Оборудование и инструменты
В большинстве случаев измеряются температура и давление, и это требует разнообразных измерительных приборов. При этом не требуется никакого дорогого оборудования кроме действительно хорошего измерителя соотношения воздух/топливо. В магазине технического оборудования наверняка найдутся разнообразные манометры, но аппаратура для измерения температуры обычно продается в специализированных магазинах или компаниях.
Оценка потерь в воздушном фильтре
Потери в воздушном фильтре могут влиять на исправный двигатель и вызывать нежелательные побочные эффекты. Мысль проста -воздушный фильтр с сопротивлением может отбирать мощность, потому что он не будет легко пропускать воздух в двигатель. Присутствие турбонагнетателя, однако, усложняет эту простую ситуацию. Турбонагнетатель хотел бы, чтобы после того, как воздух пройдет через фильтр, он имел параметры окружающей среды. Это условие особенно важно, потому что все вычисления изменений температуры, потерь или увеличений давления, и эффективности основаны на условии, что на входе турбонагнетателя мы имеем условия окружающей среды. Например, предположите, что установлено давление наддува в 0,8 бара, и имеется мифический воздушный фильтр с нулевыми потерями. Используя формулу для степени сжатия из третьей главы, получим
Теперь установим воздушный фильтр, который имеет потерю давления в 0,15 бара при тех же условиях максимальной нагрузки:
При этом появляется дополнительное обстоятельство, расход воздуха сокращается, наддув остается тем же самым, а степень сжатия повышается. В то время как степень сжатия увеличивается, также возрастает нагрев воздуха. В итоге мощность падает, а количество теплоты в системе растет. Звучит почти как нагнетатель типа Руте. Это может выглядеть как научное объяснение или нечто подобное, но это не так. Утверждение, что турбонагнетатель будет создавать то же самое давление при меньшем расходе воздуха, фактически означает, что ему придется работать немного тяжелее, чтобы сделать это. Чем тяжелее он должен работать, тем большее количество тепла он выработает. Мы все бываем в подобной ситуации.
Вакуумный манометр используется для определения потерь в системе впуска воздуха. Прибор 1 показывает потерю давления на воздушном фильтре. Вычитая из показаний прибора 1 показания прибора 2, получим потерт давления на расходомере воздуха.
Чтобы измерить потери расхода сквозь систему впуска при входе в турбонагнетатель, установите вакуумный манометр только перед входом компрессора. Тогда
Стандартное барометрическое давление - 760 мм рт. ст.
Если прибор показал 76 мм рт.ст. вакуума при максимальной нагрузке, потери (в процентах) могут быть оценены как
Очевидно, что нулевые потери это миф, но усилия, направленные на создание системы впуска с низким сопротивлением будут вознаграждены большей мощностью и меньшим количеством теплоты. В итоге все сводится к поддержанию фильтрующего элемента воздушного фильтра в чистоте.
Температура на входе в компрессор
Термодинамика не для всех проста как чашка чая, но уравнения несложны, и решить их может даже китайский калькулятор. Результатом щелканья чисел должно стать определение, имеет ли выбранный турбонагнетатель правильный размер. Температура воздуха на входе в компрессор - важная информация, потому что это параметр, на основании которого рассчитываются все другие. Не думайте, что это температура окружающей среды. Если отверстие для забора воздуха находится вне двигательного отсека, температура на входе в компрессор может быть такой же, как и температура окружающей среды. Если оно находится в двигательном отсеке, слишком часто приточный воздух смешивается с воздухом, который прошел через радиатор или вокруг выпускного коллектора.
Измерение температуры на впуске для определения повышения температуры после турбонагнетателя. Прибор 1 указывает температуру о кружа ющего воздуха, на входе в турбонагнетатель. Показания прибора 2 минус показания прибора 1 показывают повышение температуры после турбонагнетателя.
Условия на выходе компрессора
На выходе турбонагнетателя должны быть известны два значения: давление и температура. Давление на выходе компрессора - истинное давление наддува, созданное турбонагнетателем. Все измерения параметров, поскольку они производятся ближе к двигателю, будут выполнены относительно этого давления, будь это потери или вычисления эффективности. Например, давление на выходе компрессора минус давление на входе во впускной коллектор будет показывать потери в промежуточном охладителе и связанных с ним трубопроводах.
Температура на выходе из компрессора - другой параметр, задаваемый при выборе размера турбонагнетателя, соответствующего двигателю. Она дважды используется в выражении для определения эффективности интеркулера, так что измеряйте ее достаточно точно. Как только известны давление и температура на выходе компрессора, может быть рассчитана реальная степень сжатия, без промежуточного охладителя. Для вычисления степени сжатия с промежуточным охладителем, нужно подождать, пока не будут известны условия на выходе промежуточного охладителя.
