Корки Белл - Maximum Boost Турбонаддув (Регулирование давления) Глава 12

(3)
0
2652
Потребность в эффективных регуляторах давления в системе турбонадцува вызвана тем, что в соответствии с характеристикой турбонагнетателя его расход воздуха растет быстрее чем возможность двигателя принять это количество воздуха. Если не препятствовать этому, турбонагнетатель может быстро создать разрушительно высокое давление наддува, которое приведет к детонации. Методы и устройства, при помощи которых можно управлять давлением наддува - одна из важных составляющих системы турбонаддува.

Устройства регулирования давления различаются по принципам работы и эффективности, от правой ноги водителя с одной стороны до сложных устройств с каналами изменяемой площади в турбине с другой. Далее будут рассмотрены различные схемы регулирования для поддержания заданного давления наддува, их достоинства и недостатки.

Ограничитель

Давлением наддува можно управлять, создав сужение для воздуха на входе или на выходе выхлопных газов. На стороне впуска, просто протягивая или прокачивая воздух через калиброванное (путем проб и ошибок) отверстие на входе или выходе компрессора, соответственно, моно ограничить расход так, что давление наддува не выйдет из-под контроля. Немного более совершеннное устройство изменяет проходное сечение при увеличении наддува, таким образом, чтобы при отсутствии давления наддува отверстие имело максимальную площадь. При таком способе управления температура впускного воздуха увеличится, потому что полученное давление наддува, будет создано при меньшем количестве воздуха на впуске, таким образом степень сжатия, а следовательно и температура, увеличатся. Таким же образом ограничитель будет работать на стороне выхлопа. Опять калиброванное отверстие ограничит расход, поскольку турбонагнетателю будет позволено создавать давление наддува в пределах расхода газов, ограниченного этим отверстием.

Этот ограничитель может иметь форму большой шайбы на выходе турбины или даже быть глушителем с небольшим проходным сечением. Любое ограничение потока выхлопных газов будет увеличивать температуру в камере сгорания, потому что противодавление на выходе газов, и таким образом обратный поток газов, будет больше.

проставочные шайбы

Давление наддува может управляться ограничителем на входе или выходе компрессора. 

Хотя такая схема регулирования работоспособна, ее применение увеличивает количество теплоты в системе и поэтому является плохой идеей. 

 

разрез

Ограничитель в выхлопной трубе может управлять давлением наддува, но при этом возрастает количество теплоты в системе. Эффективно, но также плохая идея.

Главная причина установки турбонагнетателя - увеличение расхода воздуха через двигатель, и поэтому добавление ограничителя, чтобы управлять этим расходом, в конечном итоге, должно рассматриваться как глупая схема. На автомобилях Формулы 1 не было никаких ограничителей расхода.

Выпускной клапан

Некоторое подобие предохранительного клапана радиатора может использоваться как устройство регулирования давления. Вообще, этот тип средств управления оказывается неточным и часто шумным. Хотя такой способ регулирования гораздо лучше любого вида ограничителя, такие клапаны больше подходят как средство безопасности в случае неисправности вестгейта. 

давление

Давление наддува может быть стравлено после того, как работа по его созданию выполнена. Эффективная, но плохая идея

Обычно они могут быть установлены на серийных автомобилях оснащенных турбонагнетателем, как защитные устройства от неконтролируемого возрастания давления наддува. Нет никаких оснований делать впускной клапан основным устройством регулирования давления. Кроме того, он не может использоваться в карбюраторной системе с протяжкой воздуха, поскольку тогда через него пришлось бы стравливать в атмосферу топливовоздушную смесь.

Вестгейт

Вестгейт получил свое название оттого, что его задача тратить впустую часть энергии выхлопных газов. Тратя впустую, или перепуская, управляемое количество выхлопных газов мимо турбины, можно управлять её частотой вращения, а следовательно и давлением наддува. Другими словами вестгейт является, по сути, байпасным клапаном турбины, который направляет к турбине только такое количество выхлопных газов, которое требуется для создания заданного давления наддува.

сигнал вестгейта

 Вестгейт это классический способ управления давлением наддува.

