Турбокомпаунд и турбонаддув - Авто-потроха: что у машинок внутри?

Устройство и принцип действия автомобильных технологий, узлов и агрегатов

Двигатель

Турбонаддув — один из методов агрегатного наддува, основанный на использовании энергии отработавших газов. Включает в себя технологии как одноступенчатого, так и многоступенчатого наддува (последовательного или параллельного). Также сочетается с технологиями турбокомпаунда, комбинированного наддува (twincharger) и турбины переменной геометрии (VGT).

Турбонаддув был запатентован Альфредом Бюхи в 1911 году в патентном ведомстве США. Применялся сначала в судовых и авиационных двигателях. На легковом автомобиле впервые применен в 1937 году (Cord 812).

Принцип турбонаддува

Турбонаддув построен на принципе сжатия поступающего в двигатель воздуха с помощью компрессора, сопряженного с турбиной, приводимой в движение энергией выхлопных газов.

Турбонаддув применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Поскольку ДВС является тепловой машиной (см. школьный курс физики), а прошедший через компрессор воздух разогревается от сжатия до 200 градусов Цельсия, турбонаддув предусматривает его промежуточное охлаждение.

Intercooler

Интеркулер устанавливается между компрессором и впускным коллектором и обеспечивает снижение температуры наддувочного воздуха с 200 до 50-60 градусов и необходим как для поддержания степени сжатия, так и для физического повышения эффективности ДВС как тепловой машины. Охлаждение воздуха на 10 градусов дает около 3% прироста мощности двигателя, в целом эффект от интеркулера составляет порядка 20% прироста мощности двигателя. Однако интеркулер создает сопротивление для поступающего воздуха и тем самым снижает давление наддува.

Различают два типа охладителей: воздушный и водяной. Благодаря своей простоте наибольшее распространение получили интеркулеры воздушного типа. Конструктивно он представляет собой теплообменник, состоящий из системы изогнутых «змейкой» труб и находящихся между ними пластин:

Изгиб труб «змейкой» увеличивает общую длину теплообменника и улучшает охлаждение воздуха, однако каждый изгиб трубы создает сопротивление проходящему в ней потоку воздуха и тем снижает давление наддува. Пластины увеличивают площадь поверхности интеркулера и обеспечивают лучшую теплоотдачу. В качестве материала для труб и пластин используется алюминий, обладающий высокой теплопроводностью (реже — медь).

Интеркулер воздушного типа устанавливается в свободном месте в подкапотном пространстве:

в центральной части за передним бампером (в бампере выполняется соответствующий вырез);
над двигателем под капотом (в капоте выполняется воздухозаборник специальной формы);
в боковой части передних крыльев слева и справа (в крыльях выполняются воздухозаборники специальной формы).

Интеркулер водяного типа имеет перед воздушным типом следующие преимущества:

компактность и потому возможность установки в любом свободном месте в подкапотном пространстве;
лучшая теплопроводность воды (охлаждающей жидкости) относительно воздуха и потому значительно более высокая эффективность.

Недостатком интеркулера водяного типа является сложность конструкции, которая помимо водяного теплообменника включает воздушный радиатор для охлаждения воды, водяной насос, систему патрубков, электронный блок управления. Вместе с системой охлаждения двигателя они образуют двухконтурную систему охлаждения.

По причине сложности конструкции интеркулер водяного типа применяется достаточно редко, в случаях, когда воздушный охладитель применить невозможно (например, на некоторых компактных двигателях TSI).

Особенности турбонаддува бензиновых двигателей

Особенностями турбонаддува на бензиновых двигателях являются:

возможность наступления детонации, которая связана с увеличением массы воздуха в цилиндре и, следовательно, температуры в конце такта сжатия;
высокая температура отработавших газов (около 1000 градусов Цельсия против 600 градусов для дизелей) и соответствующий нагрев турбонагнетателя.

Поэтому конструкцией турбодвигателей предусмотрена пониженная степень сжатия и работа на высокооктановых марках топлива.

Принципиальные особенности турбонаддува в целом

Турбонаддув не имеет жесткой связи с коленвалом двигателя, однако эффективность его работы сильно зависит от оборотов двигателя (т.е. от энергии выхлопных газов). Выше обороты двигателя — выше энергия отработавших газов — быстрее вращение турбины — больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя. Т.о. турбонаддув есть система с положительной обратной связью.

В силу конструкции, турбонаддув имеет следующие принципиальные особенности:

задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа, т.н. «турбояма» (turbolag);
резкое увеличение давления наддува после преодоления «турбоямы», т.н. «турбоподхват».

«Турбояма» обусловлена инерцией турбины (для ее раскрутки при резком увеличении энергии выхлопных газов требуется некоторое время). Существуют следующие способы решения этой проблемы:

применение турбины с изменяемой геометрией (VGT);
применение двух последовательных или параллельных турбокомпрессоров (twin-turdo или bi-turdo);
комбинированный наддув (twincharger).

Турбононаддув начинает свою работу с первыми оборотами двигателя и заканчивает её уже после того, как двигатель остановился. При первых вспышках в цилиндрах выхлопные газы из коллектора сразу же попадают в улитку турбины и начинают вращать вал с крыльчатками. Пока обороты двигателя невелики, давление выхлопных газов недостаточно, и компрессор вращается на холостом ходу, не создавая излишнего сопротивления на всасывании (просто перемешивает воздух). При росте оборотов двигателя на панели загорается зеленая лампочка «TURBO» (если она есть), и водитель чувствует ощутимый толчок в спину. Это означает, что турбина вышла на свои рабочие обороты (110-115 тысяч об/мин). Теперь компрессор не просто месит воздух, а эффективно сжимает его и посылает в двигатель. При этом блок управления двигателем подает в цилиндры больше топливной смеси, резко (на 50-70%) возрастает мощность и, соответственно, расход топлива.