Наиболее сложные вычисления, которые будут здесь сделаны - местный контроль диапазона эффективности турбонагнетателя. Инструменты для этих измерений не достаточны, чтобы построить турбокарту компрессора. Однако можно выполнить измерения для того, чтобы понять - работает ли турбонагнетатель в эффективном диапа- зоне, и на этом считать работу выполненной. Эти вычисления несколько сложны, но другого пути нет, кроме как попросить выполнить их прия-теля-термо динамика.
По крайней мере, должны быть проверены две точки: где - нибудь около точки максимального момента и при максимальных оборотах, оба измерения, конечно, при максимальном наддуве. Проверка состоит в вычислении реального КПД компрессора и сравнения этого значения с КПД, найденным по картам компрессора. КПД компрессора (Ес) рассчитывается по следующей формуле:
Где PR - степень сжатия
Tabs - абсолютная температура на входе компрессора (см. глоссарий)
Поскольку это - общая термодинамическая формула, необходимо вставить текущее повышение температуры в знаменатель (из главы "Промежуточное охлаждение"): Показатель степени 0,28 в числителе определен газовой постоянной, значение которой показывает степень нагрева газа при сжатии. Клавиша Ху на калькуляторе, позволит нам найти величину PR028.
Пример: Допустим давление наддува равно 0,8 бара, и температура на входе компрессора 20°С (20°+273° = 293° абсолютной температуры). При максимуме момента или около него (4500 оборотов в минуту) температура на выходе пусть 90°С; при максимальной нагрузке (6500 оборотов в минуту) температура на выходе пусть 100°С. Используем формулу для степени сжатия из главы "Выбор турбонагнетателя" :
Вычисление Ес при максимуме момента:
Вычисление Ес на максимальных оборотах:
Расчитав степень сжатия и расход воздуха на этих режимах, можно построить на карте компрессора две режимные точки и определить теоретический КПД компрессора в каждой из них (см. главу "Выбор турбонагнетателя"). Сравните КПД, показанный на карте компрессора с рассчитанным значением. Если предполагаемый КПД на два или три пункта выше или ниже чем рассчитанные значения, все хорошо. Если рассчитанные значения на четыре или пять пунктов выше, чем предполагаемые, мы находимся в замечательной форме. Если они более чем на четыре или пять пунктов ниже, характеристики компрессора под вопросом, и надо идти назад к чертежной доске.
Температура окружающей среды перед промежуточным охладителем
Точное определение реальных возможностей интеркулера связано с определением температуры воздуха, который охлаждает ядро. Ее значение не используется непосредственно в вычислениях, описывающих систему турбонаддува, но является интересным при проверке качеств одной конструкции ядра против другой, относительно коэффициентов теплопередачи.
Измерение температуры окружающей среды, необходимое для определения эффективности промежуточного охладителя.
Условия на выходе промежуточного охладителя
Снова должны быть измерены температура и давление на выходе промежуточного охладителя. Эти значения важны, потому что это параметры воздуха, который получает двигатель. Наивно полагать, что ничего не случится в трубах от промежуточного охладителя до двигателя. С этими данными мы имеем достаточно информации, чтобы определить эффективность промежуточного охладителя и потери мощности из-за потерь давления наддува.
Пять интересных точек для измерения температуры и давления
Давление во впускном коллекторе
Если на пути воздуха от интеркулера до впускного коллектора происходят какие-то существенные изменения, они отразятся на давлении во впускном коллекторе, относительно условий на выходе из интеркулера. Может получиться так, что дроссельная заслонка слишком мала, для проектируемой системы и это способ, чтобы выяснить это.
Если существует разница давления больше чем 0,1 бара между выходом из интеркулера и впускным коллектором, вероятно, это подтвердит необходимость проверить давление непосредственно перед дроссельной заслонкой и сравнить его с давлением в коллекторе. Это поможет определить, происходят ли потери в трубах подачи воздуха или проблема в дроссельной заслонке.
Указатель наддува на приборной панели устанавливается, чтобы показывать давление во впускном коллекторе. Это значение давления, которое у Вас осталось от первоначального давления, созданного турбонагнетателем, после всех потерь на пути к впускному коллектору. Попытайтесь иметь суммарные потери около 0,15 бара или, еще лучше, 10 % от давления наддува.
Измерение потери давления через корпус дросельной заслонки. Вычесление показаний прибора 2 из показаний прибора 1 показывает потерю давления наддува на корпусе дросельной заслонки
Давление на входе в турбину
Давление в выпускном коллекторе другими словами может быть названо давлением на входе в турбину. Это давление - опасная вещь. В конечном счете, можно считать, что давление на входе в турбину будет названо единственной опасной вещью, привнесенной в систему, но без которой не бывает турбонаддува. Давление на входе в турбину является нежелательной величиной потому, что оно почти всегда больше чем давление во впускном коллекторе, созданное турбонагнетателем. Когда это происходит, некоторая часть отработанного газа выталкивается обратно в камеру сгорания в течение фазы перекрытия клапанов. Эта ситуация вредна по причинам, которые объяснены в другом месте в этой книге.
