Карта компресора турбіни допомагає перевірити, чи здатен компресор ефективно забезпечувати потрібну двигуну витрату повітря й тиск наддуву в усьому робочому діапазоні.
Якщо ви підбираєте турбокомпресор для модернізації та вивчаєте, як читати карту компресора турбіни, головне — з’ясувати, чи відповідає компресор потребам двигуна від запланованого порога виходу на наддув до максимальної робочої частоти обертання. Одна вдало розташована точка пікової потужності цього не покаже.
Для механіка, який замінює штатний турбокомпресор, відповідність конкретному застосуванню зазвичай важливіша за порівняння карт. Почніть із матеріалу про те, як перевірити сумісність турбіни перед замовленням, а аналіз карти використовуйте, коли модифікації змінюють потреби двигуна.
Карта компресора турбіни: витрата повітря по горизонталі, ступінь підвищення тиску по вертикалі
На більшості карт автомобільних компресорів горизонтальна вісь показує приведену масову витрату повітря, а вертикальна — ступінь підвищення тиску компресора. Перевіряйте підписи: одиниці вимірювання та правила приведення можуть відрізнятися.
| Елемент карти | Що він описує | Практичне застосування |
|---|---|---|
| Горизонтальна вісь | Зазвичай приведену масову витрату повітря, у lb/min або kg/s | Порівняння потреби двигуна в повітрі з продуктивністю компресора |
| Вертикальна вісь | Абсолютний тиск на виході, поділений на абсолютний тиск на вході | Урахування тиску наддуву та втрат тиску в системі |
| Острівці ККД | Контури однакового ККД компресора | Оцінювання нагрівання повітря та потужності, потрібної компресору |
| Лінії частоти обертання | Сталу частоту обертання вала або приведену частоту обертання | Перевірка робочої частоти обертання та доступного запасу |
| Межа помпажу | Межу стійкої роботи за малої витрати | Запобігання надмірним вимогам до тиску за недостатньої витрати |
| Зона запирання потоку | Межу корисного робочого діапазону компресора з боку великої витрати | Виявлення обмеженої пропускної здатності та погіршення характеристик |
Масова витрата — це маса повітря, що проходить за одиницю часу. Вона відрізняється від об’ємної витрати: кубічний фут гарячого розрідженого повітря має меншу масу, ніж кубічний фут прохолодного щільного повітря.
Чому витрата повітря «приведена»
Характеристики компресора змінюються зі зміною температури й тиску на вході. Приведення витрати повітря до еталонних умов дає змогу порівнювати вашу робочу точку з опублікованою картою.
Зазвичай розрахунок приведеної витрати повітря турбокомпресора виконують за такою формулою:
Приведена масова витрата = фактична масова витрата × √(температура на вході ÷ еталонна температура) ÷ (тиск на вході ÷ еталонний тиск)
Температури мають бути абсолютними, зазвичай у кельвінах, а тиски — абсолютними. Використовуйте еталонні значення, зазначені видавцем карти; не припускайте, що всі виробники застосовують однакові.
Приведена витрата — це величина для нанесення на карту. Застосування поправки не означає, що двигун фізично споживає додаткове повітря.
Ступінь підвищення тиску турбокомпресора та тиск наддуву: використовуйте абсолютний тиск
Основна формула:
Ступінь підвищення тиску = абсолютний тиск на виході з компресора ÷ абсолютний тиск на вході в компресор
Манометр наддуву зазвичай показує перевищення тиску над місцевим атмосферним. Самого його показання недостатньо для визначення жодної з двох величин у цій формулі.
Через опір фільтра та впускних трубопроводів тиск на вході в компресор може бути нижчим за атмосферний. Тиск на виході має перевищувати тиск у впускному колекторі, щоб компенсувати втрати в інтеркулері та трубопроводах наддувного повітря.
В опублікованих картах зазвичай використовують повні тиски. Вимірювання через отвори відбору статичного тиску в умовах майстерні дають приблизну оцінку; для точного підбору місця вимірювання та визначення тисків мають відповідати прийнятим для карти.
Острівці ККД: чому їхнє розташування важливе
Острівець ККД на компресорній карті — це контур, який охоплює робочі точки з близькими значеннями ККД компресора. Область найвищої ефективності зазвичай розташована всередині навколишніх контурів із нижчим ККД.
Позначене значення ККД показує, наскільки процес стискання наближений до ідеального. Воно не означає, що саме такий відсоток повітря потрапляє до двигуна або що зберігається такий самий відсоток його потужності.