Турбокомпрессор работает в условиях высоких температур и оборотов (скорость на концах лопаток приближается к звуковой). Поэтому сразу со стартом двигателя масляный насос подает масло по системе каналов под давлением на подшипники турбокомпрессора, и вал турбины начинает вращаться на масляном клине. Свою порцию масла получает и упорный подшипник. Чем больше обороты двигателя, тем больше масла поступает на вал турбины и его подшипники. Эти подшипники изготовлены из специально подобранных материалов с оптимальными зазорами. При меньших зазорах возникает опасность подклинивания подшипников при тепловом расширении, при больших — опасность срыва масляного клина и работы в условиях полужидкостного трения, к тому же возникает перекос вала и интенсивный износ уплотнительного кольца. Поскольку зазоры в парах вал — подшипник, подшипник — корпус очень малы и соизмеримы с размерами ячеек масляного фильтра, турбонаддув предъявляет особые требования к чистоте масла и состоянию масляного фильтра.

Долговечность подшипников скольжения, в отличие от подшипников качения, не очень зависит от частоты вращения. Коэффициент трения у правильно рассчитанных и работающих в условиях жидкостной смазки подшипников скольжения равен 0,001-0,005. Однако, при неблагоприятных условиях работы (высокая вязкость масла, высокие скорости, малые зазоры) коэффициент трения достигает 0,1-0,2, что приводит к снижению оборотов турбины, снижению эффективности наддува и повышению нагарообразования из-за ухудшения теплоотвода. Подшипники скольжения надёжно работают при температуре не более 150 градусов Цельсия. При более высоких температурах возникает опасность разрыва масляного слоя в результате разжижения масла. Кроме того, при высоких температурах обычные минеральные масла быстро окисляются и теряют свои смазочные свойства. При полужидкостной смазке непрерывность масляного слоя нарушена, и поверхности вала и подшипника на отдельных участках соприкасаются своими микронеровностями. При граничной системе смазки поверхности вала и подшипников соприкасаются полностью или на участках большой протяженности, разделительный масляный слой вообще отсутствует.

Поэтому, если в дороге в машину пришлось залить неизвестное масло, то не гоните, двигайтесь потихоньку. Двигатель это масло переживёт, а вот турбонаддув — не факт. Приехав, домой, сразу же смените масло и масляный фильтр.

Самые тяжелые моменты для турбонаддува — это запуск двигателя и его остановка. При запуске холодного двигателя масло в нём имеет высокую вязкость, оно с трудом прокачивается по зазорам, нагрев разных деталей турбонаддува и их тепловое расширение идут с разной скоростью, и тепловые зазоры еще не установились. Поэтому не спешите, дайте двигателю и турбонаддуву прогреться.

В процессе работы крыльчатка турбины и вал сильно нагреваются (около 600 градусов для дизеля и около 1000 градусов для бензинового мотора). Пока двигатель вращается, масляный насос создает давление и масло, поступающее для смазки подшипников, снимает нагрев с вала. Но при остановке двигателя останавливается и масляный насос. Давление масла в системе сразу же падает до нуля. Но вал с крыльчатками, который имеет приличный вес и вращается с очень большой скоростью, мгновенно остановиться не может. Теплоотвод прекращается. Возникает полужидкостная смазка, переходящая в граничную. Масляная плёнка, покрывающая детали, разогревается до температуры горения. Идёт интенсивное нагарообразование в районе уплотнительного кольца и несколько меньшее — в районе подшипников и на внутренних поверхностях корпуса турбонаддува. Плюс перегрев, расплавление, схватывание и заедание подшипника, грязное масло, и в результате — интенсивный износ. А допустимый износ подшипников составляет всего 0,03-0,06мм в зависимости от модели турбонаддува.

Никогда не глушите турбодвигатель сразу. В зависимости от режима езды дайте ему поработать на холостом ходу 2-5 минут (зимой можно дольше). За это время вал турбины снизит обороты до минимальных, а детали, непосредственно соприкасающиеся с выхлопными газами, плавно остынут. В автомобилях Nissan турбонаддув работает в более напряжённом тепловом режиме, чем, например, Toyota. В этом вопросе значительно помогает турботаймер, автоматически глушащий двигатель через заданное время (водитель в этой время уже запер машину и ушел). Он установлен не на всех автомобилях, но представлен во многих охранных сигнализациях.

Если у вашей машины пошёл интенсивный белый дым из глушителя и упала мощность — турбонаддув надо срочно сдавать в ремонт или менять на новый, потому что в нём изношены подшипники и уплотнительное кольцо около крыльчатки турбины. В результате масло под давлением устремляется в выхлопную трубу, где испаряется и вылетает наружу, создавая дымовую завесу. Расход масла может возрасти до 2-3 литров на 100 км пробега.

Бывает и так, что дымовой завесы нет, но автомобиль не может развить мощность, лампочка «TURBO» не загорается, у дизельных двигателей появляется постоянный чёрный дым под нагрузкой — всё это говорит о том, что скорее всего турбонаддув тоже изношен, и к тому же основательно забит нагаром, поэтому компрессор из-за повышенного сопротивления вращению не развивает рабочих оборотов, а двигателю не хватает воздуха.

VGT, Variable-geometry turbocharger, также VNT, Variable Nozzle Turbine — обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения сечения входного канала. Необходимость такого изменения обусловлена тем, что оптимальное сечение при низких и при высоких оборотах существенно разное. При большом сечении турбокомпрессор плохо работает на низких оборотах, при маленьком — на высоких. Таким образом, изменение сечения позволяет турбине подстраиваться под нагрузку с максимальной эффективностью.

