл. За этим пределом начинается неоправданно большой нагрев сжимаемого компрессором воздуха, а скорость вращения турбины выходит за допускаемые производителем значения.

Зоны эффективности компрессора

Это концентрические замкнутые линии, расходящиеся из центральной области карты. Возле каждой такой линии подписано значение эффективности компрессора приходящуюся на эту область. Самая маленькая область в центральной части соответствует максимально возможной эффективности компрессора. По мере удаления от центра мы будем попадать в области все меньшей и меньшей эффективности пока не упремся либо в предел по Surge слева, либо в предел по производительности справа.

Скорость вращения турбины (Maximum Permissible Speed)

Линии, обозначенные на карте как "скорость вращения турбины", показывают с какой скоростью будет вращаться вал турбины в этой области. Значения выражаются в оборотах вала за минуту времени. С ростом скорости вращения турбины у нас увеличивается давление и/или расход воздуха через компрессор. Как видно, эти линии начинают сходиться в области границы зоны эффективности и, как уже было сказано выше, за пределами этой области скорость вращения турбины быстро увеличивается за пределы допустимого.

График EXHAUST FLOW CHART показывает зависимость между PR и расходом газов через горячую часть турбокомпрессора. Для данного турбокомпрессора GT2860R существует четыре варианта хаузинга (улитки) с разными значениями A/R.

Турбокомпрессор GT2860R

См. так же:
Ликбез по турбомоторам
Выбор турбокомпрессора для УАЗ Патриот, пример
Методы расчета массового расхода воздуха и давления наддува для турбокомпрессоров Garrett (на английском)
Турбодизель ЗМЗ-5143.10
Турбодизель ЗМЗ-51432.10 CRS

наверх



Дизайн © 1999-2018 Уазбука. О сайте

info@uazbuka.ru


Клуб УАЗоводов Фотогалерея УАЗБУКИ Форум УАЗБУКи Руководства, справочные материалы об УАЗ Каталог деталей УАЗ