ЗБІЛЬШЕННЯ ПОТУЖНОСТІ ДИЗЕЛЯ З ДОПОМОГЮ ТУРБОНАДУВУ

31.10.2017 

У країнах ЄС в останні майже 30 років безперервно вдосконалюються (у бік посилення) нормативи викидів від автотранспортних засобів, що забруднюють довкілля. Ось як у часі еволюціонували ці екологічні стандарти безпеки: 

1. Євро 0 (1988 рік), обмеження вмісту у вихлопі вуглеводневих залишків (CH), окису вуглецю (CO), окисних азотних сполук (NO) та диму (K); 
2. Євро 1…5 (1992 - 2015 р.) крім зниження вмісту зазначених вище складових у десятки – сотні разів, обмежили наявність суспензій (дисперсних частинок) (PM); 
3. Євро 6 запровадив нормування двоокису вуглецю (CO2). 

Дизель як привод більш кращий у порівнянні з бензиновим через більш економного витрачання пального, меншої токсичності вихлопів, можливостями зі збільшення його потужності за рахунок примусової подачі (наддува) повітря підвищеного тиску на згоряння. Розглянемо дизелі із наддувом для машин вагою до 3500 кг. Їхні викиди нормують за ГОСТом Р 41.83-2004. 

Тенденції розвитку наддуву у дизелях (випуск по 2000 рік включно) 

Розберемо їх на прикладі двигуна (об'єм 1,9 л) від автобудівельної компанії Volkswagen, який встановлюють на автомобілі Golf у зв'язку зі змінами екологічних нормативів Євро 0 – 3. 

Отримано графіки тиску повітря pk (абсолютного) на нагнітанні одноступінчастого турбокомпресора від кількості обертів n коленвала. Їх ще називають зовнішніми швидкісними характеристиками двигуна. 

Повітряні нагнітачі – регульовані: 

1. криві (1 і 2) відповідають агрегату з байпасним (перепускним) клапаном, що створює можливість пропуску вихлопу, минувши турбіну; 
2. сопловий апарат із змінною (регульованою) площею перерізу (криві 3 – 5). 

З розгляду цих показників видно: 

1. максимум підвищення тиску знаходиться в районі 1000 – 2000 об/хв; 
2. підтримка максимуму абсолютного тиску при 2000 – 4000 об/хв; 
3. при змінах вимог стандартів (Євро 0 – Євро 3) тиск збільшився з 1,8 до 2,5 бар, а питома літрова потужність дизельного двигуна зросла від 34 до 57 кВт/л. 

Форсування потужності від 42 кВт/л та вище потребує застосування регульованого соплового апарату турбіни для відповідності викидів Євро 2 та 3. 

Надалі, за введення норм Євро 4, 5 і 6, відбувалася подальша модернізація одноступінчастих та поступовий перехід до двоступінчастих турбокомпресорів. 

Одноступінчастий нагнітач 

Один ступінь стиснення повітряного відцентрового компресора обертається за рахунок енергії вихлопних газів, що розкручують приводну турбіну. Тому його називають турбокомпресором (ТК). ТК зустрічаються регульовані та нерегульовані. Регулювання здійснюється впливом на швидкість (за допомогою спеціальних конструктивних рішень): 

1. вихлопних газів на вході в турбіну; 
2. маси повітря на нагнітанні компресора. 

Найбільшого поширення набули такі нагнітачі автомобільних дизелів: 

1. WGT (з перепускним клапаном скидання вихлопу в атмосферу минаючи турбінне колесо); 
2. ТК з регульованим сопловим апаратом (РСА) у турбіни; 
3. ТК типу VST (з дроселюванням, тобто різким зниженням тиску вихлопу перед турбіною). 

ТК типу WGT влаштований в такий спосіб (див. малюнок нижче). 