VGT чаще встречаются на дизельных двигателях, т.к. более надежны при относительно низких рабочих температурах, характерных для дизельных двигателей. Конструктивно VGT отличаются наличием кольца из специальных лопастей особой аэродинамической формы. В маломощных двигателях (легковые автомобили, гоночные автомобили и малотоннажные грузовики) сечение регулируется изменением ориентации этих лопастей. В двигателях высокой мощности лопасти не вращаются, а покрываются специальным кожухом либо перемещаются вдоль оси камеры (VGT со скользящими лопастями). Движение лопастей осуществляется с помощью мембранного вакуумного привода, серво-, гидро- либо пневмопривода.

Twin- и Biturbo

Система турбонаддува с двумя турбокомпрессорами. Изначально предназначалась для преодоления инерции системы, т.н. турбоямы. В настоящее время позволяет повышать выходную мощность двигателя и поддерживать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов.

Различают три конструктивные схемы системы Twin Turbo: параллельную, последовательную и ступенчатую.

Twin Turbo – торговое название, синоним — Biturbo. В некоторых источниках под названием Biturbo понимается система с параллельной схемой работы турбокомпрессоров, что не совсем верно.

Параллельный Twin Turbo

Включает два одинаковых турбокомпрессора, работающих одновременно и параллельно друг другу. Поток отработавших газов равномерно разделяется между турбокомпрессорами. Сжатый воздух от каждого компрессора поступает в общий впускной коллектор и далее распределяется по цилиндрам.

Параллельный Twin Turbo применяется в основном на V-образных дизельных двигателях. Каждый турбокомпрессор закреплен на своем выпускном коллекторе. Смысл такой системы в том, что две маленькие турбины имеют меньшую инерцию, чем одна большая. За счет этого сокращается «турбояма», турбокомпрессоры эффективно работают в большем диапазоне оборотов двигателя.

Последовательный Twin Turbo

Система последовательного Twin Turbo включает два соизмеримых по характеристикам турбокомпрессора. Первый турбокомпрессор работает постоянно, второй включается в работу при определенных режимах работы двигателя (частота оборотов, нагрузка).

перепускной клапан наддува (bypass);
клапан управления подачей воздуха;
датчик разности давлений;
клапан управления подачей отработавших газов;
вторичный турбокомпрессор;
интеркулер;
первичный турбокомпрессор;
перепускной клапан отработавших газов (wastegate).

Переход между режимами обеспечивает электронная система управления, которая регулирует поток отработавших газов ко второму турокомпрессору с помощью специального клапана. При полном открытии клапана управления подачей отработавших газов оба турбокомпрессора работают параллельно, поэтому правильно систему называть последовательно-параллельная. Сжатый воздух от двух турбокомпрессоров подается в общий впускной коллектор и распределяется по цилиндрам.

Система последовательного Twin Turbo также минимизирует турбояму. В 2011 году компания BMW представила систему с тремя последовательными турбокомпрессорами – Triple Turbo.

Двухступенчатый турбонаддув

Самой совершенной в техническом плане является система двухступенчатого турбонаддува (с 2004 года применяется на ряде дизельных двигателей Opel). Другой производитель — компания BorgWarner Turbo Systems внедряет систему на дизельные двигатели BMW и Cummins.

Система двухступенчатого турбонаддува состоит из двух турбокомпрессоров разного размера, установленных последовательно в выпускном и впускном (воздушном) трактах. В системе используется клапанное регулирование потока отработавших газов и нагнетаемого воздуха.

охладитель наддувочного воздуха;
перепускной клапан наддува (bypass);
турбокомпрессор ступени высокого давления;
турбокомпрессор ступени низкого давления;
перепускной клапан отработавших газов (wastegate).

При низких оборотах двигателя перепускной клапан отработавших газов закрыт. Отработавшие газы проходят через малый турбокомпрессор (имеет минимальную инерцию и максимальную отдачу) и далее через большой турбокомпрессор. Давление отработавших газов невелико, и большая турбина почти не вращается. На впуске перепускной клапан наддува закрыт. Воздух проходит последовательно через большой (первая ступень) и малый (вторая ступень) компрессоры.

С ростом оборотов турбокомпрессоры работают совместно. Перепускной клапан отработавших газов постепенно открывается. Часть отработавших газов идет непосредственно через большую турбину, которая раскручивается все сильнее. На впуске большой компрессор сжимает воздух с определенным давлением, но оно недостаточно большое. Поэтому далее сжатый воздух поступает в малый компрессор, где происходит дальнейшее повышение давления. Перепускной клапан наддува при этом по прежнему закрыт.

При полной нагрузке перепускной клапан отработавших газов открыт полностью. Газы практически полностью проходят в большую турбину, раскручивая ее до максимальных оборотов и обеспечивая максимальное давление наддува. Малая турбина останавливается, т.к. в таких условиях начинает мешать, создает препятствие для воздуха, и через открытый перепускной клапан наддува сжатый воздух поступает напрямую к двигателю.

Таким образом, система двухступенчатого турбонаддува обеспечивает эффективную работу турбокомпрессоров на всех режимах работы двигателя и наилучшим образом разрешает известное противоречие дизельных двигателей между высоким крутящим моментом на низких оборотах и максимальной мощностью на высоких оборотах.

Twincharger

Объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах двигателя наддув обеспечивается механическим нагнетателем (т.к. эффективность турбины в этой зоне низкая). С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя TSI от Volkswagen.

Устройство турбокомпрессора

Турбокомпаунд

Принцип турбокомпаунда состоит в утилизации дополнительной тепловой энергии выхлопных газов, которая в простых турбо- и атмосферных двигателях буквально вылетает в трубу, посредством еще одной турбины и механического ее привода на коленвал двигателя. КПД обычного грузового турбодизеля большого объема составляет около 44%, еще 21% съедает система охлаждения. Турбокомпаунд частично улавливает энергию тех 35%, которые покидают двигатель вместе с выхлопом. Особенность турбокомпаунда в том, что прибавка момента и мощности двигателя происходит без дополнительного расхода топлива.

Был впервые применен фирмой Scania в 1990 году на дизельном двигателе DTS 11 01 объемом 11 литров.