Считается, что хорошая уличная система турбонаддува имеет отношение давления на входе в турбину к давлению во впускном коллекторе приблизительно 2. Если это отношение больше чем 2, турбонагнетатель слишком мал и заглушает систему выхлопа и не позволяет значительно увеличить мощность. Если отношение меньше чем2, часто порог наддува будет выше желаемого для использования автомобиля. Это объясняется тем фактом, что, поскольку отношение снижается, мощность увеличивается. Фактически, одиним из конструктивных параметров системы турбонаддува для гонок является то, что отношение давления на входе в турбину к давлению во впускном коллекторе меньше 1. Когда достигается момент, при котором давление на впуске становится большим чем давление на входе в турбину, турбонагнетатель начинает давать серьезную мощность. Это одна из причин того, что гоночные автомобили Формулы 1 в 87 году могли развивать мощность более чем 1000 л.с. при объеме 1500 кубических сантиметров. Может быть, наступит день, когда мы сможем съесть наш кусок пирога и еще кусок, когда турбины с переменной геометрией станут обычным делом. Они позволят иметь низкий порог наддува при условии, что давление во впускном коллекторе больше давления на входе в турбину, как только давление наддува стабилизируется на своем максимальном значении.
Измерение давления на входе в турбину требует немного больших усилий чем другие измерения, поскольку отработанные газы имеют очень высокую температуру.
Измерение давление на входе в турбину. Стальная трубка понизит температуру отработанных газов до приемлего для силиконового патрубка уровня.
Обратное давление в выхлопной трубе
Где Вы слышали сказку, о том, что обратное давление в выхлопной трубе необходимо, чтобы предотвратить обгорание выхлопных клапанов? Кто-то должен немедленно сообщить всем гоночным автомобилям, что у них серьезные проблемы. Обратное давление в выхлопной трубе может быть столь же опасным, как и давление на входе в турбину, но, по крайней мере, с ним легко можно что-то сделать. Потенциальная выгода - больше мощности, меньше количества теплоты в системе, совершенно точно, что это те цели, к которым надо стремиться. При измерении обратного давления в выхлопной трубе, также необходимо измерить влияние узких мест выхлопной системы, как показано на рисунке. При таких измерениях можно определить, какой вклад в общее обратное давление вносит выхлопная труба, каталитический нейтрализатор и глушитель.
Обратное давление в выхлопной трубе в некоторой мере влияет на величину давления на входе в турбину. Любое уменьшение давления в выхлопной трубе, которое может быть достигнуто, будет отражено в заметном уменьшении давления на входе в турбину.
Определение влияния сужений выхлопной трубы. Прибор № 1 показывает полное обратное давление в выхлопной трубе. №2 показывает обратное давление, создаваемое выхлопной трубой и глушителем. №3 показывает обратное давление, создаваемое глушителем. Показания №1 минус показания №2 это потеря давления в катализаторе, показания №2 минус показания №3 -потеря давления в выхлопной трубе.
Соотношение воздух/топливо
Знание соотношения воздух/топлив - подобно знанию баланса вашей кредитной карты. Оно сообщает Вам, что вы имеете и где Вы находитесь, но не говорит, что Вы должны делать. Сейчас на рынке имеется много различных приборов для измерения соотношения воздух/топливо.
Приборы на основе датчика кислорода, имеющиеся на рынке, дадут Вам хорошую информацию, может быть недостаточно точную, но высокая точность становится с каждым днем дешевле. На сегодняшний день портативные приборы для измерения соотношения воздух/топливо выпускают многие производители. Досточно упомянуть Innovate, АЕМ, TechEdge.
Ставший уже практически стандартом при настройке и испытаниях систем турбонаддува измеритель соотношения воздух/топливо LM-1 от Innovate.
Измерение значений это ничего более чем оборудование и время. Оценка этих значений - это то, что потребует немного опыта. При испытаниях будут требоваться два существенных значения: AFR на номинальных режимах (при простой езде) и AFR при полностью открытой дроссельной заслонке (на режиме максимальной мощности).
AFR на номинальных режимах, вероятно, будет в диапазоне от 14,0 до 15,0 к 1. Полностью открытая дроссельная заслонка - это те режимы, где нам нужно веселье и AFR должно быть близко к 12,5 или 13,0 к 1. Для энтузиаста, датчик кислорода, который устанавливается в выхлопную трубу, будет хорошим выбором. Он может быть установлен там постоянно, и контролировать AFR можно так часто, как Вы захотите.
