Датчик манометрического давления и датчик абсолютного давления

Датчик манометрического давления и датчик абсолютного давления

Посмотрев на рис. 7.1, обратите внимание на то, что перепускной клапан подсоединен таким образом, что давление наддува поступает в нижний канал, а выхлопные газы на мембране со стороны пружины выбрасываются в атмосферу. Учтите, что в некоторых случаях перепускной клапан перемещается в обратном направлении при открытии. В перепускных клапанах этого типа все происходит в обратном направлении, поэтому канал расположен сверху, затем идет мембрана, затем – пружина и вентиляционное отверстие в нижней части. Технически эта конструкция называется датчиком манометрического давления или приводом. Некоторые также называют эту конструкцию датчиком относительного давления, но это не совсем верно, если только вентиляционное отверстие не подсоединено к впускному отверстию турбокомпрессора. Теоретически давление во впускном отверстии турбокомпрессора должно быть таким же, как и атмосферное. Однако ограничения потока воздуха, воздушный фильтр ивоздушная труба могут стать причинами того, что давление будет ниже атмосферного при некоторых дорожных условиях. Практически во всех случаях привод манометрического давления обеспечивает необходимую чувствительность перепускного клапана. Однако для некоторых экстремальных условий окружающей среды (для автомобилей) существуют три других типа приводов, которые будут подходить намного лучше. Мы обсудим только один из них, который называется датчиком абсолютного давления. Обычно его используют в самолетостроении, так как этот привод имеет одно важное преимущество: он ограничивает давление наддува до абсолютного давления (см.главу5) независимо от высоты над уровнем моря или барометрического давления. Поэтому в автомобильных гонках, где возможны резкие изменения высоты, например Pike's Peak hill climb, датчик абсолютного давления будет работать более эффективно.

Физическая разница между двумя датчиками состоит в том, что датчик абсолютного давления является герметичным, в то время как датчик манометрического давления имеет вентиляционное отверстие. В верхней камере поддерживается вакуум (давление как можно ближе кабсолютному нулю).

Установка источника сигнала давления наддува

Следующей проблемой является расположение источника давления надува. Важно понимать, что давление не будет равномерным во всех точках между выпускным отверстием компрессора и впускным клапаном. Изменения давления происходят по многим причинам. Любые ограничители потока воздуха будут приводить к увеличению давления на данном участке. Промежуточный охладитель не только охлаждает воздух, но и снижает его давление. Устройства диффузорного типа не обязательно будут ограничивать поток, однако очевидны большие различия в давлении по всей их длине, при этом точка наименьшего давления будет расположена непосредственно после расхождения стенок трубки.

Посмотрев на заводские конструкции турбокомпрессоров, вы увидите, что линия сигнала расположена между выпускным отверстием компрессора и приводом перепускного клапана. Подобное расположение считается наиболее безопасным. Линия сигнала короткая, поэтому сообщение между выпускным отверстием турбокомпрессора и перепускным клапаном будет быстрым. Воздух, скорее всего, не сожмется, что приведет кчрезмерному увеличению давления наддува и выбросу потока очень горячего воздуха (в зависимости от эффективности компрессора) и в промежуточный охладитель. Если промежуточный охладитель малоэффективен, выброс горячего воздуха замедлит его способность снижать температуру впускного заряда до необходимого значения на некоторое время. В свою очередь слишком высокая температура впускного заряда может стать причиной ухудшения технических характеристик (из-за низкой плотности впускного заряда и смещения угла зажигания в сторону отставания в соответствии с сигналами датчика детонации) или даже повреждения двигателя вследствие детонации.

Недостатком столь быстрого сообщения является то, что перепускной клапан начнет открываться слишком рано, часто при 50% от необходимого значения давления наддува. Как уже говорилось ранее, это значительно снижает скорость раскручивания турбинного колеса до максимального значения давления наддува, что приводит к снижению технических характеристик, особенно на более высоких передачах.