Выхлопные газы поступают из выпускного коллектора двигателя при температуре, близкой к 700 градусов Цельсия.
Выхлопные газы используются для привода традиционного турбокомпрессора, в котором энергия используется для повышения эффективности сгорания топлива и, как следствие, мощности и крутящего момента двигателя. Затем выхлопные газы, вместо того, чтобы впустую уйти в атмосферу, направляются в блок турбокомпаунда.
На входе в блок турбокомпаунда выхлопные газы сохраняют высокую температуру (около 600 градусов); их энергия используется для разгона второй турбины примерно до 55000 об/мин. На выходе из этой турбины температура газов снижается приблизительно до 500 градусов, после чего они отводятся через обычную систему выпуска и глушитель.
Вращательное движние турбины передается через несколько понижающих передаточных устройств — механические передачи и гидравлическую муфту. Гидравлическая муфта согласовывает различные частоты вращения маховика и турбины турбокомпаунда.
К моменту передачи вращательного движения на маховик, частота вращения снижается примерно до 1900 об/мин.
Вращательный момент на маховике увеличивается, и вращение маховика становится более устойчивым и плавным.

Материалы: http://carguts.ru/articles/turbo/

2 ≫

Экономия энергетических ресурсов относится к главнейшим задачам транспортного и энергетического машиностроения. Одним из путей ее решения является создание высокоэкономичных двигателей с эффективными энергосберегающими системами.

В настоящее время основными двигателями судов морского транспортного флота являются малооборотные дизели (МОД) ведущих дизелестроительных фирм и их лицензиатов. Так, фирма MAN B&W выпускает 25 моделей МОД (профамма 2010 года), которые в целом могут обеспечить номинальную мощность от 1100 до 68640 кВт и номинальную частоту вращения от 57 до 250 мин'. Однако применение современных МОД вызывает проблему обеспечения потребностей ходового режима судна в тепловой и электрической энергии за счет вторичных энергоресурсов, т.е. без дополнительных затрат топлива. Уменьшение теплоты отработавших газов МОД до 27 - 29 % (от теплоты сгорания топлива) и их температуры до 235 - 270''С делает малопригодным традиционные системы глубокой утилизации. Комплексные системы, использующие теплоту отработавших газов, надувочного воздуха и пресной воды, охлаждающей втулки цилиндров МОД, повышают теплоиспользование в дизельной установке, но и значительно её усложняют. Это связанно с применением более крупных и дорогих утилизационных котлов, паровых турбин, дополнительного теплообменного оборудования и необходимости их оснащения разветвленными системами автоматики. В качестве альтернативы традиционным и комплексным системам могут рассматриваться валогенераторные, турбокомпаундные и комбинированные (валогенератор - турбокомпаунд) системы, производство которых освоено зарубежными фирмами. Многообразие вариантов использования вторичных энергоресурсов главных двигателей и способов выработки тепловой и электрической энергии на судах не позволяет заранее утверждать какой из них будет лучшим в тех или иных условиях. Поэтому выбор для конкретного судна наиболее целесообразного варианта энергосберегающей системы и ее параметров является актуальным и относится к классу оптимизационных проектировочных задач.

Эффективность энергосбережения на судне во многом определяется как типом систем утилизации, так и реальными условиями эксплуатации, к которым, прежде всего, относятся режимы работы судна и главного двигателя (ГД), а также параметры окружающей среды. Морские транспортные суда эксплуатируются в различных климатических зонах и часто, с целью экономии топлива, на экономических ходах с соответственно низкими коэффициентами использования мощности главного двигателя. По данным ЦНИИ МФ эти коэффициенты для танкеров и сухогрузов составляют 57 - 82 %.

Поэтому реальные эксплуатационные режимы судовых дизелей являются долевыми. Изменение условий эксплуатации отражается на экономичности двигателя и потенциале его вторичных энергоресурсов, уровне тепло- и электропотребления на судне и, следовательно, на параметрах и характеристиках энергосберегающих систем. При этом оборудование таких систем будет работать на нерасчетных режимах с соответствующим изменением эффективности и надежности. Это положение требует комплексного исследования статических характеристик утилизационных систем, которые до сих пор не были исследованы с точки зрения рационального перераспределения энергетических потоков, направленного, прежде всего, на повышение эффективности МОД и его энергосберегающих систем. Поэтому задача поддержания работоспособности и эффективности энергосберегающих систем на долевых режимах МОД и при изменении параметров окружающей среды является актуальной.

В настоящее время основными двигателями судов морского транспортного флота являются малооборотные дизели (МОД) ведущих дизелестроительных фирм и их лицензиатов. Это обусловлено высокими КПД таких двигателей, а также широкими диапазонами мощностей и частот вращения, способными удовлетворить требования большинства заказчиков и судовладельцев.

Турбокомпаунд позволяет получить дополнительную мощность, преобразуя «теряемую» энергию.

Может показаться, что турбокомпаунд, вопреки законам физики, создает энергию из ничего. Он работает, преобразуя и используя энергию, которая в противном случае была бы потеряна или израсховована впустую. Это классический пример рециркуляции. Вместо того, чтобы выбрасывать «отработанную энергию» в выхлопную трубу, вторая турбина, установленная за турбокомпрессором, приводимая в действие выхлопными газами, отбирает из этих газов дополнительное тепло.

Вторая турбина (турбина турбокомпаунда) вращается с заданной скоростью. Это движение передается через турбинные шестерни и гидравлическую муфту, а затем через шестерни газораспределительного механизма на коленчатый вал. Передача вращения на них создает полезную прибавку крутящего момента, что отражается и на изменении крутящего момента на маховике. Такая дополнительная тяга возникает без увеличения расхода топлива.

Двигатель демонстрирует отличную приспособляемость к различным режимам работы. Вращение коленчатого вала дополняется постоянной передачей усилия от турбокомпаунда, что способствует сглаживанию пульсации нагрузки, вызываемой периодическими тактами сгорания в цилиндрах. Благодаря этому двигатель работает мягче.

