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

[ Двигатель ]

Выбор турбокомпрессора для УАЗ Патриот

май 2018г.

УАЗ Патриот с двигателем ЗМЗ-409, в отличии от своего собрата с дизельным ЗМЗ-514 не турбирован. Отсюда довольно скромные показатели мощности и крутящего момента.
Можно ли на УАЗ Патриот установить турбину? Да, можно, но с оговорками, которые озвучены в FAQ

Чтобы подобрать нужную турбину для УАЗ надо вначале определить необходимые для этого параметры.

Исходим из того, что у нас есть бензиновый ЗМЗ-409 и мы не хотим его кардинально переделывать: не будем подводить охлаждение к поршням, не будем менять коленвал, увеличивать объем камеры сгорания и т.д. То есть делаем турбирование с минимальными вмешательствами в двигатель.

Для начала надо понять насколько сильно, в вышеназванных условиях мы можем "наддуть" мотор.
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 (буста). При высоких значениях буста все-таки придется подвергать двигатель модернизации, значит надо ориентироваться на средние величины, допустим 0,7 бар
Но это в относительных величинах. Абсолютное PR будет равно 1,7 (см. описание параметров турбокарт)
Здесь не учтены потери в интеркулере и в воздуховодах, которые составляют около 10%, если их включить, то необходимое PR = (1+0,7)/0,95=1.79

Теперь посчитаем расход воздуха.

Расход воздуха = (Объем двигателя * Обороты * 0,5 * Ev) / 1000000
Объем двигателя = 2693 см3
Обороты = 5000 об/мин
Ev - объемная эффективность = 0,85 для 16-ти клапанного мотора
0,5 - означает, что у четырехтактного двигателя воздух в цилиндр поступает только во время одного оборота из двух
1000000 - служит для перевода см3 в м3

Расход воздуха = (2693 * 5000 * 0,5 * 0,85) / 1000000 = 5,723 м3/мин

Температура воздуха.
Один из важных параметров, это температура воздуха. От температуры напрямую зависит объем, чем он холоднее, тем больший объем воздуха попадет в цилиндры. Но в турбокомпрессоре за счет сжатия воздуха происходит его нагрев. Рассмотрим как же повысится температура воздуха на выходе из турбины при входящей температуре 20°С и сжатии 1,79. Для этого воспользуемся формулой:

Tout = Tin * ( Tin * ( -1 + (Pout/Pin)^0,263) / Efficiency;
Efficiency - это эффективность турбокомпрессора. Её можно узнать из турбокарты. Считаем, что она равна 72%
Pin и Pout - давление на входе и выходе компрессора;
Tin и Tout - температура на входе и выходе компрессора. Температура в формуле в градусах Ранкина, поэтому надо перевести градусы Цельсия в градусы Ранкина.

Tout = 528 * ( 528 * ( -1 * 1,766)^0,263 ) / 0.72 = 646,3°R = 86°C

На выходе из турбины воздух достаточно горячий, при такой температуре эффективность наддува будет низкой, именно поэтому в системе применяют интеркулер. Стандартно у интеркулера КПД около 70%, следовательно воздух на входе в двигатель после охлаждения в интеркулере будет:

КПД = (Tin - Tout) / (Tin - Ta), где Tin, Tout, Ta - температуры на входе, выходе интеркуллера и температура окружающей среды.

Tout = Tin - КПД * (Tin - Ta) = 86 - 0,7 * (86 - 20) = 40°C

Плотность воздуха зависит от температуры, а она повысилась при сжатии. (Плюс, дополнительно разогревается от выхлопных газов)
На входе у нас 20 С, на выходе интеркулера 40 С. Тогда отношение плотности воздуха (Density ratio)
DR = 1,79 * (20 + 238) / (40 + 238) = 1,66

Действительный расход воздуха через мотор при наддуве 1,79 бара равен: 5,723*1,66 = 9,51 м3/мин.

Чтобы преобразовать м3/мин к более правильному термину кг/мин, надо м3/мин умножить на плотность воздуха на высоте географического места.