В качестве компромисса было выбрано другое положение сигнала – на участке после промежуточного охладителя и перед дроссельной заслонкой. Давление здесь ниже, чем в выпускном отверстии турбокомпрессора, поэтому в заводских турбокомпрессорах при перемещении источника сигнала в этот участок реальное давление наддува будет несколько выше, при этом не придется возиться с приводными пружинами и штоками перепускного клапана. Перепускной клапан будет открываться позже. Однако, чтобы Перепускной клапан выхлопных газов стало заметным, промежуточный охладитель должен быть достаточно большим, чтобы снижать повысившуюся температуру впускного заряда.

Другим источником для сигнала может стать область во впускном коллекторе после дроссельной заслонки. Этот метод не будет работать вдвигателях, где каждый цилиндр оснащен отдельной дроссельной заслонкой. Обычно определение давления наддува на этом участке все же имеет некоторые преимущества. При этом на некоторых двигателях технические характеристики турбокомпрессора действительно улучшаются, поэтому, если нет проблем с емкостью промежуточного охладителя, вы можете попробовать этот вариант.

В данный момент стоит отметить, что, если ваш автомобиль участвует в серии соревнований с регулируемым давлением наддува (обычно 1,034 бар), необходимо тщательно проверить всю систему впуска, чтобы обнаружить области, где давление наддува будет наименьшим (или модифицировать ее при помощи диффузора). Затем в этой точке надо установить специальный штуцер, чтобы инспекторы гонок смогли убедиться, что ваш автомобиль работает на допустимом давлении наддува.

Учтите, что сигнал линии турбокомпрессора не обязательно должен быть подсоединен к тому же штуцеру, и лучше так не делать. Он должен находиться в таком месте, чтобы обеспечивать оптимальные технические характеристики и реакцию турбокомпрессора. Как только вы найдете наиболее выгодное расположение для линии сигнала, отрегулируйте перепускной клапан, чтобы давление наддува соответствовало требованиям вточке проверки. Однако убедитесь, что при работе на максимальном давлении наддува технические характеристики действительно будут оптимальными во время соревнований. В более теплом климате или в условиях, когда дроссельная заслонка будет полностью открыта втечение длительного промежутка времени, не удивляйтесь, если меньшее значение давления надува будет более эффективным в сериях гонок, где необходимо использовать заводские турбокомпрессоры и промежуточные охладители.

Время и способ открытия перепускного клапана определяются типом привода и источником сигнала давления наддува.

Регулировка давления наддува

Некоторые считают идею кнопочного управления достаточно привлекательной. Например, чтобы уменьшить расходы на топливо при ежедневной эксплуатации автомобиля, можно использовать более дешевое топливо с низким октановым числом, при котором максимальное давление наддува будет ограничено на уровне, скажем, 0,55бар. Но при выезде на трек в выходные все будет совсем иначе: при использовании некоторых экзотических видов топлива с высоким октановым числом максимальное давление наддува может возрасти до 0,76бар.

Существует большое количество способов «обмануть» перепускной клапан. Как вы уже знаете, изменение расположения источника сигнала может давать совершенно различные результаты. То есть источник сигнала, расположенный около компрессора, может давать значение 0,55 бар, аперемещение линии сигнала к впускному коллектору может привести к увеличению давления наддува до 0,76 бар (при измерении на выпускном отверстии из турбокомпрессора).

Внешние перепускные клапаны наподобие того, который изображен на рис. 7.1, часто оснащены регулятором, чтобы изменять преднагрузку на внутреннюю пружину. Диапазон регулировки обычно варьируется от 0,28 до 0,34 бар между крайними положениями регулятора. Однако более качественные внешние перепускные клапаны можно разобрать и установить более жесткие пружины или внутреннюю пружину. Это, конечно, не совсем кнопочное управление, но скоро мы поговорим об альтернативах.

