Турбокомпаундный двигатель – Правда о турбокомпаунде » autoExpert. Aftermarket Business Platform. Опорная точка для увеличения продаж в бизнесе автокомпонентов.

Турбокомпаундный двигатель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Турбокомпаундный двигатель (ТКД) — двигатель внутреннего сгорания, в котором мощность вырабатывается не только в цилиндро-поршневой группе, но и в силовой турбине. Возможны различные схемы расположения силовой турбины в силовой установке.

Наиболее широкое применение получили турбокомпаундные двигатели большой размерности. Целесообразно турбокомпаундирование и в других типах двигателей. Применение силовой турбины в двигателях автотракторного типа позволяет повысить топливную экономичность, разгрузить поршневую часть двигателя, а, следовательно, приводит к улучшению показателей надежности и долговечности.

• Елизева Е. В. Повышение топливной экономичности быстроходного двигателя за счет утилизации энергии отработавших газов в силовой турбине.,Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук, — Харьков, ХИИТ, 1993, 17 с.
• Симсон А. Э., Петросянц В. А.,Елизева Е. В. Оптимизация турбокомпрессора и силовой турбины турбокомпаундного двигателя,Харків, ХИИТ, 1993, 9 с., — Деп. в УКРИНТЭМ, № 461.
• Надтока Е. В., Акснова Н. А., Оробинский А. В.,Дунай Л. М. Применение силовой турбины на дизельных двигателях автотракторного типа.,Матеріали ІІ міжнародної науково — практичної конференції «Сучасні наукові дослідження — 2006», т.15 Технічні науки, Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2006, с. 35-37.

Турбокомпаундный двигатель – принцип работы и устройство

Автор: Владимир Егоров
Источник: icarbio.ru
16367 2

Турбокомпаундный двигатель (ТКД)

Двигатель внутреннего сгорания, в котором работа газов происходит не только в цилиндро-поршневой группе, но и в силовой турбине, связанной с коленчатым валом.

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.

Устройство турбокомпаундного двигателя «Scania»

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.

Схема работы турбокомпаундного двигателя

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

Плюсы:

• 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.

Минусы:

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

Опубликовано 02.04.2014

Читайте также

• Снижение аэродинамического сопротивления автомобиля

  Наибольшую долю в сопротивлении движению легкового автомобиля по горизонтальному участку дороги с высокой скоростью составляет аэродинамическое сопротивление. Снижение этого сопротивления оказывает значительное влияние на уменьшение расхода топлива.

• Электрическая трансмиссия

  Электрическая трансмиссия представляет собой дизель-генераторную силовую установку и тяговые электродвигатели с одноступенчатой или двухступенчатой планетарной передачей в ступицах колес.

Комментарии

Турбокомпаунд, что это такое и принцип его работы

Для многих людей слово турбокомпаунд не только тяжело произнести, но оно еще и ассоциируется с чем-то загадочны и не понятным.

Даже люди, которые считают себя технически грамотными и подкованными в вопросах последних технических новшеств не могут с ходу дать определение слову турбокомпаунд, хотя впервые оно появилось в терминологии еще в далеком 1990 году.

Впервые турбокомпаунд был применен на дизельном двигателе DTS 11 01 разработанным шведской компанией Scania в 1990 году, а вот с какой целью было применено это техническое новшество мы и поговорим далее.

Назначение

Целью создания данного технического новшества являлось, является и сейчас, повышение мощностных и эксплуатационных характеристик дизельных двигателей.

Принцип работы

Принцип работы турбокомпаунда основан на использовании энергии отработанных газов, что позволило увеличивать мощность двигателей буквально из ниоткуда.

Давно известно, что энергия, которая выделяется при сгорании топлива в двигателе, используется не полностью.

В каждом двигателе процентные показатели использования энергии разные, но в среднем они такие:

1. Энергия, которая преобразуется из тепловой в механическую (полезную) – 40 – 45%;
2. Тепловая энергия, которая уходит на нагревание деталей двигателя – 20 – 25%;
3. Тепловая энергия, которая уходит вмести с выхлопными газами – 30 – 40%.