1. Выхлопные газы поступают из выпускного коллектора двигателя при температуре, близкой к 700° С.

2. Выхлопные газы используются для привода традиционного турбокомпрессора, в котором энергия используется для повышения эффективности сгорания топлива и, как следствие, мощности и крутящего момента двигателя. Затем выхлопные газы, вместо того, чтобы впустую уйти в атмосферу, направляются в блок турбокомпаунда.

3. На входе в блок турбокомпаунда выхлопные газы сохраняют высокую температуру (около 600° С); их энергия используется для разгона второй турбины примерно до 55000 об/мин. На выходе из этой турбины температура газов снижается приблизительно до 500°С, после чего они отводятся через обычную систему выпуска и глушитель.

4. Вращательное движние турбины передается через несколько понижающих передаточных устройств -- механические передачи и гидравлическую муфту. Гидравлическая муфта согласовывает различные частоты вращения маховика и турбины турбокомпаунда.

5. К моменту передачи вращательного движения на маховик, частота вращения снижается примерно до 1900 об/мин.

6. Вращательный момент на маховике увеличивается, и вращение маховика становится более устойчивым и плавным.

Глобальная задача, стоящая перед человечеством - рациональное использование сырьевых и энергетических ресурсов. О важности решения данной задачи писали сотни авторов, в предлагаемой статье представлен один из перспективных вариантов энергосбережения в поршневых двигателях.

Одним из показателей эффективности мероприятий по энергосбережению является полнота использования энергетического потенциала топлива. На практике показателем качества топливоиспользования в энергетических установках является их эффективный

где Ne - эффективная мощность установки, кВт;

Вч - часовой расход топлива, кг/ч;

Qн - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Традиционным способом повышения эффективного КПД двигателей внутреннего сгорания является совершенствование рабочего цикла двигателя, направленное на увеличение его термического КПД. С этой целью модернизируются системы топливоподачи, повышается энергетика впрыска топлива, оптимизируются процессы газообмена, предлагаются новые конструкции камер сгорания и способы смесеобразования. Однако совершенствование рабочего цикла ограничено максимально допустимыми давлением и температурой. Первое определяет механические нагрузки на детали двигателя, а вторая - термические нагрузки, условия смазывания и эмиссию токсичных веществ с отработавшими газами. В последние годы в связи с ужесточением экологических нормативов именно токсичность отработавших газов является главным фактором, ограничивающим максимальную температуру цикла и, как следствие, термический КПД цикла.

Развитие экологических нормативов и стандартов для транспортных двигателей идет по пути ужесточения выбросов нормируемых токсичных компонентов. Для выполнения этих норм производители двигателей вводят ряд мероприятий, например таких как повышение энергоемкости топливоподающей аппаратуры, увеличение степени сжатия и относительного диаметра горловины камеры сгорания при значительном уменьшении степени повышения давления при сгорании, в основном за счет уменьшения угла опережения впрыска ниже значения, соответствующего минимальному расходу топлива. При этом существенно ухудшается топливная экономичность и увеличивается количество СО2 в отработавших газах.

двигатель валогенератор турбокомпаундный энергоресурс

Средством улучшения топливной экономичности может быть более полное использование энергии отработавших газов. Традиционным и хорошо разработанным способом утилизации отработавших газов является их использование в системах газотурбинного наддува. Сейчас практически все производимые и проектируемые дизели оснащаются такими системами. Термин «комбинированные двигатели», подразумевающий сочетание поршневой части и газотурбинной установки, прочно вошел в теорию и практику двигателестроения. Существует несколько типов хорошо зарекомендовавших себя систем газотурбинного наддува: изобарный, импульсный, регистровый, двухступенчатый, с охлаждением надувочного воздуха, гипербар и др.

Одним из перспективных путей использования отработавших газов является применение систем типа турбокомпаунд.

В переводе с английского слово compound означает «сложный», «составной». Турбокомпаунд - это система, которая использует энергию отработавших газов и служит для повышения КПД двигателя. При ее реализации в выпускном тракте двигателя за турбиной турбокомпрессора расположена еще одна турбина, называемая силовой. Отработавшие газы поршневой части раскручивают силовую турбину, а она через систему шестерен и гидромуфту передает крутящий момент на силовой вал, соединенный с потребителем.

Первоначально компаундный метод употребляли применительно к паровым двигателям. Компаунд-машины имели два цилиндра разных диаметров - высокого и низкого давления,- в которых последовательно сжимался пар. Это позволяло более эффективно использовать энергию пара и увеличивать мощность агрегатов. Вначале такие двигатели применялись только на судах и в промышленности.

Про компаундирование - уже применительно к двигателям внутреннего сгорания - вспомнили в 50-х годах. Цель применения турбонагнетателей любого типа - максимальное использование энергии отработавших газов и преобразование ее в механическую работу - может быть наилучшим образом достигнута с помощью турбокомпаунда. Согласно данному выше определению турбокомпаунд представляет собой комбинированный двигатель с подключенной рабочей турбиной, которая передает вырабатываемый крутящий момент через зубчатую передачу на силовой вал.