На первый взгляд, внутренние перепускные клапаны не позволяют достаточно легко регулировать давление наддува. Давление наддува можно изменить посредством изменения длины штока привода (шток, соединяющий привод с заслонкой перепускного клапана). Если шток не подлежит регулировке, необходимо просто отвернуть привод, распилить шток пополам и нарезать подходящую резьбу. При помощи соединительной втулки и зажимной гайки с внутренней резьбой вы сможете отрегулировать привод. Учтите, что при распилке и нарезке резьбы на штоке необходимо быть предельно осторожным и должным образом зафиксировать шток, чтобы избежать повреждений мембраны привода.

Более простой метод, который позволяет либо увеличить давление наддува, либо быстро изменить его, состоит в установке вспомогательной пружины. Я видел, как многие конструкторы приваривают или привинчивают подходящий выступ к приводу, а затем подсоединяют один край пружины к этому выступу, а другой – к шарниру заслонки перепускного клапана. Лично мне не очень нравится этот метод, так как при сварке или просверливании мембрану привода легко повредить. Я предпочитаю найти обычный болт или винт крепления на приводе и закрепить подходящий выступ под ним. Когда пружина растягивается между выступом и заслонкой перепускного клапана, давление наддува будет увеличиваться. При отсоединении пружины давление наддува будет уменьшаться до заводского значения, поэтому это очень удобный метод регулировки наддува вдвух положениях (см. рис. 7.3).

Рис. 7.3. Вспомогательная пружина, подсоединенная к приводу внутреннего перепускного клапана.

Конструкцию, которую компания Porsche использовала 30лет назад в своих гоночных автомобилях, сейчас можно назвать «dial-a-boost» («настраиваемый наддув»). Посмотрев на рис. 7.4, вы увидите, что данная конструкция обеспечивала безграничный контроль давления наддува, поэтому ее первоначально использовали на динамометрических стендах, чтобы быстро протестировать мощность и прочность двигателя при различном давлении наддува. Во время гонки водитель автомобиля Porsche 917, желавший увеличить мощность, просто поворачивал ручку регулятора давления, установленную в кокпите. Это позволяло давлению наддува попасть в камеру пружины перепускного клапана, увеличивая таким образом давление преднагрузки. Например, если повернуть рукоятку регулятора и позволить давлению наддува в 0,2 бар попасть в камеру пружины, давление наддува увеличится с 1,38 до 1,58 бар, а мощность возрастет с 1000 до 1200 л.с.

Рис. 7.4. Регулировочный клапан в кокпите гоночного автомобиля Porsche 917, который позволял легко контролировать давление наддува.

На одной из вариаций данной системы компания Porsche использовала регулятор давления с вентиляцией в атмосферу (камера пружины перепускного клапана также оснащена вентиляционным выходом в атмосферу). По сути, регулятор давления становится выпускным клапаном свозможностью регулировки, который может пропускать необходимую часть сигнала давления, таким образом «обхитрив» перепускной клапан, чтобы увеличить давление наддува. Например, стандартное давление наддува составляет 0,76 бар, а открытие клапана для создания утечки в 0,28 бар приведет к увеличению наддува до 1,034 бар.

Недорогой альтернативой, которая достаточно быстро обеспечивает возможность регулировки давления наддува, является работа по принципу отвода сигнала. Фокус состоит в том, что устанавливается короткий отрезок твердой перфорированной пластиковой трубки в удобном месте на линии сигнала. Так как утечка должна быть незначительной, лучше прокалывать трубку иголкой, которую нужно предварительно нагреть, чтобы достичь необходимого давления наддува. Вы даже можете использовать два различных отрезка пластика для ежедневной эксплуатации автомобиля и для гонок. Просто запомните, что при использовании любого вида отвода сигнала топливо должно направляться во впускной канал ниже соединения линии сигнала. Если это невозможно, придется использовать другой метод управления давлением наддува.