Для чего нужен вестгейт
Что «пшикает» в спортивных машинах? Изучаем блоу-офф, байпас и вестгейт
Данная статья подразумевает, что читатель уже имеет некоторое представление о работе турбонаддува. Если же такого представления пока нет – не беда! Не так давно мы обсуждали эту штуку во всех подробностях: как выглядит, зачем нужна и как работает. Кто ещё не видел – нажимаем сюда и читаем..
А теперь к героям нашего сегодняшнего обсуждения. Я уверен, все автолюбители хоть раз слышали характерный «пшик» при переключениях скоростей на спортивных автомобилях. Более того, на сайтах наших китайских друзей есть невероятное количество этих «приблуд» всех цветов и видов, предлагаемых за очень демократичные цены. И у неподготовленного любителя тюнинга может создаться впечатление, что пшикалки эти служат исключительно для привлечения на улицах впечатлительных особ слабого пола. Но это не так. Точнее – изначально было не так, а служило лишь вполне себе конкретной технической задаче. Давайте разбираться.
В чём суть проблемы?
Итак, вы уже знаете, что при активном ускорении турбина нагнетает воздух во впускной коллектор. Но очевидно, что дуть до бесконечности невозможно, иначе разорвёт как минимум резиновые патрубки системы. И для ограничения создаваемого турбиной давления служит «вестгейт» (wastegate).
Клапан вестгейта, соединённый штоком с его «калиткой» в горячей части турбины. Далее станет понятно. (фото: twitter)
Это подпружиненный клапан, который при превышении определённого порога нагнетаемого давления перемещается и открывает заслонку в корпусе турбины, тем самым частично пуская выхлопные газы в обход крыльчатки – прямо в катализатор и далее по выпуску. Таким образом, обороты турбины снижаются, а значит, уменьшается и создаваемое ей давление.
Приводимая клапаном вестгейта заслонка-«калитка» в самой турбине. (фото: Drive2)
Но это, скажем так, эталонный сценарий: когда давление нарастает плавно и соразмерно нажатию на газ. А вот ситуация: вы «топили» с газом в пол, и внезапно на дорогу выбегает олень. Понятно, что в 99% случаев первое, что вы сделаете – отпустите педаль. Да вот беда! Турбина обладает очень неслабой инерционностью: хоть педальку вы отпустили, но она ещё продолжает крутиться по инерции. То есть, нагнетать воздух. А дроссельная заслонка-то уже закрыта! Давление снова растёт, угрожая что-то порвать.
Таким образом, конструктивно возникает необходимость в ещё одном клапане – который будет стравливать излишки уже нагнетённого воздуха. И здесь есть два варианта.
Блоу-офф – сдуваем в атмосферу
Тот нередкий случай, когда само название (blow—off – сдувать) объясняет суть вопроса. На самом деле всё просто: в магистраль между холодной (компрессорной) частью турбины и впускным коллектором врезается самый обычный предохранительный клапан. Как только давление в магистрали резко подскакивает и превышает критическое (когда мы резко сбросили газ, помните?) – он выпускает лишнее давление наружу. Банально на улицу, в подкапотное пространство. В этот момент и раздаётся тот самый сочный «пшик», который мы все привыкли узнавать по всяким «Форсажам» и подобным картинам. А вот наглядная схема расположения этого клапана (кстати, там же есть и вестгейт):
фото: yandex
Байпас – замыкаемся в себе
Байпас (bypass – обходной путь) служит ровно той же цели – предохранять впускной тракт от переизбытка воздуха, но алгоритм работы у него чуть другой. Находится он в том же месте что и блоу-офф, но отводит лишний воздух не в атмосферу, а снова в контур. А именно, на вход турбины. Получается своего рода замкнутый круг, когда воздух остаётся в системе, но тем не менее, его давление в момент открытия байпаса уменьшается: излишки поступают в пространство перед турбиной. Это понятно из нижеприведённой схемы:
фото: yandex
Зачем два варианта?
И здесь пытливый читатель снова вправе задать резонный вопрос: зачем усложнять систему байпасом (ведь это дополнительная воздушная магистраль), когда можно просто «сливать» лишнее давление наружу? Отвечаю: во-первых, байпас тише. Некий звук при резком сбросе газа различить можно, но он всё равно несравнимо тише блоу-оффа. Согласитесь, далеко не каждый автовладелец придёт в восторг от ежедневной какофонии громких свистяще-шипящих звуков из-под капота.
Блоу-офф. Выпускает воздух на улицу. (фото: motorz.tv)
И во-вторых, ещё раз повторю ключевой момент: с байпасом воздух остаётся в системе. То есть, тот его объём, что прошёл через расходомер (ДМРВ), находящийся обычно сразу после фильтра, не изменяется. А значит, не изменятся и параметры топливо-воздушной смеси, которые компьютер вычисляет, основываясь на этих данных. В случае же с блоу-оффом, уже посчитанный датчиком объём воздуха меняется, так как blow-off часть его стравил наружу. Кстати, именно поэтому на подавляющем большинстве турбомоторов для приготовления смеси вместо ДМРВ (датчик массового расхода воздуха) используется ДАД (датчик абсолютного давления). Второй не считает изначально прошедший через него объём воздуха, а измеряет его давление в контуре по факту на данный момент времени. Но это уже совсем другая история.
Байпас. Перепускает воздух из трубы на дроссель (вертикальная) на вход турбины после фильтра (горизонтальная гофра). (фото автора)
Что такое клапан Вестгейта?
Вестгейт (от анг, мусорные ворота или дверь для мусора) — это перепускной клапан сбрасывающий давление выхлопных газов на входе турбины в выпускной коллектор.