Измерения показали, на примере Scania благодаря турбокомпаунду сохранила 20% энергии отработавших газов. Тепловая энергия, которой обладали отработавшие газы, оказалась достаточной, чтобы ускорять силовую турбину до 55 тыс. об/мин. Такая частота вращения сначала снижалась зубчатой передачей, а затем через гидравлическое соединение синхронизировалась с частотой коленчатого вала. Силовая турбина в двигателе была соединена с коленчатым валом дизеля двумя рядами косозубых шестерен и промежуточной гидромуфтой. Многоступенчатость шестеренного привода объясняется тем, что частота вращения вала силовой турбины достигает 50-55 тыс. мин-1, а коленчатый вал вращается с частотой до 2 тыс. мин-1. Задачей гидромуфты является компенсация постоянного изменения оборотов двигателя и снижение крутильных колебаний. Пройдя через турбокомпрессор, отработавшие газы попадают на силовую турбину и, теряя очередные 100 °С температуры, раскручивают рабочее колесо. Так осуществляется дополнительная передача крутящего момента на коленчатый вал дизеля. Высокий КПД установки был достигнут также за счет использования первого нагнетателя. Этот нагнетатель имел на входе дополнительный воздушный клапан (рециркуляционный канал), который обеспечивал стабилизацию запорной и насосной областей, благодаря тому что воздух на насосной границе устремлялся со стороны давления к стороне впуска компрессора и на запорной границе впускное сечение входного устройства к колесу компрессора увеличивалось.

В ДВС, оснащенном турбокомпаундом, дополнительные потери теплоты с отработавшими газами, обусловленные уменьшением степени повышения давления при сгорании для снижения выбросов оксидов азота, частично возвращаются силовой турбиной коленчатому валу. Кроме того, дополнительное увеличение затрат на внутренние потери в двигателе, связанные с сопротивлением истечению отработавших газов через силовую турбину в зоне малых нагрузок и холостого хода, способствует активному снижению эмиссии несгоревших углеводородов и твердых частиц в отработавших газах на этих режимах работы двигателя.

Перспективным направлением развития рассматриваемых систем является электрический турбокомпаунд (ЕТС), в котором подключаемая силовая турбина заменяется электродвигателем. Однако это требует изменения конструкции самого турбонагнетателя; его турбина, как и раньше, должна работать за счет газов, отводимых от поршневой части двигателя, а на валу ротора должен быть установлен миниатюрный электрогенератор. Этот электрогенератор должен соединяться с электродвигателем (силовой турбиной), который может функционировать и как двигатель, и как генератор. Как двигатель он используется для привода коленчатого вала, а как генератор повышает мощность торможения двигателя тем, что избыточная энергия, поступающая от турбонагнетателя, с помощью размещенного на валу ротора малого электромотора подводится к электродвигателю, связанному с коленчатым валом. Такой вариант турбокомпаунда был запатентован в 1995 г. его испытания продолжаются.

Работа турбокомпаунда -- пример рециркуляции. Вместо того, чтобы просто «выбросить» отработанную энергию, турбина, расположенная за турбокомпрессором и приводимая в действие выхлопными газами, забирает у этих газов тепло.

Прежде чем говорить о столь неоднозначном средстве модернизации транспортного двигателя, как турбокомпаунд, необходимо вспомнить о некоторых принципиальных особенностях работы двигателей внутреннего сгорания. К их числу относится непонятное, с точки зрения теоретиков двигателестроения, свойство мотора работать под нагрузкой более эффективно, чем при ее отсутствии. Раз за разом, но практика эксплуатации транспортных двигателей неизменно демонстрирует, что при отсутствии нагрузки эффективность сгорания топливной смеси (а соответственно, и КПД мотора) резко снижается. Убедиться в этом несложно воочию. Стоит только обратить внимание на выхлоп у автомобиля при движении под гору или в режиме «торможение двигателем». И без специального оборудования в случаях какого-либо дополнительного «содействия» выполнению мотором работы видно, что полнота сгорания топлива явно страдает от недостатка нагрузки.

Надо сказать, что эта особенность транспортного двигателя вносит немалую сумятицу в стройные ряды положений теории двигателей. Причина тому - явное несовпадение имеющих на практике место фактов с основополагающим утверждением теории, гласящей, что процесс преобразования энергии при сгорании топлива в двигателе не зависит от условий выполнения работы.

Говоря иначе, по теории двигателей эффективность сгорания топливной смеси ни при каких условиях не может зависеть от сопротивления на валу двигателя. Практика же использования моторов показывает, что это абсолютно не так. Впрочем, это несовпадение ни в коей мере не влияет на приоритет учета требований теоретических положений о работе мотора при решении задач его модернизации или разработки новых конструкций.

Принцип главенства теории двигателей над практикой их эксплуатации при этом все же не в состоянии изменить сложное положение дел при разработке новых, альтернативных конструкций моторов. Из-за непокорности моторов в деле соответствия представлениям ученых об их работе при разработке перспективных гибридных конструкций моторов инженерам приходится использовать сложные технические решения там, где, казалось бы, достаточно использовать простые конструкцииВозвращаясь к турбокомпаунду, стоит отметить, что, не взирая на различие типов используемых источников энергии (для этого устройства используется тепловая энергия выхлопных газов вместо электрической энергии), его основная функция практически ничем не отличается от функции вспомогательного электрического агрегата в гибридных силовых установках. Так же, как и в гибридных моторах, турбокомпаунд призван увеличить мощность и крутящий момент поршневого двигателя, снизить расход топлива и выбросы вредных газов за счет передачи на вал двигателя дополнительного крутящего момента.

Дело в том, что в соответствии со всеми канонами принято считать, что принцип действия турбокомпаунда основан на преобразовании тепловой энергии отработавшего в цилиндрах двигателя выхлопа во вращательное движение вала турбины. Эффективность же турбокомпаунда, в соответствии с логикой этого определения, обусловливается передачей дополнительного крутящего момента от вращающегося вала турбины на вращающийся вал двигателя. Именно таким образом определяют турбокомпаунд все технические справочники и энциклопедии.

Именно так объясняют эффект его применения и конструкторы Scania - специалисты компании, которая интенсивно использует турбокомпаунд в конструкциях двигателей своего производства. По их мнению, вращая вал дополнительной турбины, выхлопные газы через соединенный с коленвалом вал этой турбины передают крутящий момент, чем и увеличивают эффективность работы мотора.

