Турбокомпаундный двигатель – принцип работы и устройство

Большое распространение получили турбокомпаундные двигатели большой размерности. Сначала корабельные, а затем и авиационные моторы (например, на самолетах «Boeing B-29» и «Douglas DC-7»).

Однако турбокомпаундный силовой агрегат дает экономию топлива, а также имеет лучшие показатели надежности и долговечности в сравнении с классическим поршневым двигателем. Если коэффициент полезного действия (КПД) бензинового двигателя составляет около 30 – 35 %, а дизеля с турбонаддувом – 40 %, то КПД турбокомпаундного мотора может достигать 46 %. Экономичность, надежность и долговечность играют важную роль для коммерческого автотранспорта, поэтому с начала 90-х годов XX века начались попытки внедрения силовой турбины в дизельный двигатель на грузовиках.

Устройство и принцип работы

Турбокомпаунд преобразует энергию, которая в противном случае и ушла бы в атмосферу, в работу за счет силовой турбины, приводимой в действие выхлопными газами. Это типичный пример утилизации остаточной энергии отработавших газов.

Турбокомпаундный двигатель – это частный случай компаундного двигателя. В последнем дополнительная работа извлекается при расширении отработавших газов в цилиндре низкого давления.

Как правило, современный дизель уже включает две турбины. Это газовая и компрессорная (по сути, центробежный компрессор) турбины турбонаддува посаженные на один вал. При компаундировании двигателя добавляется третья – силовая турбина (компаунда). Она также вращается отработавшими газами со скоростью до 55000 об/мин. Чтобы передать такое быстрое вращательное движение на коленчатый вал, создавав тем самым полезную прибавку крутящего момента, необходимо уменьшить скорость вращения до примерно 2000 об/мин за счет шестерней и гидромуфты. Гидравлическая муфта не увеличивает передаваемый момент, но ее пробуксовка позволяет плавно согласовать различные частоты вращения (при их резком изменении) маховика и силовой турбины.

Рассмотрим, как работает турбокомпаундный двигатель:

1. Выхлопные газы с температурой 600 – 700 °C поступают в газовую турбину наддува, раскручивая её до 55000 – 100000 об/мин.
2. Газовая турбина через вал передает вращение на центробежный компрессор туробонаддува, который нагнетает воздух во впускной трубопровод для приготовления горючей смеси.
3. Выхлопные газы покидают турбонаддув, потеряв там около 100 °C.
4. Отработавшие газы, сохраняя высокую температуру, поступают в силовую турбину турбокомпаунда, раскручивая её примерно до 55000 об/мин.
5. Вращение силовой турбины передается через понижающую передачу и гидравлическую муфту на коленчатый вал и маховик двигателя.
6. Температура газов на выходе из турбокомпаунда также снижается примерно на 100 °C. Выхлопные газы отводятся через выпускную систему.

Турбокомпаундный дизель

Но автомобилях турбокомпаунд появился в 1991 году, когда фирма «Scania» представила автомобильный шестицилиндровый дизель «DTC11», оснащенный силовой турбиной. Данный двигатель имел рабочий объем 11 литров и развивал мощность 400 л. с. Также он был на пару сотен килограммов легче 14-литровой «восьмерки» аналогичной мощности без турбокомпаунда.

Инженеры «Scania» предвещали этому мотору прекрасное будущее, но как оказалось двигатель «DTC11» работал слишком «жестко». Кроме того, он показал недостаточную топливную экономичность. В результате спрос на данный двигатель был недостаточным (выпущено всего 1500 шт.), поэтому его производство было свернуто.

Эта неудача привела к тому, что появления нового шведского шестицилиндрового турбокомпаундного двигателя «Scania DT 12 02» затянулось. Чтобы снова не потерпеть провал, «Scania» в 1998 году запустила в опытную эксплуатацию 25 грузовиков с турбокомпаундом. Отзывы водителей – самые хорошие. Новый мотор работает очень тихо, а также экономичность на высоком уровне.

Максимальная мощность «Scania DT 12 02» достигает 470 л. с. при рабочем объеме 12 л, что на 50 сил больше, чем у аналога без турбокомпаунда. Но силовая турбина – только одна особенность нового мотора. Второе новшество – это необычные насос-форсунки HPI (High Pressure Injection), созданные в сотрудничестве с фирмой «Cummins». В насос-форсунах HPI управление впрыском осуществляется гидравлически, с помощью самого топлива. Чем больше дизельного топлива под давлением 18 атмосфер поступит в насос-форсунку по управляющему каналу, тем раньше начнется впрыск (его давление – 1500 атмосфер, а в будущем – до 2400). Также «Scania» разработала новый электронный блок управления двигателем.