Є перетворювач тиску наддуву повітря електричний сигнал (1), вакуум-насос (2), привід перепускного клапана (3) і сам клапан (5). Клапан по команді перетворювача направить перебіг потоку вихлопних газів байпасним патрубком, минаючи колесо турбіни (8), встановлене в її корпусі (4). Турбінне колесо за допомогою загального валу обертає робоче колесо компресора (9). Димові гази від дизеля підводяться до турбіни патрубком (6), а стиснене повітря від компресора у колектор впускний двигуна йде через нагнітальну трубу (7). 

Переваги застосування ТК типу WGT: 

1. граничне спрощення процесу регулювання перепускним клапаном; 
2. максимальний тиск підтримується при 2000 – 4500 об/хв. 

Його недоліки: 

Скидання вихлопного газу високого тепломістку (ентальпії) в атмосферу (минаючи турбіну), щоб підтримувати задане значення pk після проходження точки максимуму по моменту, що крутить. Це призводить до підвищеної витрати дизельного палива та забруднення навколишнього середовища шкідливими сполуками. 

Є зони зниження тиску повітря (провали) у перехідних режимах двигуна. 

Достоїнствами ТК РСА є: 

1. Немає скидання гарячих вихлопних газів, минаючи турбіну, у зовнішнє середовище. Це збільшує економічність роботи за рахунок зменшення витрат палива та знижує згубний вплив викидів на екологічну обстановку. 
2. На перехідних режимах відсутні різкі зниження (провали) тиску повітря. 
3. Максимальний тиск повітря pk max зростає до 2,5 бар, причому зростає економічність експлуатації дизеля. 
4. Гнучкість регулювання тиску повітря у всіх режимах роботи двигуна.

У порівнянні з ТК WGT у ТК РСА є й деякі недоліки: 

1. ускладнена конструктивна схема; 
2. обов'язково наявність електронної системи управління, оснащеної зворотним зв'язком. 

Використовуючи ТК з РСА в двигунах об'єму понад 1,4 л, можна домогтися збільшення його моменту, що крутить, при відносно невеликих оборотах колінчастого валу і, відповідно, поліпшення динаміки розгону автомобіля. При цьому не збільшуються, а навпаки, знижуються витрати палива та викиди небезпечних сполук з вихлопними газами. Це чудово ілюструють графіки, наведені нижче. 

Залежність тисків паливної суміші в циліндрі дизеля однієї потужності, оснащених ТК WGT і ТК РСА, від частоти колінчастого валу. 

Як же влаштований та працює ТК РСА? На наведеній нижче схемі зображено такий повітряний турбокомпресор, що має в сопловому апараті турбіни поворотні лопатки. 

Через патрубок (1) вихлопні гази потрапляють у турбіну (2) та розкручують її. Поворотні лопатки (3) служать для зміни площі перерізу сопел і керуються кільцем (5). Є також трубка (4) подачі розрідження, отвір для мастила (6) агрегату ТК та патрубки всмоктування (7) та нагнітання (8) компресора. 

Турбокомпресор типу VST 

Такий агрегат є різновидом попереднього (ТК з РСА), спроектованого під дизелі з об'ємом до 1,4 л. Облаштування його турбіни наступне. 

Є турбінне колесо (1) з равликовим пристроєм (2), утвореним припливом корпусу. Равлик повідомляється з каналом підведення вихлопних газів (3), який, у свою чергу, пов'язаний з перепускною порожниною (5) за допомогою заслінки (4), керованої її приводом (6). При необхідності заслінка клапана, відкриваючись, з'єднує перепуск і підведення газів, тим самим збільшуючи площу турбінного равлика і витрата вихлопу через неї. 

У разі слабкого навантаження на двигун або його низьких оборотах, вихлоп йде на турбінне колесо тільки через равлик корпусу з невеликим перетином. При цьому швидкість газів є достатньо великою, щоб забезпечити високі значення тиску повітря. Після досягнення заданих значень тиску наддува заслінка відкриває канал підведення, тим самим знижуючи швидкість закінчення газів і підтримуючи значення тиску повітря стабільним. Цим самим способом можливе і байпасування вихлопних газів крім турбіни.