Высота над уровнем моря
(м)
Атмосферное давление
(кг\см3)
Температура
(оС )
Относительная
плотность
0 1.03 15 1.0
200 1.0 13.7 0.98
400 0.98 12.6 0.96
600 0.96 11.1 0.94
800 0.93 9.8 0.93
1000 0.91 8.5 0.91

 

Температура, t°C Плотность, кг/м3
-15 1,3673
-10 1,3413
0 1,2920
10 1,2466
15 1,2250
20 1,2041
25 1,1839
30 1,1644

В средней полосе России относительная плотность = 0,98, значит
Расход воздуха через мотор при наддуве 1,79 бара равен: 9,51 м3/мин. * 1,2041 * 0,98 = 11,22 кг/мин

Смотрим для начала один из первых примеров реализации турбомотора, сделанного фирмой ТД Моторс. Они, после нескольких попыток, задействовали продукцию компании Garrett. Поскольку Garrett расход воздуха указывает в фунтах в минуту, то переведем величины, зная, что 1 кг/мин = 2.2046 lb/min

Расход воздуха при 5000 об/мин = 11,22 кг/мин * 2.2046 = 24,73 lb/min
Рассчитаем расход воздуха для разных оборотов двигателя:

Обороты (мин-1)
5000
4000
3000
2000
1000
Расход воздуха (lb/min)
24,73
19,78
14,84
9,89
4,95

Отметим полученные значения на графике турбокомпрессора GT2860R

Турбокомпрессор GT2860R

Отмечаем значения расхода воздуха на графике зелеными точками, помня что, PR = 1,79

Значения при 1000 и 2000 об/мин не попадают ни в одну зону эффективности, здесь турбина работать с бустом 1,79 не будет. Серьезный подхват начнётся после 2000 об/мин и максимума достигнет в диапазоне 4000 - 6000 об/мин. Так, что характеристики турбокомпрессора GT2860R соответствуют нашему выбору. Зная, что мы очень приблизительно оценили потери как тепловые так и по давлению, при реальной эксплуатации можно посоветовать присмотреться к турбокомпрессору у которого наибольшая зона эффективности приходится на 22-23 lb/min, однако надо помнить, что при зимней эксплуатации расход воздуха возрастет за счет снижения температуры.

Далее надо рассмотреть переходные процессы турбокомпрессора. Для этого необходимо построить линию по двум точкам.
Первая точка: расход воздуха при 50% от максимальных оборотов, т.е 2,73 * 0,5 = 11,22 фунт/мин. Вторая координата для этой точки – это заданное давление наддува 1,79 бара.
Вторая точка: 20% от максимального расхода воздуха, т.е 24,73 * 0,2 = 4,95 фунт/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 области Surge). В нашем случае (синяя) линия как раз находится внутри зон эффективности. Кстати, непопадание линии в границы вовсе не означает, что турбокомпрессор не будет работать, это значит, что в исходных данных есть противоречия: наддув требуется большой, а объем у двигателя мал, при этом диапазон оборотов узок и т.д.

По поводу октанового числа бензина. Надо ли переходить на более высокое октановое число?
Есть эмпирическая формула для приблизительной оценки степени сжатия турбомотора СЖтурбо = СЖатм+Наддув^2, рассчитав новый параметр СЖ можно определить требуемую марку топлива.

Бензин
АИ92
АИ95
АИ98
Максимальная степень сжатия
10,5
12,5
14,5

Для 0,7 бара избытка: 9 + 1,7^2 = 11,9 что укладывается в 95-й бензин. Но ездить на 92-м уже нельзя.

Есть общепринятое утверждение, что 1 lb/min соответствует 10 л.с. мощности. В таком приближении у нас возможная мощность двигателя равна 24,73*10 = 247л.с.

Вывод: турбокомпрессор GT2860R при бусте 0,7 бар соответствует нашей задаче, однако эта турбина рассчитана на большее давление. Оптимально она будет работать при бусте в 1 бар. Тогда обороты сдвинутся в диапазон 3000 - 5000 об/мин.
В качестве альтернативы можно порекомендовать турбокомпрессор Garrett GT2252 или Mitsubishi TD04 (с индексами -13 или -15). К тому же у Mitsubishi фланец Т25 подходит под выпускной коллектор от ЗМЗ-514

Пример такой установки есть у компании "Диас-Турбо":

Турбокомпрессор Garrett с коллектором от дизельного двигателя ЗМЗ-514

Турбокомпрессор Garrett с коллектором от дизельного двигателя ЗМЗ-514

Полезные ссылки:
Основы турбонаддува.
Подбор турбины по турбокарте
На каких оборотах турбина выходит на буст?
Считаем массовый расход воздуха
Методы расчета массового расхода воздуха и давления наддува для турбокомпрессоров Garrett (на английском)
Street Turbocharging (Проектирование, изготовление, монтаж и настройка высокопроизводительных систем турбонаддува, англ.)

См. так же:
Ликбез по турбомоторам
Как читать турбокарты
Инструкция по установке турбокомпрессора GT2860R формат PDF, язык английский
Чертеж с размерами турбокомпрессора GT2860R
Turbocharger Compressor Calculations (расчет турбокомпрессора, англ.)
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