Преимущества и недостатки

• рост эффективного КПД двигателя, а, следовательно, низкий удельный расход топлива;
• вращение коленчатого вала дополняется постоянной передачей усилия от силовой турбины, что сглаживает пульсацию нагрузки, вызванную периодическими тактами сгорания в цилиндрах;
• разгрузка поршневой части двигателя приводит к улучшению показателей надежности и долговечности.

• усложнение конструкции;
• усложнение обслуживания;
• как следствие, увеличение стоимости.

Адиабатный двигатель – трудности создания, пути реализации, пример конструкции.

«Ford Focus Electric» практически не отличить от бензиновой версии. Одно незначительное (но чертовски крутое) изменение в кузове «Focus» — это голубой индикатор, который окружает заправочную дверцу на левой стороне.

Танковый двухтактный дизель 5ТДФ - тот же компаунд, правда без муфт и электроники

Источники: http://icarbio.ru/articles/turbokompaundnyj-dvigatel.html

Те изобретения, вещи и товары, которые изготавливают в Швеции, в основном называют: «сделанными с умом и качественно». Это относится и к шведским дизельным моторам, которые изготавливают специально для машин, основным предназначением которых являются грузоперевозки. Такие двигатели невероятно совершенны, очень надежны и долговечны. Шведские инженеры стали одними из первых конструкторов, которые решили попробовать поставить на дизельный двигатель грузового автомобиля турбонаддув. Это было новейшее решение в конструкции двигателей, в 1961 году на двигателе DS 10 турбонаддув останавливался фирмой Scania.

Почти через сорок лет, в 1990 году фирма Scania выпустила еще один революционный вид двигателя – дизельный двигатель DTS-11 01, оснащенный турбокомпаундом. Рабочий объем этого мощного двигателя составлял 11 литров, и он почти достигал 400 лошадиных сил. Но в двигателе было не все так положительно, в начале выпуска из-за непроработанной и не отрегулированной системы впрыска топлива, работа двигателя проходила не очень хорошо. За пять лет выпуска, было изготовлено около 1500 таких образцов дизельного двигателя.

Второе действо модернизации дизельный двигатель с турбокомпаундом претерпел в 2001 году. В выпуск пошел новый дизельный, двенадцатицилиндровый двигатель DT -12 02. Его сделали на основе обыкновенного турбо-дизельного двигателя, прибавив 50 лошадиных сил мощности и получив 470 лошадиных сил.

Новый образец двигателя порадовал автопроизводителей. В 2002 году двигатель, оснащенный турбокомпаундом, был установлен на грузовики фирмы Volvo. Такой двигатель получил название D12D и его мощность достигала 500 лошадиных сил – это на 40 лошадиных сил больше, чем имелось у обычного турбо-дизельного двигателя D12C.

У фирмы Scania в наличии имеется большой выбор двигателей разных мощностей, в диапазоне от 220 до 580 сил, объемами 9, 11, 12 и 16 литров. Некоторые 12 литровые двигатели с мощностью 440 и 470 лошадиных сил изготавливаются турбокомпаундными и устанавливаются на грузовики по пожеланиям клиента.

Турбокомпаундные двигатели будут существовать еще много времени, но вместе с ними прогресс не стоит на месте и проектируются еще многие другие типы двигателей.

Принцип работы турбокомпаунда

В дизельном движке, оборудованном турбокомпаундом, топливо во время сгорания выделяет энергию. Энергия выделяется в тепловом виде. Но далеко не всё количество энергии задействовано для совершения вращения коленчатого вала, а всего 44 процента. Около 21 процента энергии «съедает» система охлаждения. А остальные 35 процентов энергии, вместе с отработанными газами вылетают в виде выхлопа. Когда отработавшие свое газы выходят из камеры сгорания двигателя, то их температура приближена к отметке около 700 градусов по Цельсию. Дальше газы проходят через турбину компрессора и их температура равна приблизительно 600 градусов. Т.е, какое-то количество энергии ушло на приведение в рабочее состояние турбины. Но все-таки в газах энергия еще есть. Чтобы использовать этот остаток, нужно на пути газа сделать еще одну турбину, а от турбины создать привод, который приводит в действие коленвал. На выходе из дополнительной турбины температура понижается до 490 градусов по Цельсию. В это время у двигателя повышается мощность и крутящий момент.

Схема принципа действия турбокомпаунда

Первый этап: выхлопные газы, идущие их выпускного коллектора, приходят в систему. В это время температура газов приблизительно равна 700 градусам.

Второй этап: выхлопные газы задействуются для привода обычного турбокомпрессора. В обычном компрессоре энергия – повышает эффективность горения топлива, тем самым увеличивая мощность и крутящий момент в двигателе. Далее выхлопные газы отправляются в блок турбокомпаунда. А в обычном двигателе они бы потратились впустую.

