Регистрация Войти
Вопрос

Кривая крутящего момента современных бензиновых двигателей с турбонаддувом

Как современные бензиновые двигатели с турбонаддувом могут обеспечивать такой постоянный крутящий момент в широком диапазоне оборотов? Сохраняется ли здесь математическая зависимость между крутящим моментом и мощностью? Это выглядит совершенно иначе, чем в атмосферном двигателе, где крутящий момент и мощность увеличиваются постепенно.



[Характеристики двигателя BMW 650i]
Авто и транспорт

Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/18689/torque-curve-on-modern-turbo-charged-petrol-engines
1
+ Читать

15 Комментариев

  1. Крутящий момент двигателя зависит от количества поступающего воздуха и соотношения воздуха и топлива, сгораемого в цилиндре (цилиндрах), а также от «статических» переменных, таких как степень сжатия, диаметр цилиндра/ход поршня, конструкция коленчатого вала, длина впуска, профиль распределительного вала, размеры впускного и выпускного каналов и т. д.



    Поскольку все остальные параметры теперь статичны (неизменны) после сборки двигателя и ЭБУ контролирует количество топлива, добавляемого в смесь (соотношение воздух/топливо), крутящий момент в бензиновых двигателях теперь почти полностью зависит от расхода воздуха. Чем больше воздуха в цилиндрах, тем больше крутящий момент, чем меньше воздуха в цилиндрах, тем меньше крутящий момент (речь идёт о массе, а не об объёме).



    Естественное стремление (неизменное)



    Из-за этого в атмосферном двигателе внутреннего сгорания с нерегулируемым распределительным валом и нерегулируемым впуском будет одна (и только одна) частота вращения, при которой поток будет максимальным, в зависимости от профиля распределительного вала и длины впускного канала (выпуклость на графике). Вы можете настроить положение этой точки с помощью различных распределительных валов, головок и клапанов, но она будет только одна. (Примечание: это не относится к системам с регулируемой длиной впускного канала и регулируемым распределительным валом, см. ниже.)



    Естественное Стремление



    Естественная аспирация (переменный кулачок и/или впускной коллектор)



    При использовании профилей с переменным углом поворота распределительного вала может быть два или более пиков (или даже теоретически непрерывная переменная настройка), при которых каждый отдельный профиль распределительного вала или длина впускного канала обеспечивают пиковый расход (наибольшую массу заряда в цилиндрах). Это может влиять на подъёмную силу, продолжительность или на то и другое одновременно. Примерами могут служить система VTEC от Honda, система VVT-i от Toyota, в целом известные как система изменения фаз газораспределения.



    Длину впускного коллектора также можно изменять в дополнение к профилю распределительного вала или вместо него, чтобы получить дополнительные (хотя обычно и менее выраженные) локальные максимумы на графике (субпики). Примерами могут служить система VRIS от Mazda, переменный впускной коллектор от VW на VR6, YCC-I от Yamaha



    Регулируемый Кулачок



    Принудительная индукция (регулируемая)



    Теперь давайте рассмотрим принудительную индукцию. При наличии подходящего компрессора (нагнетателя или турбокомпрессора) он сможет подавать переменное количество воздуха в зависимости от частоты вращения. По ряду причин перепускные/продувочные клапаны, перепускные заслонки, муфты и аналогичные устройства ограничивают количество воздуха до известного значения, обычно в зависимости от давления (например, 21 фунт на квадратный дюйм). При таком давлении, если предположить, что температура постоянна (что на практике невозможно), теоретически в цилиндры будет поступать постоянная масса воздуха при достаточном наддуве. При заданной массе воздуха и соответствующем количестве топлива, впрыскиваемого ЭБУ, двигатель будет выдавать постоянный крутящий момент.



    При каждом детонационном событии будет возникать давление расширения, соответствующее заданному количеству воздушной массы и топлива, и ваша кривая крутящего момента станет ровной, так как 21 фунт на квадратный дюйм воздуха будет постоянно поступать через впускной коллектор под давлением (в отличие от переменного расхода при естественном всасывании). Компрессор не сможет обеспечить «равномерность», если не будет вырабатывать давление, превышающее заданное значение. Это может произойти как в том случае, если компрессор вращается недостаточно быстро (слишком низкие обороты), так и в том случае, если количество воздуха, необходимое двигателю при определенных оборотах, превышает возможности компрессора (слишком высокие обороты).



    Принудительная Индукция



    Принудительная индукция (нерегулируемая)



    Теоретически, если компоненты вашего двигателя рассчитаны на гораздо больший крутящий момент, чем требуется, вы можете отключить перепускной клапан/муфту и отключить регулирование пикового давления, по сути, позволив характеристикам потока компрессора определять максимальное давление, которое он может создать, вплоть до того момента, когда компрессор настолько выходит за пределы своей эффективности, что нагревает воздушный заряд (и, следовательно, расширяет его) настолько, что это приводит либо к преждевременной детонации, либо к выходу из строя компонентов, либо к уменьшению эффективной массы воздуха даже при более высоком давлении, либо к сочетанию этих факторов.



    Нерегулируемая Принудительная Индукция



    Принудительная индукция — теория и практика



    Также обратите внимание, что существует большая разница между «теоретической» динамометрической диаграммой с идеально ровными/гладкими линиями и «настоящей» динамометрической диаграммой, какой она является на практике. Даже при идеально отрегулированной системе принудительной подачи воздуха при заданном давлении (21 фунт на кв. дюйм в приведённом выше примере, 7,5 фунта на кв. дюйм на графике ниже) будут наблюдаться небольшие отклонения из-за температурных характеристик и характеристик потока на впуске и в системе газораспределения при различных оборотах, что может привести к наклонам и небольшим пикам/впадинам в «плоской» области.