Хотя вестгейт в настоящее время является лучшим способом для управления давлением наддува, это не лучший способ регулирования. То, что он работает, тратя впустую энергию является его недостатком. Второй недостаток то, что во время нарастания давления наддува клапан вестгейта должен открываться постепенно, до тех пор пока давление наддува не достигнет заданного значения. Другими словами, вестгейт настроенный на 0,7 бара как правило начинает открываться при давлении около 0,35 бара и перепускает впустую выхлопные газы, которые могли бы использоваться для более интенсивной раскрутки турбонагнетателя. Попытка увеличить обороты турбины, в то время когда клапан вестгейта частично открыт - это попытка поймать собственный хвост.

Тем не менее тысячесильные автомобили Формулы 1 использовали вестгейты, они используются практически во всех современных системах турбонаддува. Пока турбонагнетатели с изменяемой геометрией турбины не будут доступны по приемлемой цене, вестгейт останется лучшим устройством для регулирования давления.

Выбор вестгейта

В настоящее время существуют два типа вестгейтов: интегрированный и внешний. Интегрированный подразумевает, что вестгейт непосредственно входит в конструкцию турбонагнетателя. Внешний может быть установлен там, где посчитает нужным конструктор. Или, по крайней мере, в более подходящем месте.

west hks 

Хороший пример внешнего вестгей та от HKS

проставка пот вест гейт

Адаптер для размещения вестгейта между турбонагнетателем и коллектором.

Принятие решения о том, какой тип вестгейта будет выбран, является компромисом между бюджетом и характеристиками системы. Бюджетный вариант - интегрированный вестгейт. При получении высоких характеристик, за редким исключением, обычно используется внешний вестгейт. Попробуйте найти интегрированный вестгейт на спортивном автомобиле.

Установка вестгейта в систему

Один из ключевых пунктов при установке вестгейта в систему - определение места выхода отработанных газов из выпускного коллектора. Этот выбор достаточно важен, потому что он определяет такие вещи как распределение нагрузки между цилиндрами, точную и быструю реакцию на открытие клапана вестгейта и, в некоторой степени, на давление на входе в турбину. Выход газов должен располагаться в месте, где собираются импульсы выхлопных газов из всех цилиндров. Практически всегда это место коллектора, расположенное непосредственно у крепежного фланца турбины. Симметрия и легкий путь для газов - вот основные принципы для размещения вестгейта.

турбинаа

Интегрированный вестгейт недорог и прост.

турбинаа2

 Внешний вестгейт - лучшее из решений для регулирования давления.

Важно, чтобы отработанные газы легко могли изменить направление от пути непосредственно к турбине к обходному пути через вестгейт. Если у потока газов будут сложности при изменении направления к выходу через вестгейт, способность управлять давлением наддува в диапазоне высоких оборотов может просто исчезнуть.

Возврату отработанных газов от вестгейта в выхлопную трубу за турбиной нужно уделить такое же внимание как газам, входящим в вестгейт. В данном случае нужно постараться избежать столкновения двух потоков отработанных газов, выходящих из турбины и выходящих из вестгейта. Взаимодействие потоков увеличит противодавление на выходе газов, таким образом понижая мощность. Интегрированный вестгейт обычно будет направлять отведенные отработанные газы назад в систему непосредственно за рабочим колесом турбины. Это приемлемо по экономическим причинам, но это не в интересах повышения мощности. Некоторые конструкции интегрированных вестгейтой имеют отдельную выхлопную трубу для отведенных газов. Когда имеется такая отдельная труба, это преимущество должно быть использовано и она должна быть продлена дальше на некоторое расстояние, перед возвратом газов назад в основную систему выпуска. Минимальное расстояние около 450 мм.

плохой вест

Вестгейт, который не отводит газы от всех цилиндров равномерно - плохое решение. И тем более он не должен создавать обратный ход потока газов от турбонагнетателя, как здесь.

направление потока веста

Угол входа потока в вестгейт важен. Правильно выбранный угол позволять отработанным газам легко выходить из системы.

Как обсуждалось в главе «Системы выпуска», идеальное решение для одведенных через вестгейт газов - полностью отдельная выхлопная труба. Такая компоновка обеспечивает самую лучшую реакцию вестгейта, самое низкое обратное давление, и полное отсутствие взаимодействия с потоком газов из турбины.

