Корки Белл - Maximum Boost Турбонаддув (Выхлопной коллектор) Глава 10

(1)
0
2739

Выпускной коллектор играет важную роль в характеристиках системы турбонаддува. Выпускной коллектор турбонагнетателя должен выполнять много различных задач.

Прямые обязанности включают крепление турбонагнетателя, направление выхлопных газов к турбине, обеспечивая устойчивое прохождение импульсов давления выхлопных газов, не допускать утечки теплоты сквозь стенки. Выполнять эту повседневную работу, накалившись до вишневого цвета, и при этом оставаться прямым, не покрываться трещинами, и держать турбину год за годом - это не простая задача.

 bmw

Выхлопному коллектору приходится работать в очень тяжелых условиях. Выхлопной коллектор турбодвигателя BMW Formula 1.

Назначение

Назначение автомобиля, будь то соревнования или уличное применение, значительно влияет на выбор материалов, конструкцию, и способ изготовления. Любая высокофорсированная система турбонаддува будет конфигурироваться вокруг коллектора трубчатой конструкции. Одноразовые проекты, по одним только причинам стоимости, должны быть изготовлены таким же образом. Литые коллекторы являются очевидным выбором когда необходимо сделать большое количество изделий.

лянчаbmw ehondab3379f5b13d3

Слева на право: Сварной коллектор для Lancia Delta 2.0 L turbo. / Литой выхлопной коллектор для рядного шести цилиндрового двигателя, обратите внимание на фланец для установки вестгсйта.                Слева внизу: Литой коллектор для мотора Honda серии В. Справа внизу: Литой коллектор для Volkswagen GolfGTI VR6.

Критерии конструкции

Удержание теплоты. Понятно, что характеристика турбины в некоторой степени определяется температурой отработанных газов. Тогда будет разумным приложить некоторые усилия к передаче выхлопных газов из камеры сгорания к турбине с наименьшей возможной потерей температуры. Это совершенно понятно, хотя неоходимо рассматривать прочность материалов при повышеных температурах и должен быть реализован какой либо способ охлаждения. Удельная теплопроводность материала характеризует способность этого материала проводить тепло. Так как наша цель - удержать теплоту внутри коллектора, нужно стараться использовать материалы с наименьшей теплопроводностью.

Выбор материала

Нержавеющая сталь. Этот материал предоставляет нам интересную комбинацию свойств. В первую очередь это низкая удельная теплопроводность. Нержавеющая сталь - превосходный выбор. Она легко сваривается, трещиностойкая и с ней относительно легко работать. Все нержавеющие материалы имеют очень высокий коэффициент теплового расширения; таким образом, конструкция, компоновка и толщина коллектора из нержавеющей стали должны быть продуманы с учетом этой особенности материала. Например, нержавеющий фланец с точно просверленными отверстиями для болтов крепления диаметром 8 мм, прикрученный к головке блока, срежет половину болтов при первом же прогреве двигателя. Поэтому под болты необходимы отверстия большего диаметра, чем обычно. Нержавеющая сталь имеет высокую коррозионную стойкость. Из-за этого и ее низкой теплопередачи она заслуживает серьезного рассмотрения в качестве материала для эффективных выпускных коллекторов.

Чугун.Сплавы железа дают конструктору простор в действиях. При грамотном подходе из них могут быть отлиты весьма сложные формы. Пределы совершенства зависят от способностей модельщиков. Литейный процесс - единственный жизнеспособный способ изготовления выпускных коллекторов самых разнообразных форм. Опытный и вдумчивый конструктор может воспользоваться этими преимуществами материала, чтобы разработать коллектор отличающийся низкой площадью поверхности, тонкостенный, с плавными формами и постоянным проходным сечением. Существует множество марок чугуна, но возможно наиболее полезный для конструирования выпускного коллектора сштв, названный "пластичное железо" . «Пластичное железо» имеет характеристики хорошей трещиностойкости и стабильности формы при высокой температуре, хорошую обрабатываемость на станке, и при этом относительно высокою прочность. Литые коллекторы остаются территорией крупных производителей из-за сложностей при создании необходимых моделей и оснастки.

Обычная нелегированная сталь. Хотя обычная сталь не имеет никаких особенных свойств, которые делали бы ее идеальным выбором в качестве материала выпускного коллектора, она действительно хорошо подходит для этого. Этот материал недорог, легок в обработке и сварке, и доступен в широком ассортименте размеров и форм. Возможно его наихудшее качество - низкая коррозионная стойкость. Его можно значительно улучшить хромированием. Применяйте хромирование промышленного качества, которое является во много раз более толстым, чем декоративный хром. Возможно, лучше, чем хром некоторые из современных керамических покрытий.