Как работает клапан Вестгейта?
Принцип работы вестгейта крайне простой. Когда в двигателе повышаются обороты, а вместе с тем возрастает давление отработавших газов, стоит задача пустить их мимо самого турбинного колеса. Соответственно, в этот момент происходит открытие актуатора, установленного до турбины, и через него выходят отработавшие газы.
Для чего применяется клапан Wastegate в Турбокомпрессорах?
Wastegate – «дверь для мусора») — регулировочный клапан, который направляет отработанные выхлопные газы мимо турбинной части турбонагнетателя для ограничения оборотов ротора турбокомпрессора, а следовательно регулирования максимального давления, создаваемого компрессорной частью.
Как должен работать актуатор на турбине?
Принцип работы актуатора сводится к тому, что при высоких оборотах двигателя, когда возрастает давление выхлопных газов с одной стороны и воздуха, направляемого через турбокомпрессор в двигатель с другой открывается клапан и стабилизирует ситуацию.
Для чего нужен вакуумник на турбине?
Актуатор может иметь множество разговорных названий – вестгейт, вакуумный регулятор, избыточный клапан. Все это одна деталь, базовая роль которой сводится к выполнению функции сброса повышенного давления воздуха (выхлопных газов), во время работы двигателя автомобиля.
Что будет если заклинит актуатор турбины?
Признаки неисправности актуатора турбокомпрессора
Если у вас заклинил актуатор турбины, то вы сможете это легко обнаружить по синему выхлопу. … Синеют выхлопные газы за счет сгорания смазки, которая оказалась внутри турбины из-за протечки.
Как работает клапан наддува турбины?
Принцип действия клапана заключается в том, что выхлопные газы попадают на крыльчатку и разгоняют турбину. В результате чего во впускном коллекторе возникает давление. … А чем больше оборотов двигателя, тем выше скорость и объем отработанных газов. Такие газы, попадая в турбину, повышают давление.
Для чего нужен Waste Gate?
Вестгейт – это заслонка, которая нужна для контроля оборотов турбины. Когда обороты приближаются к максимальным значениям, вестгейт выпускает выхлопные газы в систему выхлопа, для снижения давления, тем самым, защищая турбину от передува. Главные преимущеста вестгейта: Работает при экстремально высоких температурах.
Для чего нужен клапан Вестгейта?
Вестгейт (от анг, мусорные ворота или дверь для мусора) — это перепускной клапан сбрасывающий давление выхлопных газов на входе турбины в выпускной коллектор.
Для чего ставят Вестгейт?
Вестгейт- он же Wastegate – это «дверь для мусора» — отверстие для пуска «лишних» отработанных газов из камеры сгорания в обход крыльчатки турбины, когда они могут мешать последней выполнять свою работу по созданию избыточного давления. … Горячая часть турбины представляет собой дырень диаметром дай Бог 25-30мм.
Как выставить актуатор турбины?
Алгоритм регулировки актуатора своими руками:
Что такое актуатор на турбине?
Давайте разберемся для начала, что такое актуатор турбины? Это устройство, которое позволяет сбрасывать избыточное давление в турбине на высоких оборотах двигателя, защищая тем самым турбину и двигатель от поломки. Устанавливается он чаще всего прямо на турбине.
Чем управляется актуатор турбины?
Принцип работы актуатора турбины
Больший объем сожженного топлива увеличивает давление и количество выхлопных газов. Поэтому для корректной работы двигателя требуется сброс повышенного давления воздуха. Эту задачу как раз и решает актуатор турбины. По факту, это промежуточное звено между турбокомпрессором и двигателем.
Для чего нужен перепускной клапан на турбине?
Если это давление не контролировать, то при интенсивном движении турбина повисит его настолько, что мотор попросту не выдержит. Именно для этой цели служит перепускной клапан турбины, который, грубо говоря, стравливает излишки выхлопных газов после достижения нужного для турбины давления.
Как регулировать давление в турбине?
Принцип регулирования заключается в ограничении частоты вращения турбокомпрессора после достижения необходимого давления наддува. С этой целью используется специальный перепускной клапан, который ограничивает количество отработавших газов, проходящих через турбину.
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.
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.
Ограничитель в выхлопной трубе может управлять давлением наддува, но при этом возрастает количество теплоты в системе. Эффективно, но также плохая идея.
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 ограни чителя, такие клапаны больше подходят как средство безопасности в случае неисправности вестгейта.
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.
Вестгейт это классический способ управления давлением наддува.
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.
Хороший пример внешнего вестгей та от HKS
Адаптер для размещения вестгейта между турбонагнетателем и коллектором.
Установка вестгейта в систему
Интегрированный вестгейт недорог и прост.
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.
Угол входа потока в вестгейт важен. Правильно выбранный угол позволять отработанным газам легко выходить из системы.
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.
Интегрированные вестгейты обычно сбрасывают отведенные газы непосредственно за турбиной и создают высокую турбулентность, понижая общий расход газов через турбину.
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?
Клапан интергрированного вестгейта.
Гибкие отводные трубы вестгейта обеспечивают значительное расширение и сжатие, вызванные большими колебаниями темпepaтуры в вестгейте.
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.
Устройство класического вестгейта
Общее направление.
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.
Возможность регулировки.
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:
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».
Простой и надежиый механ и ческий бустконтроллер, работающий на принципе регулируемой утечки в сигнальной линии вестгейта.
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.
Электронно/пневматический регулятор вестгейта.
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.
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.
Итоги главы
Почему необходим вестгейт?
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?