С тепловой энергией, которая уходит на нагрев двигателя, мы ничего сделать не можем, с ней «борется» специально созданная система охлаждения.

А вот использовать 30 – 40% энергии, которая уходи с выхлопными газами, вполне возможно и ученные это уже доказали.

Первый этап использования энергии

Энергия выхлопных газов для повышения мощности дизельных двигателей впервые была использована в 1961 году на двигателе DS10 от уже известной фирмы Scania, где впервые был установлен турбокомпрессор.

Многим известно, что турбокомпрессор предназначен для нагнетания под давлением воздуха в цилиндры двигателя, чем обеспечивается качественное сгорание топлива и соответственно повышается мощность двигателя. Нагнетание воздуха происходит за счет использования энергии отработанных газов.

Но эта энергия используется не полностью.

Если взять усредненные показатели, то выхлопные газы покидают цилиндры двигателя имея температуру 650 – 750 градусов.

Пройдя через турбину компрессора их температура снижается приблизительно до 550 – 650 градусов, значит теряется около 100 градусов, т.е. из 40% энергии используется приблизительно 15%, а остальные 25% уходят в выхлопную трубу.

Второй этап использования энергии

Для использования оставшейся энергии был разработан специальный турбокомпаундный блок, благодаря которому энергия отработанных газов преобразуется в механическую энергию и через специальный привод передается на колен вал двигателя повышая его мощность.

Из турбины турбокомпаундного блока отработанные газы уже выходят с температурой в 480 – 500 градусов.

Как все работает

1. После сгорания топлива выхлопные газы покидают цилиндры двигателя через выхлопной коллектор с температурой в диапазоне 650 — 750 градусов.
2. На первом этапе выхлопные газы вращают лопасти турбокомпрессора, про то, что при этом происходит мы писали выше.
3. Покинув турбокомпрессор выхлопные газы через тормоз двигателя (так называемый горный тормоз) попадают в специальную силовую турбину, которая работает на скорости в 55 тыс. об. в минуту.
4. Полученный вращательный момент через гидромуфту и систему понижающих редукторов поступает на коленвал двигателя, оттуда на маховик и коробку передач с частотой до 1900 – 2000 об в минуту.
5. И только тогда выхлопные газы уходят в атмосферу.

Роль гидромуфты очень важна, так как благодаря ей происходи сглаживание изменение частот турбины турбокомпаунда и маховика.

Практическое применение

Компания Scania нашла широкое применение для турбокомпаунда в разрабатываемых ей дизельных двигателях для грузовых автомобилей.

Для примера можно взять дизельный двигатель DT 12 02, разработанный компанией в 2001 году и имеющей 12 цилиндров.

Если раньше, работая как обычный турбо дизель DT 12 02 развивал мощность 420 л.с., то после внедрения турбокомпаундого блока его мощность возросла до 470 л.с.

Турбокомпаундый блок может устанавливаться практически на любые дизельные двигателя для грузовых автомобилей от компании Scania, было бы желание заказчика.

Чтобы было понятно, благодаря внедрению турбокомпаунда было достигнуто:

1. Повышение мощности двигателя при не относительно не высоких частотах вращения коленвала двигателя;
2. Экономия топлива;
3. Устойчивость работы двигателя при резких перепадах в режимах работы автомобиля;
4. Мягкая, без рывковая работа двигателя, что достигается постоянной передачи дополнительной мощности от турбокомпаунда к коленвалу, благодаря чему выравнивается пульсация нагрузок.
5. Более комфортное вождение автомобиля, на котором установлен турбокомпаунд.

Технологии не стоят на месте. Стремление увеличения эксплуатационных качеств двигателей за счет его скрытых возможностей является перспективным направлением для многих автомобильных компаний и пример с турбокомпаундом, который реализовала компания Scania, является хорошим примером для подражания.