Алюминий. Из-за низкой высокотемпературной прочности алюминия и высокого коэффициента теплопроводности, исключите его из списка материалов для автомобильного выпускного коллектора. В некоторых конструкциях лодочных моторов алюминиевый выхлопной коллектор с водяной рубашкой охлаждения становится идеальным выбором.

Тепловые Характеристики

Толщина стенок выбранного материала будет существенно влиять на теплопередачу, при этом, чем толще материал, тем быстрее тепло переместится сквозь него. На первый взгляд это противоречит логике, но если рассмотреть, как быстро теплота была бы отведена из бесконечно толстого алюминиевого коллектора с высокой теплопроводностью, и из наоборот очень 'гонкого коллектора из нержавеющей стали окруженного хорошим изолятором, таким как воздух, станет понятно, что скорость теплопередачи прямо пропорциональна площади поверхности. Поэтому разумно приложить усилия для минимизации площади открытой поверхности выпускного коллектора. Ясно, чем меньше площадь поверхности, тем меньшее теплоотдача. Сокращение количества окружающего воздуха, обтекающего выпускной коллектор и турбонагнетатель понизит теплоотдачу от системы. Вообще не выполнимо непосредственно обернуть выпускной коллектор теплоизолирующим материалом, поскольку материал коллектора сам перегреется до разрушения конструкции.

колектор1

колектор2

Конструкция может оказать влияние на долговечность выпускного коллектора.Коллектор последовательнои конструкции будет испытывать большие тепловые нагрузки и тепловое расширение чем коллектор парпллельной компоновки. Перекрытие тепловых импульсов в коллекторе последовательной конструкции создает дополнительные места сильного нагрева и большее тепловое расширение.

 

Также на теплопередачу из выпускного коллектора влияет распределение температуры внутри коллектора. Мест сильного нагрева внутри коллектора нужно избегать, потому что они являются участками повышенной теплопередачи. Такие участки образуются в местах пересечений труб или из-за прохождения большого числа выхлопных импульсов через один участок коллектора. Имейте в виду, что перепад температур между внутренней и наружной поверхностями коллектора - сила, которая переносит тепло сквозь стенки коллектора.

Реверс потока

Обратный ход потока отработанного газа назад в камеру сгорания в течение перекрытия клапанов назван реверсом. Создание аэродинамического барьера, который понижает противоток, но в то же время не препятствует выходу отработанных газов, может улучшить характеристики.

флянец

Противореверсивный конус может обеспечить снижение реверса отработанного газа, в течение перекрытия клапанов. Конус создает частичный барьер для обратного хода потока.

Компоновка коллектора

При выборе компоновки выхлопного коллектора существует достаточно большая свобода выбора, начиная от простой последовательной компоновки, до компоновки с трубами равной длины, с несколькими трубами, компоновки с индивидуальными трубами.

ауди

Сварной коллектор для 8-цилиндрового двигателя Audi.

Было проведено множество исследований для определения выигрыша в характеристиках от различных компоновок коллектора. Большинство этих исследований, огромные усилия, потраченные в турбо эру Формулы 1, ясно показывают, что лучший выхлопной коллектор - трубчатый с индивидуальными трубами. Размеры труб. Почти все проекты по турбонаддуву используют существующий двигатель. Поэтому, выбор размеров трубы обычно диктуется размером порта и размером входа турбины на турбонагнетателе. 

Когда есть выбор между размерами труды, всегда выбирайте меньший, для обеспечения высокой скорости газов.

jz

Хороший образец сварного трубчатого коллектора для двигателя Toyota 2JZ-GTE.

Когда нет четкого выбора, лучше выбрать меньший из располагаемых размеров, для увеличения скорости отработанных газов. Прочность коллектора будет в значительной степени зависеть от толщины стенок. В коллекторе с толщиной стенок менее 2 мм, может потребоваться подкос или небольшая траверса для поддержки турбонагнетателя. Тепловое расширение коллектора будет вызывать перемещение турбонагнетателя при циклическом изменении температуры. Таким образом, крепление должно иметь некоторую степень подвижности и в то же время служить опорой турбонагнетателю. Гнутые трубы имеются в широком ассортименте, чтобы удовлетворить запросы изготовителя выхлопного коллектора. Они являются высококачественными изделиями и могут быть применены в любом самом замысловато изогнутом коллекторе для турбонагнетателя, который только можно вообразить.KNVR6MANIFOLD

                                                 

                                                       Другой пример литого коллектора для VWGolfGTl VR6. Обратите внимание на разрезы на фланце для уменьшения влияния термических деформаций.                                                    

Неудачное расположение фланца для вестгейта обусловлено требованиями компоновки турбонагнетателя под капотом переднеприводного автомобиля.