Высокоэффективная система турбонагнаддува будет иметь отдельную выхлопную трубу для вестгейта. Конечно такая система не будет ни дешевой ни простой. В ней должно быть уделено соответствующее внимание конструкции выхлопной трубы вестгейта, необходимо обеспечить тепловое расширение трубы без ее деформации.

турбинаа 2

Интегрированные вестгейты обычно сбрасывают отведенные газы непосредственно за турбиной и создают высокую турбулентность, понижая общий расход газов через турбину.

 вывод газов

 Интегрированные вестгейты, отводящие выхлопные газы в отдельную выхлопную трубу, обеспечивают более высокую отдаваемую мощностъ.

Сигнал управления вестгейтом

Давление наддува, приложенное к диафрагме вестгейта, называется управляющим давлением. Источник этого сигнала может влиять на реакцию вестгейта, окончательное давление наддува, и, в какой-то степени, на расход топлива. Поэтому важно рассмотреть, откуда будет поступать этот сигнал. Очень важно знать и понимать, что вестгейт будет управлять давлением в точке, из которой он получает управляющий си гнал. Если сигнал берется на выходе компрессора, то в этом месте системы будет создаваться давление наддува, определяемое настройкой вестгейта. Аналогично, если сигнал взят из выхлопной трубы (не смейтесь), давление в выхлопной трубе так же будет определяться настройкой вестгейта. Известно, что давление в системе двигатель/турбонагнетатель изменяется из-за таких ограничивающих расход газов устройств как промежуточные охладители, дроссельные заслонки, и даже из-за очевидных проблем в соединении воздушных патрубков. Понятно, что давление в системе изменится в зависимости от выбора источника управляющего сигнала. Так где же разместить источник сигнала?

интегрированный вестгейт

Клапан интергрированного вестгейта.

778

 Гибкие отводные трубы вестгейта обеспечивают значительное расширение и сжатие, вызванные большими колебаниями темпepaтуры в вестгейте.

По существу, для выбора источника сигнала управления существуют три точки: выход компрессора, корпус дроссельной заслонки и впускной коллектор. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Сигнал, получаемый на выходе компрессора, обеспечивает лучший контроль над вестгейтом, а имено - его реакцию и возможность непрерывно управлять давлением наддува. Недостаток такого выбора в том, что подъем кривой момента, будет немного меньше, поскольку этот источник сигнала создает условия для самого раннего открытия вестгейта. Раннее открытие клапана вестгейта даст некоторое снижение тепловой нагрузки, потому что в системе фактически никогда не будет создано давление большее чем задано настройкой вестгейта. Это позволяет избежать быстрого перегрева промежуточного охладителя. Ресивер на впуске, как источник сигнала, немного улучшит реакцию на наддув, так как турбонагнетатель сможет свободно создать давление наддува какое он может, пока давление не достигнет источника сигнала и не будет передано на вестгейт. То, что турбонагнетатель сможет свободно создать короткий пик давления, приведет к значительному повышению температуры промежуточного охладителя. Большая температура всегда должна рассматриваться как отрицательный фактор. Для системы с продавливанием воздуха через карбюратор, в которой вестгейт и регулятор давления топлива должны получать один и тот же сигнал одновременно, источник сигнала во впускном ресивере -лучший выбор. 

нагревы мест трубопровода

 

Источник сигнала для вестгейта может влиять на систему относительно тепловой нагрузки и реакции турбины.

Получение сигнала из впускного ресивера должно рассматриваться только тогда, когда реакция турбонагнетателя имеет самое высокое значение, и короткий выброс дополнительной теплоты допускается или игнорируется. Во всех рассматриваемых случаех необходимо следить за температурой воздуха в системе. Если не существует каких-либо особенных требований к системе, подключайте сигнал вестгейта к выходу компрессора и радуйтесь.

Особенности конструкции вестгейта

На функциональность и возможности вестгейта влияют различные детали его конструкции. Большинство вестгейтов, представленных сегодня на рынке, имеет хорошее соотношение цена/качество, но при внимательном рассмотрении особенностей их конструкции может оказаться, что один вестгейт в чем-то лучше другого для какого-то специфического применения.