Оцените статью

Правда о турбокомпаунде | Усть-Каменогорск «Автомобильный»

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 конструкции. Насколько велики эти вынужденные усложнения можно увидеть на примере гибридной силовой установки автомобиля Toyota Prius. Здесь вместо простого последовательного расположения теплового и электрического моторов на одном валу использована схема параллельного подсоединения этих двигателей к общему валу. Более того, для обеспечения эффективности совместной работы электрического и теплового моторов в конструкцию введен сложный планетарный механизм с электронным управлением, через который крутящий момент и передается от моторов на общий вал. Эта сложность обусловлена именно тем, чего не «видит» теория двигателей. В случае с Toyota Prius именно электронное управление планетарным механизмом позволяет решить задачу обеспечения оптимальной нагрузки на тепловой мотор при совместной работе с электрическим. Планетарный механизм в данном случае «раздает» нагрузку от выполнения работы так, чтобы ни при каких условиях тепловой двигатель не оказался разгружен. Без планетарного механизма крутящий момент электрического двигателя при совместной работе обоих агрегатов неизбежно лишал бы тепловой мотор нагрузки, что приводило бы к снижению эффективности сгорания топливной смеси и снижению его КПД. То есть, к получению эффекта, обратного запланированному.

Возвращаясь 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.

Здесь и начинается самое интересное. 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 моторов грузовых автомобилей 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.

Что же это, в итоге, получается? Целесообразность работы инженеров Toyota Prius в проекте Prius, столкнувшихся с негативными последствиями прямой передачи дополнительного крутящего момента на вал теплового мотора и вынужденных значительно усложнить конструкцию силовой гибридной установки, действиями их коллег из Scania поставлена под сомнение. Что ж было огород городить с распределением нагрузки через сложный планетарный механизм, если и по теории, да и по результатам пояснений Scania ясно, что прямая передача дополнительного крутящего момента на вал двигателя и без того обеспечивает увеличение эффективности работы мотора? Неужели хваленые специалисты Toyota так жестоко ошиблись в проекте по гибридизации, с которым часто связывают перспективы развития транспортного двигателестроения? Да и чему теперь верить: практике и своим глазам, когда подтверждается факт ухудшения эффективности работы мотора при снижении нагрузки. Или теории двигателей и инженерам Scania, которые на примере турбокомпаунда показывают, что снижение нагрузки на двигатель все-таки дает положительный эффект?

Для того чтобы понять, кто в сложившейся ситуации прав, а кто заблуждается и в чем действительные перспективы развития транспортного двигателестроения, необходимо внимательно разобраться с турбокомпаундом и принципами его работы. Само собой, раз уж различие взглядов столь явно выражено в подходах именно специалистов Scania, то сделать это целесообразно на примере турбокомпаундного мотора этой компании.

Как же все-таки работает турбокомпаунд на моторе Scania? 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 Scania 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 Scania 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. Из объяснений разработчиков Scania следует, что 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.

Все было бы хорошо и, возможно, справедливость теории двигателей, благодаря стараниям разработчиков турбокомпаунда Scania, получила бы подтверждения вопреки фактам. Если бы только не одно «но». Дело в том, что даже из описания компании-разработчика следует то, что турбокомпаунд никоим образом не может, просто не в состоянии обеспечить увеличение крутящего момента на валу двигателя за счет энергии выхлопных газов. При том, что сама система результативна, увеличение эффективности работы мотора обеспечивается вовсе не за счет того, что силовая турбина вырабатывает дополнительный крутящий момент. Судите сами. Максимальные обороты силовой турбины составляют 50 тыс. оборотов в минуту при работе мотора также с максимальными 2000 оборотами в минуту. При этих условиях передача крутящего момента от вала силовой турбины полностью исключена в связи с тем, что ведущая полумуфта гидромуфты вращается с той же угловой скоростью, что и ведомая. Ведь разница угловых скоростей полумуфт отсутствует. Соответственно, дополнительному крутящему моменту, предназначенному для оказания «помощи» вращению коленвала, взяться просто-напросто неоткуда. В режиме работы двигателя с максимальными оборотами все, что может сделать турбокомпаунд — это обеспечить ту же скорость вращения ведущей полумуфты в гидромуфте, что и у ведомой. Иначе говоря, при максимальных оборотах турбокомпаунд вообще не передает крутящий момент.