За однакової температури на вході та однакового ступеня підвищення тиску компресор із нижчим ККД сильніше нагріває повітря на виході й потребує більшої потужності на валу для заданої масової витрати. Це означає:
- Більше тепла, яке має відвести інтеркулер.
- Потенційно вищу температуру у впускному колекторі.
- Більшу потребу в потужності турбінної частини.
- Менший запас до температурних обмежень за тривалого навантаження.
Стискання нагріває повітря навіть за високого ККД. Мета — уникнути зайвого нагрівання в робочому діапазоні, важливому для автомобіля.
Для вантажівки, яка тривалий час працює під тяговим навантаженням, карта компресора дизельної турбіни допоможе проаналізувати саме ці тривалі робочі режими. Короткочасного потрапляння в найефективніший острівець поблизу максимальних обертів недостатньо.
Лінії частоти обертання, помпаж і запирання потоку
Лінії частоти обертання з’єднують точки з однаковою частотою обертання компресора. На одних картах показано фактичні оберти вала, на інших — приведену частоту обертання. Перш ніж порівнювати їх із граничною частотою обертання вала, прочитайте умовні позначення.
Між цими лініями та обертами двигуна немає сталого співвідношення. Частота обертання турбокомпресора залежить від балансу між потужністю турбінної частини та потребою компресора. Докладніше про це — у матеріалі про те, з якою швидкістю обертається турбіна.
Не екстраполюйте характеристики за опубліковані межі частоти обертання лише тому, що недосліджена область здається близькою до нанесеної лінії.
Межа помпажу
Ліва межа зазвичай позначає межу помпажу. Поблизу неї компресор намагається підтримувати тиск, пропускаючи відносно мало повітря. За межами стійкого діапазону тиск і витрата можуть коливатися, а потік — змінювати напрямок на зворотний.
Завеликий компресор у поєднанні з вимогою високого наддуву на низьких обертах може розмістити робочу точку двигуна надто близько до цієї межі. Закриття дросельної заслінки створює інший, перехідний режим, який робочі точки усталених режимів описують не повністю.
Залишайте належний запас, а не розташовуйте цільову точку безпосередньо на межі. Конфігурація корпусу й умови встановлення мають значення, тому універсального запасу для всіх карт немає. Наш посібник про помпаж компресора та пульсуючий звук турбіни пояснює симптоми й режими, за яких вони виникають.
Зона запирання потоку
З боку великої витрати подальше підвищення частоти обертання зрештою майже не збільшує корисну витрату. В окремих ділянках проточної частини швидкість потоку може досягати швидкості звуку, тоді як ККД і здатність створювати тиск погіршуються.
Правий край карти не обов’язково є однією чітко позначеною лінією запирання потоку. Сприймайте опубліковані межі як обмеження, які потрібно дослідити, а не як цілі, які слід перевищувати.
Горизонтальна вісь: скоригована масова витрата повітря.
Вертикальна вісь: відношення абсолютних тисків.
Межа малої витрати: помпаж.
Контури: зони ефективності на карті.
Межа великої витрати: зона запирання потоку.
Якісна схема, а не виміряні дані випробувань чи робочі межі.
Приклад розрахунку: оцінювання ступеня підвищення тиску та витрати повітря
Розгляньмо умовний чотиритактний бензиновий двигун. Це припущені значення для навчального прикладу, а не характеристики конкретного автомобіля чи рекомендовані налаштування наддуву:
- Робочий об’єм двигуна: 2.0 liters.
- Частота обертання двигуна: 6,000 rpm.
- Коефіцієнт наповнення: 90%, віднесений до умов у впускному колекторі.
- Цільовий надлишковий тиск наддуву в колекторі: 100 kPa, приблизно 14.5 psi.
- Місцевий абсолютний атмосферний тиск: 100 kPa.
- Втрати тиску через опір впуску: 5 kPa.
- Втрати тиску між компресором і колектором: 10 kPa.
- Температура на вході в компресор: 300 K, приблизно 80°F.
- Температура повітря у впускному колекторі: 323 K, приблизно 122°F.
- Еталонні умови умовної карти: абсолютний тиск 100 kPa і температура 300 K.
Важливо розрізняти температуру на вході та температуру в колекторі. Витрата повітря, що надходить у циліндри, залежить від густини повітря в колекторі; для приведення до умов карти використовують параметри на вході в компресор.
