Увеличение мощности дизеля с помощью турбонадува

В странах ЕС в последние без малого 30 лет беспрерывно совершенствуются (в сторону ужесточения) нормативы загрязняющих окружающую среду выбросов от автотранспортных средств. Вот как во времени эволюционировали эти экологические стандарты безопасности: 

• Евро 0 (1988 год), ограничение содержания в выхлопе углеводородных остатков (CH), окиси углерода (CO), окисных азотных соединений (NO) и дыма (K); 
• Евро 1…5 (1992 - 2015 г.) кроме снижения содержания указанных выше составляющих в десятки – сотни раз, ограничили наличие взвесей (дисперсных частиц) (PM); 
• Евро 6 ввел нормирование двуокиси углерода (CO2). 

 

Дизель в качестве привода более предпочтителен в сравнении с бензиновым из-за более экономного расходования горючего, меньшей токсичности выхлопов, возможностями по увеличению его мощи за счет принудительной подачи (наддува) воздуха повышенного давления на сгорание. Рассмотрим дизели с наддувом для машин весом до 3500 кг. Их выбросы нормируют по ГОСТу Р 41.83-2004. 

Тенденции развития наддува в дизелях (выпуск по 2000 год включительно) 

Разберем их на примере двигателя (объем 1,9 л) от автостроительной компании Volkswagen, который устанавливают на автомобили Golf, в связи с изменениями экологических нормативов Евро 0 - 3. 
Получены графики давления воздуха pk (абсолютного) на нагнетании одноступенчатого турбокомпрессора от числа оборотов n коленвала. Их еще называют внешними скоростными характеристиками двигателя. 

Воздушные нагнетатели – регулируемые: 

• кривые (1 и 2) соответствуют агрегату с байпасным (перепускным) клапаном, создающим возможность пропуска выхлопа, миновав турбину; 
• сопловой аппарат с изменяемой (регулируемой) площадью сечения (кривые 3 – 5). 

 

Из рассмотрения этих характеристик видно: 

• максимум повышения давлений находится в районе 1000 – 2000 об/мин; 
• поддержание максимума абсолютного давления при 2000 – 4000 об/мин; 
• при изменениях требований стандартов (Евро 0 – Евро 3) давления возросли с 1,8 до 2,5 бар, а удельная литровая мощь дизельного двигателя выросла от 34 до 57 кВт/л. 

 

Форсирование мощности от 42 кВт/л и выше требует применения регулируемого соплового аппарата турбины для соответствия выбросов Евро 2 и 3. 

В дальнейшем, при введении норм Евро 4, 5 и 6, происходила дальнейшая модернизация одноступенчатых и постепенный переход к двухступенчатым турбокомпрессорам. 

Одноступенчатый нагнетатель 

Одна ступень сжатия воздушного центробежного компрессора вращается за счет энергии выхлопных газов, раскручивающих приводную турбину. Поэтому его называют турбокомпрессор (ТК). ТК встречаются регулируемые и нерегулируемые. Регулировка осуществляется воздействием на скорость (с помощью специальных конструктивных решений): 

• выхлопных газов на входе в турбину; 
• массы воздуха на нагнетании из компрессора. 

 

Наибольшее распространение получили такие нагнетатели автомобильных дизелей: 

• WGT (с перепускным клапаном сброса выхлопа в атмосферу минуя турбинное колесо); 
• ТК с регулируемым сопловым аппаратом (РСА) у турбины; 
• ТК типа VST (с дросселированием, т.е. резким снижением давления выхлопа перед турбиной). 

ТК типа WGT устроен следующим образом (см. рисунок ниже). 