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. Сравнивая параметры нового турбокомпаундного дизеля DT12 02 с «просто турбонаддувным» 420-сильным дизелем DС12 01, видно, что номинальная мощность выросла на 12%, а максимальный крутящий момент — на 10% при одинаковом минимальном удельном расходе топлива — 192 г/кВт.ч. И в то же время устройство турбокомпаунда, следуя нашей логике описания его работы, просто физически не в состоянии обеспечить эти улучшения. Как же такое может быть? Ведь турбокомпаунд не только не разгружает, но и, наоборот, увеличивает нагрузку на двигатель! И если производительности наддува силовой турбины недостаточно, то источником энергии для вращения автоматически становится коленвал двигателя. Мотор таким образом догружается. И при этом, благодаря наддуву, нагрузка на двигатель увеличивается достаточно плавно по мере… снижения оборотов коленвала. В этом все и дело. Именно так и никак иначе можно на самом деле пояснить эффективность работы турбокомпаундного дизеля.

Давайте вспомним, что происходит с мотором, 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 мотора 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.

Не это ли, если вспомнить историю работ специалистов Scania с турбокомпаундом, стало причиной первых неудач этого типа силовых установок? Ведь применение турбокомпаундного наддува на грузовиках Scania началось в 1991 г. после презентации нового дизеля DTC11 01 фирмы для тяжелых магистральных тягачей. Казалось, что эта система, по сравнению с традиционным наддувом, позволяла при рабочем объеме 11 л увеличить мощность мотора на 5% — до 400 л.с. — вместе с соответствующим ростом крутящего момента. Однако на деле все оказалось иначе: экономичность мотора оставляла желать лучшего, а его приспособляемость к изменению нагрузки была явно недостаточной. Выпустив до 1996 г. 1 500 таких дизелей, Scania остановила производство. Но при этом не прекратила доводочные работы. Остается только удивляться, что, не имея правильного теоретического обоснования действительной роли турбокомпаунда в работе двигателя (думается, иначе Scania дала бы вразумительное объяснение работоспособности системы), специалистам Scania вопреки всему удалось заставить новую систему эффективно работать. Видимо, не случайно на дорогостоящую доводку двигателя под работу с турбокомпаундом Scania потратила долгих 10 лет.

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. По сути, система теперь делает то же самое, что и водитель, в ситуации, когда обороты мотора снижаются из-за роста нагрузки и появляется необходимость увеличить подачу топлива.

То, что турбокомпаунд при работе мотора не добавляет крутящий момент на вал двигателя, а, наоборот, догружает его, примиряет разработку Scania с японскими инженерами проекта Prius. Теперь можно утверждать, что и в первом, и во втором случае разработчики стремились обеспечить оптимальные условия работы мотора через контроль над нагрузкой. Ну а то, что Toyota для этого использовала электрический агрегат, а Scania — турбину, не принципиально. Ведь и в том, и в том случае запланированный результат получен. Отличается же он только степенью эффективности работы новых систем. То же самое можно сказать и о практике эксплуатации транспортных двигателей. Контроль за нагрузкой на двигатель посредством турбокомпаунда еще раз доказывает важность и влияние (которые так очевидны) этого фактора. И лишь для теории двигателей, традиционно опиравшейся на турбокомпаунд как одно из доказательств собственной справедливости, логика фактов остается неприемлемой.

Казалось бы, какая разница. Ведь 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.

Если и дальше традиционное пояснение принципов работы, данное и распространяемое специалистами Scania, не будет оспорено, то, скорее всего, управление нагрузкой на двигатель останется признаком сугубо турбокомпаундных систем. Само собой, широкого распространения направление не получит и будет применяться преимущественно в объемных многоцилиндровых двигателях с наддувом. Однако в противном случае, если с фактами все-таки начнут считаться, судьба новых систем может быть абсолютно иной. Дело в том, что управление нагрузкой перспективно не только для объемных многоцилиндровых моторов. Благодаря особенностям работы транспортных двигателей, оно перспективно для любого типа моторов. Что же касается турбокомпаунда, то влиять на такой параметр, как нагрузка, увеличивая или уменьшая ее в зависимости от условий работы мотора, можно и без турбины. С этой целью можно использовать и целый ряд альтернативных механизмов, самый простой из которых — конструкция с маховиком переменного момента инерции. И тогда эффекты, получаемые на двигателе Scania, станут доступными всем, кто может быть заинтересован в доступной, недорогой и эффективной модернизации двигателя.