Крок 1: як розрахувати ступінь підвищення тиску турбокомпресора
Абсолютний тиск у колекторі:
100 kPa атмосферного тиску + 100 kPa надлишкового тиску наддуву = 200 kPa
Потрібний тиск на виході з компресора:
200 + 10 = 210 kPa абсолютного тиску
Тиск на вході в компресор:
100 − 5 = 95 kPa абсолютного тиску
Отже:
Ступінь підвищення тиску = 210 ÷ 95 ≈ 2.21
Ділення тиску в колекторі на атмосферний тиск дало б 2.00, занижуючи вимоги до ступеня підвищення тиску компресора.
Крок 2: оцініть об’ємну витрату повітря через циліндри
У чотиритактному двигуні впуск відбувається раз на два оберти колінчастого вала. За прийнятого коефіцієнта наповнення:
Об’ємна витрата = 0.002 m³ × (6,000 ÷ 2) × 0.90
Отримуємо 5.4 m³/min, або 0.090 m³/s, за умов у колекторі.
Коефіцієнт наповнення характеризує наповнення циліндрів. За наявності використовуйте достовірні дані двигуна та перевіряйте, як визначено наведені в них значення VE, перш ніж підставляти їх у розрахунок.
Крок 3: перетворіть об’ємну витрату на масову
У наближенні ідеального газу густина повітря дорівнює тиску, поділеному на добуток питомої газової сталої повітря та абсолютної температури.
За прийнятих умов у колекторі:
Густина повітря ≈ 200,000 ÷ (287 × 323) ≈ 2.16 kg/m³
Тоді:
Фактична масова витрата ≈ 0.090 × 2.16 ≈ 0.194 kg/s
Це приблизно 25.7 lb/min.
У цій оцінці витоки наддувного повітря вважаються нехтовно малими, а внесок рециркуляції відпрацьованих газів (EGR) — відсутнім. Складніші конфігурації двигуна потребують урахування додаткових чинників.
Крок 4: приведіть витрату до умов карти
Температура на вході та еталонна температура однакові — 300 K, тому температурна поправка дорівнює 1. Поправка за тиском дає:
Приведена витрата ≈ 0.194 ÷ (95 ÷ 100) ≈ 0.204 kg/s
Це приблизно 27.0 lb/min.
Отже, на цю умовну карту потрібно нанести точку:
Приведена витрата повітря 27.0 lb/min за ступеня підвищення тиску 2.21.
Для реальної карти з іншими еталонними умовами перерахуйте приведену витрату.
Нанесіть точки для кількох частот обертання двигуна
Повторіть розрахунок для кількох частот обертання двигуна, використовуючи реалістичні припущення щодо наддуву, температури та VE. Не вважайте автоматично, що максимальний наддув доступний у всьому діапазоні.
Для ілюстрації залишимо попередні температури та втрати тиску, змінюючи оберти, VE і наддув:
| Частота обертання двигуна | Прийнятий VE | Прийнятий надлишковий тиск наддуву в колекторі | Ступінь підвищення тиску | Приведена витрата повітря |
|---|---|---|---|---|
| 2,500 rpm | 85% | 50 kPa | 1.68 | 8.0 lb/min |
| 4,000 rpm | 90% | 100 kPa | 2.21 | 18.0 lb/min |
| 6,000 rpm | 90% | 100 kPa | 2.21 | 27.0 lb/min |
Сталі втрати тиску спрощують цей приклад. Насправді втрати у впускній системі та інтеркулері змінюються з витратою; температура в колекторі та VE також не залишаються незмінними.
Позначте ці точки на карті компресора, який розглядаєте, і з’єднайте їх у приблизну робочу траєкторію. Перевірте:
- Чи має точка низьких обертів достатній запас до межі помпажу?
- Чи проходять часто використовувані робочі точки через зони прийнятного ККД?
- Чи наближається потреба на максимальних обертах до зони запирання потоку або граничної частоти обертання?
- Чи не переміститься точка в проблемну область за спекотнішої погоди або на більшій висоті над рівнем моря?
Без карти конкретного компресора ці числа не дають змоги визначити, чи підходить турбокомпресор. Вони описують потребу двигуна, а не гарантовані характеристики.
Компресорна карта також не доводить, що турбінна частина забезпечить достатню потужність для досягнення цільового режиму на низьких обертах. Розміри турбінної частини та керування наддувом за допомогою перепускного клапана wastegate або змінної геометрії VGT потребують окремого розгляду.
Поширені помилки, що змінюють результат
Ігнорування висоти над рівнем моря. Нижчий атмосферний тиск зменшує тиск на вході в компресор. Тому для підтримання заданого абсолютного тиску в колекторі потрібен вищий ступінь підвищення тиску. Якщо ж цільовим параметром є надлишковий тиск наддуву, перерахуйте також абсолютний тиск у колекторі.