Как же все-таки работает турбокомпаунд? При сгорании топлива современный дизель преобразует в движение 44% от общего количества выделившейся тепловой энергии. Оставшаяся часть теряется вместе с отработавшими газами (примерно 35%) и уходит в систему охлаждения (21%). Температура отработавших газов на выходе из камеры сгорания составляет порядка 700°С. В моторе с турбонаддувом после прохождения через турбокомпрессор эта температура падает до 600°С. Потеря 100°С означает, что часть энергии ушла на вращение турбины.

Инженеры решили использовать потенциал этого уже отработавшего, но все еще горячего выхлопа. С этой целью они разместили после традиционного турбонагнетателя еще одну турбину - силовую. Она соединена с коленчатым валом дизеля двумя рядами прямозубых шестерен и промежуточной гидромуфтой. Необходимость многоступенчатой конструкции шестеренного привода понятна. Турбина ежеминутно делает 50 тыс. оборотов, а коленвал вращается с частотой до 2 000 об/мин. Что касается гидромуфты, то инженеры увидели ее назначение в компенсации постоянного изменения оборотов двигателя и снижении крутильных колебаний. Пройдя через турбокомпрессор, отработавшие газы попадают на силовую турбину и, теряя очередные 100°С температуры, раскручивают рабочее колесо. По заверениям специалистов Scania, именно это движение вала силовой турбины и обеспечивает передачу дополнительного крутящего момента на вал двигателя. После того, как высокие обороты дополнительной силовой турбины понижаются шестернями привода, полученный высокий крутящий момент увеличивает мощность двигателя за счет того, что ранее просто-напросто вылетало в трубу.

Если учесть, что при снижении оборотов вала двигателя объем отработавших газов также снижается (а это видно по резкому снижению противодавления в выпускной системе), то, соответственно, при уменьшении подачи топлива и снижении оборотов вала двигателя угловая скорость вала силовой турбины также интенсивно снижается. Падают обороты двигателя, падает производительность силовой турбины, соответственно, нет дополнительного крутящего момента от вала силовой турбины. Слишком мало выхлопа производит двигатель при работе на малых и средних оборотах для того, чтобы силовая турбина могла увеличить момент, развиваемый двигателем.

Выводы при таком рассмотрении работы турбокомпаунда, на первый взгляд, кажутся парадоксальными. Известно, что на практике его применение обеспечивает положительный эффект.

Давайте вспомним, что происходит с двигателем, когда нагрузка растет интенсивнее, чем угловая скорость вала. Из практики известно, что в этом случае возрастает (вплоть до детонации) жесткость сгорания топливной смеси. Рост жесткости сгорания свидетельствует об увеличении скорости горения топлива и… росте количества получаемой при сгорании энергии. Вот он, тот самый потенциал, использование которого позволяет увеличить эффективность работы двигателя без увеличения расхода топливной смеси. А для того чтобы эффективно управлять этим процессом, знать и учитывать роль фактора нагрузки просто необходимо. Но именно это и не пускает в практику теория двигателей.

Как Scania добилась от турбокомпаунда эффективной работы после первых неудач 1991 года? Очень просто. Путем разработки более совершенной системой впрыска HPI (High Pressure Injection).

Суть работы новых насос-форсунок заключается в том, что управление впрыском в этой системе осуществляют посредством контроля за количеством дизельного топлива, подаваемого в управляющий канал. Чем больше топлива под давлением 18 бар поступит в насос-форсунку по управляющему каналу, тем раньше начнется впрыск солярки в камеру сгорания под давлением 1500 бар. В конструкции насос-форсунки сохраняется традиционный плунжер, приводимый от кулачкового вала, а "общее руководство" топливной аппаратурой осуществляет компьютер EDC (Electronic Diesel Control). Таким образом, новая система впрыска позволяет избежать ситуации, когда увеличение жесткости сгорания топлива и рост количества выделяющейся при этом энергии заканчивается детонацией и неполным сгоранием топлива.

Для перспектив развития направления большее значение имеет то, что турбокомпаунд уже нашел себе применение. Пусть теоретики себе спорят. Для практиков все уже давно решено. Тем не менее именно от того, какое объяснение принципов работы турбокомпаунда будет принято, зависит и перспектива развития управления двигателем через контроль над нагрузкой.

В заключение можно отметить, что введение в конструкцию судового и не только дизеля силовой турбины позволяет обеспечить высокую топливную экономичность при низкой шумности и малых выбросах токсичных компонентов с отработавшими газами, а также создает предпосылки для дальнейшего форсирования двигателя по среднему эффективному давлению. Если КПД дизеля с турбонаддувом - 40%, то турбокомпаунд позволил увеличить этот показатель до 46%. Возможности оптимизировать систему двигательнагнетатель с целью повышения ее энергетической эффективности и экологической безопасности далеко не исчерпаны, работы в этом направлении необходимо продолжать.

1. Седельников Г.Д. Энергосберегающие системы малооборотных дизелей. - Владивосток: Дальнаука, 2003. - 230 с.

2. Курзон А.Г., Седельников Г.Д. Оптимизация параметров и схем утилизации теплоты дизельных установок Двигателестроение. - 1991. -№10-11.-С. 15-19.

3. Курзон А.Г., Седельников Г.Д. Оценка эффективности различных схем утилизации теплоты уходящих газов в судовых дизельных установках Судостроение. - 1995. - С. 9-12.

4. Седельников Г.Д., Попов А.Ю. Характеристики энергосберегающих систем на режимах долевой мощности малооборотного дизеля Двигателестроение. - 2002. - № 1. - С. 26-28.

Материалы: http://studbooks.net/2436358/tehnika/sistemy_turbokompaunda

3 ≫

Турбокомпаунд позволяет получить дополнительную мощность, преобразуя «теряемую» энергию

Вторая турбина (турбина турбокомпаунда) вращается со скоростью 55000 об/мин. Это движение передается через турбинные шестерни и гидравлическую муфту, а затем через шестерни газораспределительного механизма на коленчатый вал. Передача вращения на них создает полезную прибавку крутящего момента, что отражается и на изменении крутящего момента на маховике. Такая дополнительная тяга возникает без увеличения расхода топлива.