    Принудительная индукция - Реальная



    Почему плоский крутящий момент?



    Теоретически можно было бы ввести искусственные ограничения переменных в атмосферном двигателе, чтобы добиться тех же результатов, но это было бы расточительно. С другой стороны, если бы вы могли спроектировать идеальную систему бесступенчатой регулировки фаз газораспределения и впуска, возможно, эта система могла бы (теоретически) обеспечить постоянную массу воздуха и, следовательно, ровную кривую.



    Причина, по которой регулирование давления осуществляется с помощью принудительной индукции, обычно связана с конструктивными ограничениями, такими как стоимость модернизации компонентов для обработки кратковременных скачков крутящего момента, включая, возможно, всё, начиная с размера топливных форсунок и заканчивая металлургией поршней и шатунов, а также с соответствующим снижением надёжности ради очень незначительного выигрыша.

  1. Это нереалистичный график с постоянным крутящим моментом. В реальном мире он должен выглядеть примерно так:


    введите описание изображения здесь


    Однако вы обнаружите, что соотношение мощности и крутящего момента сохраняется, если применить этот расчёт к любой точке диапазона оборотов.

  1. Лошадиные силы = (крутящий момент * число оборотов в минуту) / 5252. Всегда.



    Как правило, двигатели всасывают воздух и топливо, поэтому они могут всасывать оптимальное количество воздуха только в определённом диапазоне. Турбокомпрессор нагнетает воздух, поэтому двигатель может создавать больший крутящий момент в более широком диапазоне. Если производитель хочет установить максимальный крутящий момент (для ограничения крутящего момента на трансмиссии/приводном механизме), он может установить ограничение наддува, чтобы кривая крутящего момента была ровной. Компания Shelby сделала это с GLHS, установив максимальный крутящий момент в диапазоне 2000 об/мин.
  1. Мне указали на ошибку, но проблема была не в Н·м/кВт, а в том, что эти показатели были представлены на разных шкалах (справа и слева от графика), хотя должны были быть представлены на одной шкале. Для тех из нас, кто привык видеть их на одной шкале, это может стать поводом для неверных предположений. Тем не менее на шкале Н·м/кВт эти показатели всегда должны пересекаться на ~9549 об/мин. По большей части вы правы. Добро пожаловать на сайт! Надеюсь, вам есть что добавить.
  1. Ха-ха, да, это уже было сказано в комментариях. кВт и Нм пересекутся на отметке 9549, но это при условии, что они будут отображены на графике с соответствующими осями Y (см. график BMW 335i в ответе, он в л. с. и фунт-силах. но отображён на графике с осями вариантов).
  1. @Ehryk — О, дело не в том, чтобы освежить знания, а в том, чтобы высунуть голову из задницы и прочитать две разные шкалы. Опять же, я признаю свою неправоту. Однако для других это более чем полезно, так что спасибо, что опубликовали это!
  1. График ИДЕАЛЬНО реалистичен. Формула HP = (TQ*RPM)/5252 верна (линии крутящего момента и мощности пересекаются в точке 5252) при измерении крутящего момента в фунт-футах, а мощности — в лошадиных силах. Обратите внимание, что крутящий момент измеряется в Н·м, а мощность — в кВт; поэтому они не пересекаются в точке 5252.
  1. Не волнуйтесь, вот хорошая статья на эту тему brighthubengineering.com/machine-design/… и ещё более полезное видео youtube.com/watch?v=fgLNO3ThGD4, чтобы освежить знания!
  1. @Ehryk — ЧЁРТ! Ты прав ... каждый раз меня сбивает с толку. Спасибо, что указал на это!!! Я удалил свои комментарии за неправильное прочтение!
  1. Возможно, ещё одна причина заключается в том, чтобы установить чёткую разницу между одним и тем же двигателем с разной степенью форсировки. Например, Ford Duratorq 2.2 TDCi в предыдущем Transit выдавал 100/125/140 л. с., а также 310/330/350 Н·м, хотя по сути это один и тот же двигатель (но с разной ценой).
  1. Масштабы крутящего момента и мощности различаются. Поэтому они не пересекаются в точке 5252.
  1. При 5252 оборотах в минуту это выглядит примерно как 550 Нм (405 футов-фунтов) и 298 кВт (399 л.с.), что довольно близко. мощность (в л.с.) = крутящий момент (в фут-фунтах) * Об/мин / 5252. мощность (в кВт) = крутящий момент (в Нм) * Об /мин / 9549.
  1. Это не настоящий динамометрический график. Во-первых, он слишком плавный. А во-вторых, как отмечает Полстер, они пересекаются не в том месте.
  1. @Paulster2 кривые мощности и крутящего момента пересекутся только при 5252, если они выражены в правильных единицах относительно друг друга (Вт и Н·м или л. с. и фунт-сила-фут), а также если единицы измерения на оси Y совпадают. На графике в этом ответе и на графике в вопросе обратите внимание, что мощность и крутящий момент отображаются на разных осях Y. Обратите внимание, что значение 5252 находится примерно посередине между значениями 4900 и 5600, что соответствует ~300 л. с. и ~300 фут-фунтам без «пересечения».
  1. мощность = (крутящий момент * число оборотов в минуту) / 5252 только в том случае, если мощность измеряется в лошадиных силах (л. с.), а крутящий момент — в футо-фунтах (фут-фунт) (британские единицы измерения). мощность = (крутящий момент * число оборотов в минуту) / 9549, если мощность измеряется в киловаттах, а крутящий момент — в ньютон-метрах (Нм) (единицы СИ). В зависимости от выбранных единиц измерения безразмерная «константа», связывающая мощность, крутящий момент и число оборотов в минуту, будет разной.
Вы уже ответили на этот вопрос