Имеются преобразователь давления наддува воздуха в электрический сигнал (1), вакуум-насос (2), привод перепускного клапана (3) и сам клапан (5). Клапан по команде преобразователя направит течение потока выхлопных газов по байпасному патрубку, минуя колесо турбины (8), установленное в ее корпусе (4). Турбинное колесо посредством общего вала приводит во вращение рабочее колесо компрессора (9). Дымовые газы от дизеля подводятся к турбине патрубком (6), а сжатый воздух от компрессора во впускной коллектор двигателя идет через нагнетательную трубу (7). 

Преимущества применения ТК типа WGT: 

• предельное упрощение процесса регулирования перепускным клапаном; 
• максимальное давление поддерживается при 2000 – 4500 об/мин. 

 

Его недостатки: 

 

• Сброс выхлопного газа высокого теплосодержания (энтальпии) в атмосферу (минуя турбину), чтобы поддерживать заданное значение pk после прохождения точки максимума по крутящему моменту. Это приводит к повышенному расходу дизельного топлива и загрязнению окружающей среды вредными соединениями. 
• Имеются зоны снижения давления воздуха (провалы) в переходных режимах двигателя. 

 

Достоинствами ТК РСА являются: 

• Нет сброса горячих выхлопных газов, минуя турбину, во внешнюю среду. Это увеличивает экономичность работы за счет уменьшения расхода топлива и снижает пагубное влияние выбросов на экологическую обстановку. 
• На переходных режимах полностью отсутствуют резкие снижения (провалы) давления воздуха. 
• Максимальное давление воздуха pk max возрастает до 2,5 бар, причем растет и экономичность эксплуатации дизеля. 
• Гибкость регулирования давлений воздуха во всех режимах работы двигателя. 

 

В сравнении с ТК WGT у ТК РСА имеются и некоторые недостатки: 

• усложненная конструктивная схема; 
• обязательно наличие электронной системы управления, оснащенной обратной связью.

 

Используя ТК с РСА в двигателях объема свыше 1,4 л, можно добиться увеличения его крутящего момента при относительно небольших оборотах коленчатого вала и, соответственно, улучшения динамики разгона автомобиля. При этом не увеличиваются, а наоборот, снижаются расходование топлива и выбросы опасных соединений с выхлопными газами. Это отлично иллюстрируют графики, приведенные ниже.

Зависимости давлений топливной смеси в цилиндре дизеля одной мощности, оснащенных ТК WGT и ТК РСА, от частоты коленчатого вала. 

 

 

 

 

 

 

Как же устроен и работает ТК РСА? На приведенной ниже схеме изображен такой воздушный турбокомпрессор, имеющий в сопловом аппарате турбины поворотные лопатки. 

Через патрубок (1) выхлопные газы попадают в турбину (2) и раскручивают ее. Поворотные лопатки (3) служат для изменения площади сечения сопел и управляются кольцом (5). Есть также трубка (4) подачи разрежения, отверстие для смазки (6) агрегата ТК и патрубки всасывания (7) и нагнетания (8) компрессора. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Турбокомпрессор типа VST 

Такой агрегат представляет собой разновидность предыдущего (ТК с РСА), спроектированного под дизели с объемом до 1,4 л. Устройство его турбины следующее. 

Есть турбинное колесо (1) с улиточным устройством (2), образованным приливом корпуса. Улитка сообщается с каналом подвода выхлопных газов (3), который, в свою очередь, связан с перепускной полостью (5) посредством заслонки (4), управляемой ее приводом (6). По мере необходимости заслонка клапана, открываясь, соединяет перепуск и подвод газов, тем самым увеличивая площадь турбинной улитки и расход выхлопа через нее. 

В случае слабой нагрузки на двигатель или его низких оборотах выхлоп идет на турбинное колесо только через улитку корпуса с небольшим сечением. При этом скорость газов достаточно большая, чтобы обеспечить высокие значения давления воздуха. После достижения заданных значений давления наддува заслонка приоткрывает канал подвода, тем самым снижая скорость истечения газов и поддерживая значения давления воздуха стабильным. Этим же способом возможно и байпасирование выхлопных газов помимо турбины.