Ігнорування опору впуску. Фільтр із великим опором або впускний патрубок недостатнього перерізу знижує тиск на вході в компресор. Використовуйте вхідні параметри під навантаженням, а не припускайте, що біля колеса тиск дорівнює атмосферному.
Ігнорування падіння тиску в інтеркулері. Тиск наддуву в колекторі вимірюється після компресора за напрямком потоку. Компресор має створювати додатковий тиск для компенсації втрат у системі наддувного повітря.
Використання неправильної температури. Для приведення витрати потрібна температура на вході в компресор. Для розрахунку густини повітря, що надходить у циліндри, — температура в колекторі.
Змішування одиниць або визначень карти. Розрізняйте kg/s і lb/min, абсолютний і надлишковий тиск, приведену й фактичну витрату. Не припускайте, що значення в CFM відповідає тим самим еталонним умовам.
Чому заміна оригінального турбокомпресора має зберігати відповідність
Для штатного двигуна зберігайте передбачені виробником характеристики турбокомпресора або використовуйте перевірений еквівалент. Карта компресора для заміни штатної турбіни описує лише частину характеристик усього вузла.
На сумісність впливають геометрія турбінної частини, корпуси, калібрування актуатора, з’єднання для оливи й охолоджувальної рідини та система керування двигуном. Більший компресор може розмістити деякі робочі точки у сприятливому острівці ККД, водночас створюючи проблеми в інших режимах.
Ідентифікуйте вузол за допомогою матеріалу про те, як знайти номер деталі турбокомпресора. Якщо розглядаєте заміну картриджа, ознайомтеся з порівнянням заміни CHRA та турбокомпресора в зборі. Картридж має відповідати решті вузла; одного діаметра коліс недостатньо.
Поширені запитання
Чи є ступінь підвищення тиску тим самим, що й тиск наддуву?
Ні. Тиск наддуву зазвичай означає надлишковий тиск, виміряний відносно місцевого атмосферного тиску. Ступінь підвищення тиску компресора визначають діленням абсолютного тиску на виході з компресора на абсолютний тиск на вході з урахуванням опору та втрат тиску.
Чому на компресорних картах використовують приведену витрату повітря?
Приведена витрата повітря відображає робочі умови відносно заданих еталонних тиску й температури на вході. Вона дає змогу порівняти розраховану витрату повітря з випробувальними даними карти. Завжди використовуйте еталонні умови та метод приведення, зазначені для конкретної карти.
Чи визначає острівець найвищого ККД найкращу турбіну?
Сам по собі — ні. Двигуну потрібна придатна робоча траєкторія за різних частот обертання й навантажень із достатнім запасом до межі помпажу та граничної частоти обертання турбокомпресора. На вибір також впливають відповідність турбінної частини, відгук на зміну навантаження, керування наддувом і монтажна сумісність.
Чи можна за компресорною картою визначити, коли буде досягнуто повного наддуву?
Ні. Вона показує характеристики компресора, але наростання наддуву також залежить від енергії відпрацьованих газів, розмірів турбінної частини, моменту інерції обертових деталей, режиму роботи двигуна та керування наддувом. Нанесена точка для низьких обертів відображає потребу двигуна, а не доводить, що турбокомпресор здатен її забезпечити.
Чи можна використати карту компресорного колеса подібного розміру?
Лише для приблизного порівняння. Конструкція лопаток колеса, trim, геометрія корпусу та інші особливості впливають на характеристики. Для остаточного вибору потрібна карта саме тієї конфігурації компресора, яку ви розглядаєте.
Чи потрібна компресорна карта для штатної заміни турбокомпресора?
Зазвичай пріоритетом є точна відповідність оригінальному обладнанню (OE). Перевірте номер деталі турбокомпресора, застосовність до двигуна, приєднувальні елементи корпусів і сумісність актуатора. Карта стає кориснішою, коли змінюються потреба двигуна в повітрі або конфігурація турбокомпресора.
Чому не зростає витрата повітря через турбіну?
Витрата повітря через турбокомпресор може перестати зростати, коли компресор наближається до зони запирання потоку. В окремих ділянках проточної частини швидкість потоку може досягати швидкості звуку, тому підвищення частоти обертання турбокомпресора майже не збільшує корисну витрату повітря, а ККД і здатність створювати тиск знижуються. Перевірте, чи не наближається робоча точка двигуна на максимальних обертах до зони запирання потоку або опублікованої граничної частоти обертання турбокомпресора.
Потрібна допомога з підбором заміни? Зверніться до LeadTurbo, зазначивши номер деталі турбокомпресора, дані автомобіля, модифікації та симптоми несправності.