вест

Устройство класического вестгейта

Общее направление.

Все вестгейты должны иметь одну важную характеристику - общее направление для давлений, прикладываемых к клапану и диафрагме. Давление отработанных газов приложенное к клапану вестгейта, должно действовать в том же самом направлении, в котором приложено к диафрагме давление наддува.

Стабильность и устойчивость.

Стабильность, с которой вестгейт управляет давлением наддува, и устойчивость работы вестгейта, зависят от отношения площадей диафрагмы и клапана. При прочих равных условиях, чем больше это отношение, тем лучше вестгейт.

Теплоизоляция.

Теплоизоляция является критичной для предполагаемого срока службы вестгейта. Теплоизоляция, в некоторой степени, зависит от того где Вы выберете место для установки вестгейта, но она, также, зависит от пути для распространения тепла от самой горячей части клапана до диафрагмы. Идея, конечно, в том, чтобы удерживать теплоту подальше от хрупкой диафрагмы. Теплота быстро передается через толстые металлические детали; таким образом, чем меньшее площадь материала между этими двумя деталями, тем лучше. Алюминий хорошо проводит тепло, в то время как нержавеющая сталь имеет гораздо меньшую теплопроводность. Поэтому вестгейт из нержавеющей стали должен обеспечить диафрагме более долгую жизнь.

Давление открытия.

Давление открытия вестгейта - давление, при котором клапан начинает подниматься с седла. Это давление, как правило, составляет от половины до одной третьей стабилизированного давления (максимального давления наддува). Важно, чтобы давление открытия было как можно выше, потому что иначе через вестгейт будет сброшено достаточное количество энергии, предназначенной для турбины, как только он начнет открываться, таким образом турбонагнетатель не разовьет максимального давления. Из-за этого способность турбонагнетателя создавать давление наддува после начала открытия клапана вестгейта, сокращается.

Возможность регулировки.

Возможность регулировки - хорошая особенность, желательно чтобы она имелась в каждом вестгейте. Обычно это выполняется винтом, который изменяет предварительную затяжку клапанной пружины. Физический смысл жесткости пружины, свободной длины и сжатой длины обычно определяет диапазон регулирования вестгейта, который обычно ограничен 0,15 бара без замены пружины. Практически все изготовители вестгейтов предлагают разнообразные пружины для различных давлений наддува. Вообще, отдельные вестгейты обеспечивают возможность регулирования; интегрированные - нет.

tian

Внешний вестгейт с диаметром выходного от верстия 60 мм от Tial.

Крепежный фланец.

При выборе вестгейта должен быть внимательно рассмотрен тип крепежного фланца. Жесткие прочные фланцы крепления долговечны. Все остальные имеют меньший срок службы.

Обманывание вестгейта

Настройка давления наддува становится любимым времяпрепровождением энтузиастов. Просто думать о способе создания большей мощности, только путем поворота винта регулировки давления. Увы, это не так. Условия, при которых система должна работать, если кто-то пожелает поднять давление наддува, это отвод некоторого количества теплоты из нагнетаемого воздуха, обеспечение правильного соотношения воздух/топливо и, если возможно, увеличение октанового числа топлива. Тогда, и только тогда, Вы имеете право поднять давление наддува на новый уровень, который прибавит в систему такое же количество теплоты, которое было удалено из системы, путем повышения ее эффективности.

Например, более эффективный промежуточный охладитель, который может снизить температуру на впуске еще на 30°С, позволит поднять давление приблизительно на 0,2 бара, конечно при обеспечении, постоянного соотношения воздух/топливо. Произвольное увеличение давления наддува, без каких либо предосторожностей, по существу означает, что Вы думаете, что консервативность конструкторов была граничащей с глупостью. Можно согласиться, что бухгалтера и адвокаты определяют терпимые давления наддува, но нужно предполагать, что инженер, с соответствующими знаниями в термодинамике, был ответственным человеком. В таком случае если мы произвольно поднимем давление наддува нас ждут проблемы. Делайте выбор. Нужно твердо знать, что прежде чем увеличивать давление наддува, необходимо удалить из системы некоторое количество теплоты. С учетом сказанного, имеются схемы, позволяющие поднять давление наддува:

вестгейт в разрезеjpg

Простая модификация интегралъного вестгейта для увеличенного наддува. 