Вариант трубчатого коллектора может быть изготовлен из так называемых цельнотянутых стальных отводов. Отводы применяются в основном в индустриальном гидравлическом оборудовании, используемом обычно в нефтяной промышленности и других подобных тяжелых отраслях. Эти отводы могут быть самых различных размеров и радиусов, и изготовлены или из мягкой стали или из нержавеющий. Хотя они тяжелые и дорогие, отводы могут использоваться, чтобы сформировать хороший высокопрочный коллектор. Отводы подразделяются по размерам согласно номенклатуры труб - то есть по внутренним диаметрам.

nissan sr20det twin scroll single wg turbo manifold 0

 Сварной коллектор для двигателя Nissan SR20. Обратите внимание на разрезы на фланце, для предотвращения деформации при тепловом расширении.

lotus

Подгонка деталей для сварки, при формировании коллектора для Lotus Elise turbo.

Литой коллектор

Литейный процесс по своей сути достаточно прост, но в то же время сложен из-за затраты на изготовление модели и оснастки. Литые изделия обычно представляют собой коллектор последовательной компоновки - удобный для производства, но не подходящий для достижения максимальных характеристик. Необходимо понимать, что литой коллектор может обеспечивать очень хорошие характеристики, но он не предназначен для спортивного автомобиля.

Установка вестгейта

При разработке компоновки выпускного коллектора нужно заранее предусмотреть выход газов и расположение вестгейта. 

jz2

                                                                                          Прекрасный пример интеграции внешнего вестгейта в систему турбонаддува на двигателе Toyota 2JZ-GTE.                                                                                             Для установки турбонагнетателя и вестгейта к выхлопному коллектору присоединена специально изготовленная проставка.

 вест

Интегрирование вестгейта в выпускной коллектор

Принципы, связанные с установкой и внедрением вестгейта в систему, состоят в том, что вход газов в вестгейт должен располагаться после того, как все импульсы выхлопа, направленные в турбонагнетатель, будут объединены в одну трубу.

Тепловое расширение

В процессе проек тирования необходимо учесть изменения формы коллектора при увеличении его температуры от окружающей до рабочей. Тепловая деформация может создавать серьезные проблемы с постоянными утечками выхлопных газов. Деформация вызвана неравномерным распределением температуры в конструкции коллектора. Например, фланец коллектора не будет нагреваться до той же самой температуры как сегмент трубопровода или коллектора, поэтому его размеры не будут значительно изменяться. Эти изменения размеров будут вызывать деформации, если им не уделялось внимания в процессе проектирования. Каждый фланец коллектора, например, должен быть отделен от других. 

флянец2

Температурные деформация: фланец крепления коллектора вынужден деформироваться из-за неравномерного распространения температуры между трубами и фланцем. Для устранения этого необходимо разделить фланец на несколько сегментов по числу выхлопных кантов.

Характеристики теплового расширения требуют внимания к размерам отверстия под болт, особенно в головке цилиндра. Плотные, с жесткими допусками, отверстия для болтов могут действительно вызвать разрушение соединения, нагружая соединители серьезной нагрузкой, когда коллектор достигнет максимальной рабочей температуры. Решение этой задачи - увеличение диаметр отверстия для болта, в зависимости от расстояния до центра коллектора. Это особенно важно, если использованный материал - нержавеющая сталь. На длинных двигателях, например на рядных шестицилиндровых, проектировщик должен рассмотреть использование двух коллекторов, соединенных при помощи гибкого трубчатого соединения. Такой тип подвижного соединения используется также в авиации и больших индустриальных двигателях. 

расширение

Тепловое расширения может разрушить болты крепления флянцев. Этого можно избежать, выполняя отверстия под болты прогрессивно большего диаметра.

Соединения

Выбор соединений требуют обдуманного подхода. Теплота, действу кидая на отдельное соединение, определяет выбор материала, в то время как тип соединения определяет, что будет использоваться для соединения - болт или шпилька.

Соединение элементов при рабочих температурах системы турбонаддува - повод для серьезных размышлений. Почти любая углеродистая сталь сварится при таких температурах. Материал, в конечном счете, окислится до такой степени, что соединительные детали фактически прокорродируют с основным материалом. Кадмирование сгорит при этих температурах. Наиболее разумное решение проблемы соединителей - нержавеющая сталь. Болты из нержавеющей стали хорошо работают при температурах выше 650°С. Ниже этой температуры нержавеющие крепления хороши, но не рентабельны.

