选择合适的涡轮增压器

在为我的调校、赛车或性能项目选择合适的涡轮增压器时,我需要知道什么?

性能升级

选择涡轮增压器

在为调校、赛车或性能项目选择合适的涡轮增压器时,我需要知道什么?

增压顾问

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选择合适的柴油升级涡轮增压器需要了解什么?

柴油发动机产生的功率与喷射到气缸中的燃料量成正比,并且燃料需要足够的空气来完全燃烧。对于无烟性能,发动机需要的空气(质量)大约是燃料的18倍。很明显,随着燃料的增加,还需要增加额外的空气。在大多数应用中,现有涡轮增压器具有一些额外的能力来增加功率,但是当压缩机达到阻塞极限(最大流量)时,涡轮增压器速度迅速增加,效率急剧下降,压缩机排气温度迅速上升。这产生了“雪球”效应,因为较高的压后温度意味着较高的进气歧管温度和排气温度。

效率较低意味着需要更多的涡轮功率来达到相同的增压效果,从而导致排气歧管中的背压较高。这通常可以在带有性能芯片的发动机上看到(在高功率设置下),并且可能是进气或排气升级。在急加速情况下,随着EGT和turbo的速度上升到危险区域,废气从尾管中涌出,需要驾驶员尽急松油门,以免损坏发动机。在这些条件下,现有涡轮增压器在预订外时间内运行。

选择升级涡轮增压器来匹配更多的燃油喷射,烟雾会大大减少,EGT也会得到控制,由于涡轮增压器在更有效的范围内运行,马力和驾驶性能得到增强。当改装变得更加深入时,必须要有更大的涡轮增压器来配合更多的喷油。

为了帮您的柴油发动机选择合适的涡轮增压器,首先需要确定的是功率目标。因为涡轮增压器的大小取决于它们能输送多少空气,并且空气流量与发动机功率成正比,所以一个现实的马力目标对于做出正确的选择至关重要。

一个现实目标

预期用途和重要因素

需要强调现实目标的概念,以确保最佳性能和满意度。当然,每个人都想拥有一辆超大马力的汽车,但是超过了合理的极限,随着功率的增加,可靠性、驾驶性能和日常运营费用都会恶化。随着利用率的增加,情况可能会更糟。大多数工程车辆均可归入以下一般类别:

预计应用功率增加重要因素
日常车辆/工程卡车/拖车+ 150 马力可靠性、驾驶性能、性能、降低废气再循环、低烟量
周末赛车+ 250 马力仍然需要在一周内执行常规任务,并在周末全力运转
极致性能+ 350 马力街道驱动,但日常驾驶性能会因高性能而受损
竞赛+ 400 马力以上性能提升100%-绝不妥协

太棒了,那么我该选择哪种涡轮增压器

让我们考虑每种情况,并根据预期的功率增加来计算涡轮选择。第一步是阅读涡轮技术专业部分。本文解释了压缩机性能曲线的读数以及正确匹配涡轮增压所需的公式,给出的例子是针对汽油发动机的。我们将在这里使用同样的公式,但会用柴油发动机进行额外举例。对于低烟或无烟性能,将采用22:1的空燃比(AFR)进行匹配计算。同样,典型的比油耗(BSFC)的误差在小于0.38的范围内。

一个现实目标

请参见示例标签开始

第一个示例是日常驾驶/工程卡车/拖车类别。这包括现有高达150HP的车辆。但是,该功率水平可以通过一个芯片或调校模块来实现。那么,为什么要为新的升级版涡轮增压器而烦恼呢?升级版涡轮增压器将通过安装芯片和其他升级来提高收益。升级版涡轮增压器提供的额外空气和较低背压会降低排温,使得功率更大、烟度更低,并解决现有涡轮增压器在更高增压压力和功率水平下的耐用性问题。因为这将是一次综合升级,增强的响应和驾驶性能可得到全面改善。

示例

我有一台6.6升的柴油发动机,其飞轮马力为325马力(底盘测功机上测得大约为275马力)。我想制造425飞轮马力的柴油发动机;增加150马力。将这些数字代入公式并使用上面的AFR和BSFC数据:
从涡轮技术103中可看到:

在公式Wa=Airflowactual(lb/min)当中
HP=马力目标值(飞轮)
A/F=空燃比
BSFC/60=比油耗(lb/(Hp*hr))/60(从小时转换为分钟)
因此,我们需要选择压缩机图,其每分钟气流量至少为59.2磅。接下来,需要多大的增压压力?
计算满足马力目标值所需的歧管压力。

式中,
MAPreq=满足马力目标值所需的歧管绝对压力(psia)
Wa=Airflowactual(lb/min)
R=气体常数=639.6
Tm =进气歧管温度(°F)
VE =容积效率
N=发动机转速(RPM)
Vd=发动机排量(立方英寸,通过乘以61,从升转换为CI,例如2.0升* 61 = 122 CI)
对于工程发动机:
Wa =先前计算的59.2 lb/min
Tm = 130°F
VE=98%
N=3300 RPM
Vd = 6.6升*61 = 400 CI


= 34.5 psia(记住,这是绝对压力;减去大气压力以获得表压,34.5 psia – 14.7 psia(海平面)= 19.8 psig)