Зеленая зона шкалы тахометра показывает широкий диапазон экономичных скоростей вращения двигателя, что существенно облегчает работу водителя. Двигатель демонстрирует отличную приспособляемость к различным режимам работы. Вращение коленчатого вала дополняется постоянной передачей усилия от турбокомпаунда, что способствует сглаживанию пульсации нагрузки, вызываемой периодическими тактами сгорания в цилиндрах. Благодаря этому двигатель работает мягче.

Схема работы турбокомпаунда

1. Выхлопные газы поступают из выпускного коллектора двигателя при температуре, близкой к 700° С.

4. Вращательное движние турбины передается через несколько понижающих передаточных устройств — механические передачи и гидравлическую муфту. Гидравлическая муфта согласовывает различные частоты вращения маховика и турбины турбокомпаунда.

5. К моменту передачи вращательного движения на маховик, частота вращения снижается примерно до 1900 об/мин.

6. Вращательный момент на маховике увеличивается, и вращение маховика становится более устойчивым и плавным.

Еще статьи по теме Краш тесты автомобилей. Рейтинг надежности автомобилей кратко. Десятки тысяч людей гибнут ных авариях ежегодно по официальной статистике. В реальности эта цифра горазбольше. Меры, направленные на усовершенствование транспортных средстплане безопасности позволяют снизить количество смертельных исходов, но этого часто бывает недостаточно. Краш тесты автомобилей.

АВТОМОБИЛЬ , транспортная безрельсовая машина главным образом на колесном ходу, приводимая движение собственным двигателем внутреннего сгорания, электрическим или паровым. Первый А. с паровым двигателем построен Ж. Кюньо Франция 1769-70, с двигателем внутреннего сгорания Г. Даймлером, К. Бенцем. Словарь автомобильных

Еще статьи по теме Словарь автомобильных сокращений кратко. Словарь ных сокращений 4WD 4 Wheel Drive - с четырьмя ведущими колесами. Обозначаются автомобили, у которых привод всех четырех колес включается вручную водителем. 4WS 4 Wheel Steering - с четырьмя управляемыми колесами ABC Active Body Control - активный контроль кузова. Система. Словарь автомобильных

Еще статьи по теме Автомобильный словарь джипера кратко. Автомобильный словарь джипера. Все что нужно знать настоящему поклонику внедорожных автомобилей и джипов. Air-jack, Аэрджек - пневматический домкрат мешок ATV - All Terrain Vechicle, Квадроцикл Транспортное средство для езды по бездорожью: мотовездеход AWD, 4WD, Allroad, 4x4 Различные системы полного привода. Автомобильный словарь

Статья Принцип действия турбокомпаунда и Англо русский

Еще статьи по теме Англо русский автомобильный словарь кратко. A accelerator - акселератор, педаль "газа" aerial - антенна air-bag - [надувная] подушка безопасности air conditioner - кондиционер air duct - воздуховод air mass meter - датчик количества воздуха air vent - вентиляция отверстие alloy wheels - легкосплавные диски alternator - генератор antenna = aerial arch - дуга безопасности у автомобилей с. Англо русский автомобильный

Статья Принцип действия турбокомпаунда и Регулировка

Еще статьи по теме Регулировка клапанов двигателя кратко. В двигателе что-то застучало, мощность падает. А бывает, что вообще "выстрелит" глушителя или карбюратор начнет чихать. Кажется, что скоро развалится. Скорее автосервис. Нет, подождите, может мы и сами можем что-нибудь сделать? Скорее всего, да! Перечисленные выше признаки. Регулировка клапанов

Статья Принцип действия турбокомпаунда и Неисправности

Еще статьи по теме Неисправности системы смазки двигателя кратко. О том, что неисправности системе смазки двигателя очень опасны для вашего и вас частности, я думаю, вы и сами прекрасно знаете. А вот о том, что могло поломаться и как с этим справиться и пойдет разговор. Итак, начнем с неисправностей масляного насоса, который часто становится. Неисправности системы смазки

Статья Принцип действия турбокомпаунда и Почему двигатель

Еще статьи по теме Почему двигатель «троит» кратко. «Не работает один цилиндров…» , - данная неисправность не относится к разряду слишком уж частых, но все-таки случается и иногда вызывает некоторые затруднения с ее диагностикой. Данное явление получило название «миссинг» «missing» , что «вольно-техническом» переводе может означать тоже самое, что. Почему двигатель

Статья Принцип действия турбокомпаунда и Заправка

Еще статьи по теме Заправка кондиционера автомобиля кратко. Все кондиционеры работают по одному и тому же принципу: закрытую систему добавляется газ, например, фреон, который сжимается с помощью компрессора. Под давлением газ забирает тепло окружающей среды и нагревается, затем горячий газ направляется по трубочкам, прохождении которых он отдает. Заправка кондиционера

Статья Принцип действия турбокомпаунда и Присадки для

Еще статьи по теме Присадки для двигателя автомобиля кратко. В настоящее время практически каждом авто магазине среди прочего ассортимента вы можете найти и чусредство для вашего , называемое присадкой для двигателя. Присадки для двигателя это, как правило, вещество по типу смазки, которое обычно добавляется моторное масло для достижения. Присадки для двигателя

Статья Принцип действия турбокомпаунда и Каким должен быть

Еще статьи по теме Каким должен быть антифриз по цвету кратко. Вы постоянно подливали антифрсистему, но вот пришло время заменить антифрполностью. Казалось бы, все просто покупаешь антифрмагазине автотоварои заливаешь систему. Сегодня магазины предлагают большой выбор антифризопрактически всех цветорадуги. Есть и красные, желтые, синие. Каким должен быть антифриз по