Турбокомпаундирование двигателей — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Турбокомпаундирование двигателей — применение системы газотурбинного наддува со свободным турбокомпрессором и силовой турбиной. В турбокомпаундном двигателе внутреннего сгорания ТКД мощность создается не только в его цилиндрах, но и в силовой турбине.

Одним из способов использования энергии отработавших газов является газотурбинный наддув, который стал составной частью современных форсированных двигателей внутреннего сгорания. Однако даже у высокофорсированных систем газотурбинного наддува отработавшие газы обладают большой энергией, которую возможно использовать в дополнительной силовой турбине.

Использование силовых турбин не приводит к существенным переделкам двигателя и по сравнению с другими утилизационными системами требует меньших затрат. Преимущество такой схемы состоит в том, что, во-первых, происходит наиболее полное использование энергии отработавших газов и, во-вторых, мощность, вырабатываемая силовой турбиной, может служить либо для увеличения мощности двигателя, либо при сохранении мощности силовой установки для разгрузки её поршневой части. Применение турбокомпаундных схем позволяет повысить показатели прочности, надёжности и долговечности цилиндро-поршневой группы, а также снизить удельный эффективный расход топлива.

Наиболее широкое применение схемы с силовой турбиной нашли в дизелях большой размерности. Целесообразно применять силовую турбину и на двигателях автотракторного типа, используя схему последовательной установки силовой турбины за турбиной свободного турбокомпрессора. Это позволяет повысить топливную экономичность, разгрузить поршневую часть двигателя, а, следовательно, приводит к улучшению показателей надежности и долговечности.

На параметры работы дизельного двигателя оказывает большое влияние выбор типоразмера силовой турбины. С увеличением типоразмера снижается частота вращения ротора силовой турбины, увеличивается максимальный КПД силовой турбины и улучшается топливная экономичность силовой установки в целом.

• Елизева Е. В. Повышение топливной экономичности быстроходного двигателя за счет утилизации энергии отработавших газов в силовой турбине.,Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук, — Харьков, ХИИТ, 1993, 17 с.
• Симсон А. Э., Петросянц В. А.,Елизева Е. В. Оптимизация турбокомпрессора и силовой турбины турбокомпаундного двигателя,Харків, ХИИТ, 1993, 9 с., — Деп. в УКРИНТЭМ, № 461.
• Надтока Е. В., Акснова Н. А., Оробинский А. В.,Дунай Л. М. Применение силовой турбины на дизельных двигателях автотракторного типа.,Матеріали ІІ міжнародної науково — практичної конференції «Сучасні наукові дослідження — 2006», т.15 Технічні науки, Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2006, с. 35-37.

Турбокомпаундный дизель – Основные средства

В. Мамедов

В переводе с английского слово compound означает «сложный», «составной». Компаундные паровые машины с последовательным сжатием пара и турбокомпаундные корабельные, а также авиационные двигатели внутреннего сгорания были первыми силовыми установками, где принцип более сложного использования сжатого газообразного рабочего тела, чем простое его сжатие, нашел применение и дал эффективный результат.

Двигатель DT12 02

Автомобильные специалисты познакомились с применением турбокомпаундного наддува на грузовиках в 1991 г. после презентации нового дизеля DTC11 01 фирмы Scania для тяжелых магистральных тягачей. Именно эта система по сравнению с традиционным наддувом позволила при рабочем объеме 11 л увеличить мощность мотора на 5% – до 400 л.с. – вместе с соответствующим ростом крутящего момента. Казалось бы, в автомобилестроении появилось новое, прогрессивное направление развития двигателей. Однако на деле все оказалось не так просто: экономичность мотора оставляла желать лучшего, а его приспособляемость к изменению нагрузки оказалась недостаточной. Выпустив до 1996 г. 1 500 таких дизелей, Scania остановила производство, но не прекратила доводочные работы. Только спустя 10(!) лет новый компаундный турбонаддувный дизель появился на тяжелых грузовиках. Чем же он привлекателен для автомобилистов и как, собственно, устроен компаундный турбонаддув?