В зависимости от типа соединения, возможны три вида соединителей: стяжной болт, шпилька, или болт. Соблюдайте следующие руководящие принципы:

  • стяжной болте гайкой (шатунный болт, например) - всегда первый выбор,
  • шпилька, закрепленная в нарезанной резьбе (крепление выпускного коллектора к головке блока, например) - хороший кандидат на второе место.
  • Последний и понятное дело худший выбор - болт, завинченный в нарезанную резьбу. Это соединение не может оставаться затяну тым, если не защищено контровочной проволокой. Используйте его в последнюю очередь.

Большие толстые плоские шайбы необходимы, так же как и контрящие шайбы. Забудьте об использование любого вида пружинных контрящих шайб; поскольку они подвергаются воздействию теплоты, они просто спекутся. Контрящие шайбы, с наклонными плоскостями, гребнями, или мелкими зубцами, являются единственными контрящими шайбами, которые останутся в живых.

Резьбовые соединения в системе тербонаддува - потенциальные источники неисправностей, уделите им ваше особое внимание.

Нержавеющие контргайки способны сохранять затяжку при высокой температуре. Контргайки из медных сплавов не могут противостоять температуре; они просто ослабнут.

Прокладки

Хотя функция прокладки кажется очевидной, прокладка также может использоваться как своего рода тепловой барьер. Некоторые соединения нуждаются в прокладках для уплотнения, в то время как другие извлекают выгоду исключительно в виде понижения теплопередачи. Сопрягаемые поверхности двух деталей, работающих при относительно одинаковой температуре, необязательно нуждаются в прокладке. Крепление турбонагнетателя к коллектору - такое соединение. Крепление вестгейта - как раз наоборот, желательно понизить теплоту около диафрагмы вестгейта, тем самым, продлив предполагаемый срок ее службы. Прокладка служит здесь как полезный барьер для тепла. Это то же условие действует в соединении приемной трубы и турбонагнетателя и вентиляционной трубы вестгейта и вестгейта.

Прокладки играют серьезную роль в любой системе выпуска. Присутствие турбонагнетателя не меняет ситуацию. В некоторых случаях, когда позволяет качество станочной обработки, лучшее решение проблемы прокладки это ее отсутствие. Такой вариант особенно жизнеспособен, когда стыкуются две чугунные поверхности. Стальные фланцы толщиной до 12 мм, будут, скорее всего, достаточно прочными, чтобы длительно работать без прокладки.

Безымянный

 Выхлопной коллектор для двигателя Chevrolet V-8 с одним турбонагнетателем.

Когда очевидно, что прокладка необходима, слоистая прокладка металл/фибра/металл - возможно лучший выбор уплотнительной прокладки и изолятора для высокотемпературной системы турбонаддува. Простая прокладка из нержавеющей стали или отожженной меди -также будет хорошим выбором. Обычно они имеют толщину 0,5-0,75 мм, и могут использоваться с успехом там, где поверхности имеют небольшие неровности, или соединяемые части недостаточно жесткие, чтобы работать без прокладки. Все же это должно рассматриваться только как временная мера. Вообще, фибровых прокладок нужно избегать, поскольку ни один из волокнистых материалов не имеет достаточной долговечности при высокой температуре. Деньги, потраченные на прокладки хорошего качества на металлической основе, избавят от головной боли и утечек в системе выхлопа. Избавление от прокладок - достойная цель проектирования. При наличии достаточно толстых фланцев и качественной обработки поверхностей большинство прокладок может быть убрано из системы. В мысли, что отсутствующая прокладка не может пропускать газы, есть здравый смысл.

Итоги главы

Что представляет из себя хороший выхлопной коллектор?

Выхлопной коллектор - сложный этап проекта, охватывающий много параметров. Единственный наиболее важный параметр - материал, и чугун - лучший материал для типичных уличных автомобилей. Простая сталь - неудачный выбор, потому что она быстро окисляется при высоких температурах, корродирует, и в конечном счете трескается. Внутреннее спрямление важно, чтобы избежать насосных потерь. Другая критическая сторона конструкции - скорость потока. Отработанные газы не должны ускоряться и замедляться, так как они будут терять значительную энергию, которая могла быть передана турбине. Плавный, с постоянной скоростью поток идеален. Также важно сохранение теплоты. Чем большее количество теплоты может быть сохранено в коллекторе, тем меньше доля тепловой инерции в полной инерционности турбонагнетателя. Конструкция, которая позволяет импульсам отработанного газа достигнуть турбины через регулярные интервалы, идеальна, но трудно воплотима.

Имеют ли соединения в турбонагнетателе проблемы с надежностью?

Прокладки между выпускными коллекторами и турбинами часто ненадежны из-за крайне высокой температуры. Наиболее практичное решение этой проблемы - точные плоские поверхности, которые обходятся без прокладок.

Прочитано 2739 раз

Понравилось?! Не забудь поделиться! ;-)

    

Есть что рассказать? Тогда вам сюда...

--->

Мы в соцсетях