Третий этап: во время входа в турбокомпаундный блок, газы имеют температуру около 600 градусов. Энергия газов разгоняет вторую турбину до оборотов, примерно равных 55000 в минуту. Во время выхода газов из турбины, температура составляет около 500 градусов. После этих действий газы уходят через стандартную систему выпуска.

Четвертый этап: вращательное движение турбины передается с помощью пары понижающих, передаточных устройств. Эти устройства – это гидравлическая муфта и механические передачи. Муфта является согласующим элементом между частотами вращения турбину компаунда и маховика.

Пятый этап: во время передачи движения турбины маховику, частота вращения турбины снижается приблизительно до 1900 оборотов в минуту.

Шестой этап: на маховике повышается вращательный момент, и его работа становится плавной и устойчивой.

Источники: http://www.autoshcool.ru/4232-turbokompaund-istoriya-sozdaniya-i-princip-deystviya.html

Двигатель, в котором источником движущей энергии является не только сам ДВС (двигатель внутреннего сгорания), а если точнее, то его цилиндропоршневая группа, но и особая силовая группа называется турбокомпаунд. Эта система получила достаточное распространение и встречается очень часто.

Наиболее широкое применение турбокомпаунд нашел в моторах большого объема. Применение этой системы позволяет:

• Уменьшить нагрузку на КШМ (кривошипно-шатунный механизм).
• Увеличить экономично почти любого автомобиля.

Целесообразность применения этой технологии в данный момент проявляется к любому мотору.

Для лучшего пониманию сути и назначения этой системы нужно понимать, что ДВС крайне далек от совершенства. Как известно, в цилиндре сгорает топливная смесь. От ее сгорания лишь до 45% превращаются во вращательное движение коленчатого вала. Еще 25% этой энергии уходят при тепловых потерях, то есть они нагревают блок двигателя, а еще около 30 – 40 % вовсе просто теряются с выхлопными газами. Установив турбокомпаунд часть потерь с выхлопными газами удается уменьшить и направить их на выработку энергии.

Как известно всем автолюбителям – после сгорания топливной смеси отработавшие газы через выпускной клапан покидают цилиндр и попадают в выпускной коллектор, откуда уходят по выхлопной системе. Турбокомпаунд появляется на их пути и часть газов отлавливаются. Газы поступают в турбокомпрессор и вращают его крыльчатку.

Казалось бы, все просто, но здесь два турбокомпрессора, а не один и турбокомпаунд все же необычное твин турбо. Весь интерес заключается в том, что пойманные газы вращают первую турбину, и она работает на подачу воздуха в цилиндры. А далее газы идут во вторую турбину, которая не создает воздушное давление, а передает свое вращательное движение через привод коленчатому валу. Далее, мы разберемся поэтапно и более подробно на примере обычного дизельного двигателя.

На первом этапе выходящие из выпускного коллектора газы, разогретые до 700 градусов, попадают в турбокомпаунд. На втором этапе выхлопные газы заставляют работать обычный турбокомпрессор. Эта турбина работает на повышение качественности сгорания топливной смеси и создания давления для подачи воздуха в цилиндр.

Тем самым двигатель начинает работать ровнее и повышается его мощность. Далее, газы следуют в непосредственно то, что можно назвать турбокомпаунд.

На входе газы имеют немного под остывший вид – около 600 градусов. Энергия газов немного уменьшилась за счет затрат на первую турбину, но все же крыльчатка второй раскручивается до 50 тысяч оборотов в минуту. Здесь газы еще немного остывают и выходят через стандартную систему выпуска. Четвертый этап турбокомпаунд знаменует себя подачей вращательного движения через передаточные устройства коленчатому валу. В качестве передаточных устройств могут применяться различные муфты и или обычный ремень, или цепь. Передавать напрямую нельзя. Это приведет к не стабильной работе мотора, так как обороты коленчатого вала и крыльчатки турбины сильно различаются. При получении маховиком коленчатого вала энергии вращения от турбины замечается более мягкая работа мотора.

Турбокомпаунд также имеет незначительные недостатки. Ими являются более сложная конструкция и усложнение технического обслуживания всего двигателя. Турбокомпаунд также влияет и на цену автомобиля, но чаще всего его можно встретить на большегрузных тягачах, которые и так стоят много. В общем, же это система отличный способ значительно поднят коэффициент полезного действия мотора.

Похожие темы

Всегда будьте в курсе наших новостей

Подпишись на ежедневную рассылку лучших новостей

Подписка бесплатна для любых мобильных абонентов Вы можете отказаться от рассылки в любой момент

Размещенная на сайте информация является собственностью администрации сайта и охраняется законом об авторском праве. Копирование информации возможно только при размещении активной гиперссылкой на страницу-источник.

Источники: http://autodont.ru/inlet-system/turbonadduv/turbokompaunda