Как известно, КПД современного дизеля не превышает 44%. Оставшаяся часть энергии, заключенной в топливе, теряется вместе с отработавшими газами (примерно 35%) или уходит в систему охлаждения (21%). Лишь незначительная часть тепла из системы охлаждения используется для обогрева кабины. Температура отработавших газов на выходе из камеры сгорания достигает 700°С. После прохождения через турбокомпрессор она падает до 600оС. Потеря 100оС означает, что часть энергии ушла на вращение турбины. Как же рекуперировать оставшуюся часть энергии газов?

Компоновка компаундного турбонаддува на дизеле

Инженеры Scania решили эту задачу, разместив после традиционного турбонагнетателя еще одну турбину – силовую. Она соединена с коленчатым валом дизеля двумя рядами прямозубых шестерен и промежуточной гидромуфтой. Многоступенчатость шестеренного привода объясняется тем, что турбина ежеминутно делает 50 тыс. оборотов, а коленвал вращается с частотой до 2 000 мин^-1. Что касается гидромуфты, то ее назначение – 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.

Выпустив на рынок новый турбокомпаундный 12-литровый 470-сильный дизель ДT12 02, отвечающий нормам Euro-3, фирма Scania снабдила его более совершенной системой впрыска HPI (High Pressure Injection), разработанной в сотрудничестве с компанией Cummins. Основа системы – новые насос-форсунки, для производства которых создано совместное предприятие Cummins-Scania High-Pressure Ingection LLC, в котором 30% акций принадлежит шведской стороне.

Принцип системы HPI

Главная «изюминка» новых насос-форсунок заключается в том, что управление впрыском осуществляет гидравлика, или, точнее, количество 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 1 500 бар. В конструкции насос-форсунки сохраняется традиционный плунжер, приводимый от кулачкового вала, а «общее руководство» топливной аппаратурой осуществляет компьютер EDC (Electronic Diesel Control). По сравнению с традиционными индивидуальными насос-форсунками с непосредственным электронным управлением, новые, с «гидроприводом управления», работают значительно тише.

Сравнивая параметры нового турбокомпаундного дизеля ДT12 02 с «просто турбонаддувным» 420-сильным дизелем ДС12 01 отметим, что номинальная мощность выросла на 12%, а максимальный крутящий момент – на 10% при одинаковом минимальном удельном расходе топлива – 192 г/кВт.ч. При этом ДС12 01 из-за агрегата турбокомпаунда на 60 кг тяжелее и на 4 000 долларов дороже.

Схема турбокомпаунда

Испытания новых дизелей ДT12 02 проводились нетрадиционным способом – в них были задействованы транспортные компании из шести стран, представители которых вошли в группу технических разработчиков. С начала 1998 г. 25 грузовиков Scania R124 470 прошли более 6 млн. км по дорогам нескольких стран Европы. Инженеры Технического центра фирмы Scania в Седертелье постоянно следили за работой новых дизелей, поддерживая контакт с водителями тестируемых автомобилей по сотовой связи GSM.

Испытания дали интересные и обнадеживающие результаты. Оказалось, что 470-сильный дизель с высоким крутящим моментом на низких и средних оборотах стимулирует комфортный и экономичный стиль вождения. Число переключений передач для поддержания высокой средней скорости движения заметно снижается. Также пропадает необходимость разгоняться перед подъемом, превышая при этом установленное ограничение по скорости.

Все это способствует повышению безопасности движения, уменьшает эксплуатационные расходы, увеличивает срок службы автомобиля и снижает его вредное воздействие на окружающую среду. Создателей нового двигателя можно поздравить с большой удачей.

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.

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.

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.

• 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.

Опубликовано 02.04.2014

Если при частичной нагрузке многоцилиндрового двигателя выключить несколько цилиндров, то остальные будут работать при большей нагрузке с лучшим КПД.

Электрифицированные дороги будут снабжать энергией автомобили будущего. Такая технология позволила бы электромобилям отказаться от своих тяжелых аккумуляторов.

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

Все материалы, представленные на данном сайте, защищены законодательством в области авторского права. Смотрите публикация Ваших материалов, условия перепечатки материалов, соблюдение авторских прав.