Замена пружины.

Простое решение для постоянного изменения уровня наддува состоит в замене пружины в приводе вестгейта. Это может быть выполнено тремя различными способами: сжатие оригинальной пружины для более высокой предварительной нагрузки, замена оригинальной пружины более жесткой, или установка дополнительной пружины. Оценка жесткости пружины, требуемой для конкретной величины наддува, имеет немного длинные вычисления. Если Вы не сильны в вычислениях, возможно метод проб и ошибок будет легче. Достаточно простой метод выбора дополнительной пружины состоит в том, что необходимо выбрать пружину приблизительно такой же длины как оригинальная, но приблизительно на половину менее жесткую. Это обеспечит наддув примерно на одну треть выше штатного.

"Утечка давления".

Другая простая форма регулирования давления - "Утечка давления". Этот способ состоит в создании управляемой утечки в сигнальной линии привода вестгейта. Если, например, в сигнальной линии может быть создана утечка 0,15 бара, потребуется 0,65 бара наддува, чтобы открыть вестгейт, настроенный на 0,5 бара. Регулируемая утечка может быть создана при помощи регулируемого клапана. Поверните регулировочный винт, измените утечку и управляйте давлением.

 90jhtCfJOo8

Простой и надежиый механ и ческий бустконтроллер, работающий на принципе регулируемой утечки в сигнальной линии вестгейта.

дистанционное управление наддувом

Основная концепция дистанционного управления наддувом. Рестриктор, для увеличения влияния утечки на регулировку

Двухуровневый переключатель давления.

"Утечка давления " с некоторыми вариациями может стать системой с двумя уровнями регулировки, высоким и низким. "Утечка давления" работает, путем создания утечки воздуха, и она может включаться при помощи электромагнитного клапана, управляемого выключателем из кабины. Эта схема может быть расширена до любого необходимого числа уровней наддува. Логично выбрать два или три уровня наддува, но выбор десяти различных уровней доканал бы Вас.

Дренажное отверстие.

Возможно самый простой способ, поднять давление наддува, дренажное отверстие, через которое будет выходить часть воздуха, подаваемого к приводу вестгейта. Начните с дренажного отверстия диаметром приблизительно 1,5 мм. Просто регулируйте размер вплоть до достижения желательного наддува. В сигнальной линии может требоваться ограничительное отверстие, поскольку системы турбонаддува производят такие огромные объемы воздуха, что выпускное отверстие диаметром 1,5 мм является обычно бессмысленным без уменьшения количества воздуха, подаваемого к приводу. Лучше оставить диаметр ограничительного отверстия также приблизительно 1,5 мм.

hks evc6 01

 Электронный контроллер вестгейта - многофункциональное устройство для управления давлением наддува.

Электронно/пневматический регулятор вестгейта.

В настоящее время на рынке представлены различные электронные блоки управления вестгейтом, которые обеспечивают дополнительные возможности регулирования. Мало того, что они обеспечивают несколько различных давлений наддува по нажатию кнопки, они также держат закрытым клапан вестгейта, пока не будет достигнуто заданное давление наддува. Это выполняется, путем блокирования сигнала давления к вестгейту, предотвращая его открытие за 0,35 - 0,4 бара до максимального наддува. Нарастание наддува от среднего до максимального происходит значительно быстрее. В то время как это трудно почувствовать на первой передаче, преимущества такой схемы очевидны и существенны на третьей передачи и выше.

Устройство защиты от превышения давления наддува

Трудно привести доводы против наличия некоторого резервного устройства управления давлением, которое должно обеспечить регулирование, если вестгейт будет неисправен. Не думайте однако, что если это случится, двигатель будет моментально расплавлен. Когда вестгейт будет неисправен, не требуется быть крупным ученым, чтобы увидеть более высокие показания на указателе давления наддува и сделать выводы, что кое-что неисправно. При этом не нужно быть Микой Хаккиненом, чтобы сказать, что автомобиль ускоряется немного быстрее и что возможно кое в чем-то произошли изменения, и что нужно бы посмотреть на приборы. Вообще, если кто-то сжег свой двигатель из-за неисправного вестгейта, ему нужно бы вернуться и повторно сдать на права. Однако, легко избежать опасности перерегулирования, быть уверенным в этом, и не волноваться о таких вещах.