现在我们计算出了质量流量和歧管压力。我们几乎准备好在压缩机图上绘制数据。下一步是确定压缩机和歧管之间存在的压力损失。最好的方法是用数据采集系统来测量压降,但是很多时候这是不实际的。取决于流速和增压空气冷却器尺寸、管道尺寸和弯管数量/质量、节气门体限制等,您可在从1 psi (或更低)到4 psi (或更高)的范围内进行估算。对于所举事例,估计会有2 psi的损失。因此,为了确定压缩机排放压力(P2c),我们需要将歧管压力增加2 psi。

式中,
P2c =压缩机排气压力(psia)
MAP =歧管绝对压力(psia)
=压缩机和歧管之间的压力损失(psi)

=36.5 psia
为了获得正确的进气条件,现在需要估计空滤或其他限制。在前面的压力比讨论中,我们说过一个典型值可能是1 psi,因此这将是在此计算中使用的值。此外,我们假设我们处于海平面,所以将会使用14.7 psia的环境压力。我们需要从环境压力中减去1 psi的压力损失来确定压缩机入口压力(P1)。

式中:

  • =压缩机入口压力(psia)
  • =环境空气压力(psia)
  • =空气过滤器/管道(psi)造成的压力损失
  • =13.7 psia

然后,我们可以使用等式计算压力比(
对于2.0L发动机:


=2.7

我们现在有足够的信息在压缩机图上绘制出这些工作点。首先我们将尝试GT3788R。这款涡轮增压器具有叶尖直径88 mm的52个微调压缩机叶轮,带有64.45毫米的入口导流片。

正如您所看到的,该点很好地落于地图,如果马力目标值上升,会增加增压和质量流量的空间。出于该原因,GT37R turbo系列适用于许多Garrett Powermax turbo套件,这些套件的尺寸适合该马力范围。

下一个示例中,我们来看Weekend Warrior。该类别适用于现有250马力以上或525马力的日常驾驶车辆。
将该电源目标代入我们的公式中会得到以下气流需求:


压力比为:


=45.5 psia


=3.3

看前面的地图,压缩机的流量不足以支持这一要求,所以我们必须看下一个更大尺寸的压缩机。
(从技术上来说,发动机可能很容易利用以前的压缩机来制造该动力,但是它有冒烟更多、EGT和背压更高的风险;有点像使现有压缩机超出使用极限…)
下一款更大的涡轮增压器是GT4094R,如下所示。
也可以考虑的另一种选择是GT4294R,它具有稍大的入口导流式压缩机和较大框架尺寸的涡轮叶轮。
较大的车轮惯性会稍微降低响应速度,但是在转速范围的顶端会提供更好的性能。

在下一个示例中,我们来看极限性能。该类别适用于现有高达350马力的真正的改装车,以及愿意放弃部分日常设施以获得更高功率增益的车主。
将该电源目标代入我们的公式中会得到以下气流需求:


压力比为:


=50.8 psia


=52.8 psia


=3.8
对于这种流量和压力比,GT4202R是合适的,如下所示。由于接近4:1的压力比,我们达到该尺寸发动机上的单个涡轮增压器的极限。

最后案例:竟赛类别

最后一个案例是竟赛类别。由于这是一个特殊情况,并且有很多方法来实现终极动力柴油应用,因此本文无法充分涵盖该内容。但是,有一些一般性的指导方针。如上所述,在此功率水平下,考虑级联的涡轮增压器应用是一个好主意。这种情况下,一台涡轮增压器连接至另一台涡轮增压器,两个压缩机共同压缩空气。较大的涡轮被指定为“低压”涡轮,较小的二级涡轮被指定为“高压”涡轮。低压压缩机为高压压缩机供气,然后高压压缩机为发动机的进气口供气。在涡轮机侧,废气首先通过高压涡轮机,然后在通过尾管排出之前,继续流向低压涡轮机。我们仍然可以计算出所需的质量流量,但是压力比更重要,应该和您当地的Garrett·Powermax分销商就某些问题进行讨论。为了计算所需的质量流量,我们使用了正规公式。这一次,动力目标将会超过现有的500马力,总共达到775马力


该空气流量仅适用于低压压缩机,因为高压压缩机会进一步加压已经压缩的空气。在大多数情况下,高压涡轮往往比低压级小大约两个框架尺寸。因此,在该情况下,在选择了合适的低压涡轮后(提示:查看GT4718R压缩机图),GT4088R或GT4094R将是可能的候选者。

关于选择合适尺寸的涡轮机壳体A/R的另一种说法。较小的A/R将有助于涡轮加速,并提供更好的响应涡轮应用,但代价是高转速区域的较高背压,并且在某些情况下,如果增压上升过快,有可能会导致压缩机喘振。另一方面,较大的A/R响应较慢,但具有较好的高端性能,并降低了压缩机喘振的风险。总的来说,合适的涡轮机壳体是最大的壳体,它可在低速端提供可接受的增压响应,同时具有更好的高速端具有性能。
这些信息可以引导您选择最合适的涡轮增压器。当然,有关发动机的更多具体信息,请咨询Garrett Powermax经销商。