 схема подключения датчика

 Защита от неконтролируемого повышения давления наддува может быть реализована отключением питания катушки зажигания или топливного наcoca.

Несколько схем удовлетворительно работают как защитные устройства. В серийных системах турбонаддува они существуют в различных вариантах от предохранительных клапанов до систем с электронной отсечкой топлива или отсечкой зажигания. Если кто-то сделал всю “домашнюю работу" и хочет повысить давление наддува серийной системы, заводское защитное устройство должно быть отключено, но все-таки хорошей идеей будет установить новое, соответствующее более высокому уровню наддува. Индивидуальный подход к блокированию этих устройств, скорее всего, состоит в изучении руководства по ремонту автомобиля или консультации с кем-нибудь в сторонних фирмах, занимающихся этими вопросами.

Если Вы разрабатываете вашу собственную систему турбонаддува, также желательно создать защитное устройство от перерегулирования давления наддува. Датчик давления может отключать импульсы к катушке зажигания, комутатору, или топливному насосу. Просто найдите нужный провод, врежте в него приводимый в действие давлением выключатель, отрегулированный на давление на ОД - 0,15 бара выше настройки вестгейта, и подайте на него сигнал давления надува. Отключение подачи топлива - вероятно лучший из этих двух вариантов. Эти устройства могут вызывать дергание автомобиля если причина роста давления остается неустраненной (поскольку давление наддува многократно понижается до безопасного уровня, замыкает цепь, которая заставляет наддув опять возрастать), но безопасность они обеспечивают. Этот подход, конечно, не достаточно быстродействующий для карбюраторных двигателей и поэтому пригоден для двигателей с системой впрыска топлива.

Итоги главы

Почему необходим вестгейт?

Система турбонаддува на бензиновом двигателе должна иметь механизм регулирования давления для предотвращения неконтролируемого повышения давления наддува и следовательно разрушительной детонации. Вестгейт это стандарт, единственное технически правильное решение дня регулирования давления в системе турбонаддува. Другой хороший вариант - турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины, который управляет оборотами турбины, и таким образом давлением наддува, путем изменения положения лопаток (см. главу "Будущее турбонаддува). Этот тип турбонагнетателя гораздо более технически совершенен чем стандартные турбины с вестгейтами.

Как вестгейт должен быть установлен в систему ?

Вестгейт предъявляет два требования к установке в систему : Откуда дует и Куда дует. Вестгейт должен стравливать газы из того же места выпускного коллектора откуда эти газы попадают в турбонагнетатель. Выход из вестгейта должен в идеальном случае иметь отдельную выхлопную трубу и глушитель. Это обеспечивает наименьшее влияние на поток газов, выходящих из турбины. Соединение вентиляционной трубы вестгейта и выхлопной трубы должно быть расположено от выхода трубы из турбонагнетателя минимум в 45-50 сантиметрах. По этим причинам внешний вестгейт всегда лучше чем интегрированный. Серьезные люди в турбонаддуве, вроде Porsche, все же не упустили возможность сэкономить на интегрированном вестгейте. Однако никакие гоночные автомобили не имеют интегрированных вестгейтов, и сомнительно, что они когда-либо будут их иметь. Интересно читать объявления и описания турбокитов, рекламирующих одну из наименее желательных особенностей системы турбонаддува: интегрированный вестгейт.

Необходимы ли какие-нибудь защитные устройства?

Защитные устройства от превышения допустимых оборотов и превышения давления наддува - хорошее дополнение к системе турбонаддува. Индикатор детонации полезен для того, чтобы ее услышать. Система обнаружения и устранения детонации замкнутого типа - хорошее решение для обеспечения безопасной работы двигателя.

 

Прочитано 2652 раз

Понравилось?! Не забудь поделиться! ;-)

    

Есть что рассказать? Тогда вам сюда...

--->

Мы в соцсетях