Комплексные системы турбонаддува

Комплексные системы турбонаддува

 

При параллельном или многоступенчатом соединении нагнетателей, возможно, с при­менением системы клапанов для зависимого от рабочей точки двигателя управления, или определенного распределения потока отрабо­тавших газов достижимые пределы мощности наддува могут быть значительно расширены по сравнению с одноступенчатыми нагнетате­лями. Вот о том, какими бывают комплексные системы наддува, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Благодаря многоступенчатости наддува повышается эффективность подачи воздуха в цилиндры и одновременно с этим снижается удельный расход топлива двигателем.

Параллельный турбонаддув

 

В системах параллельного турбонаддува по­дача воздуха осуществляется вместо одного большого турбокомпрессора двумя или более турбокомпрессорами, соединенными парал­лельно. При этом каждый из турбокомпрессоров «обслуживает» определенные цилиндры двига­теля, например, определенный блок цилиндров V-образного двигателя. Каждый турбокомпрес­сор осуществляет наддув во всем диапазоне ча­стот вращения коленчатого вала. Преимущества такой системы заключаются в быстром повы­шении давления наддува в переходных режимах и сравнительно компактной компоновке трубо­проводов. Работающие параллельно турбона­гнетатели должны быть идентичны в отношении способа автоматического регулирования.

Последовательный турбонаддув

 

Последовательный наддувПоследовательный турбонаддув в основном ис­пользуется в судовых двигателях или приводах генераторов. Однако, благодаря высоким дости­жимым уровням мощности, этот вариант находит применение также на легковых автомобилях. При последовательном турбонаддуве при определен­ном увеличении нагрузки на двигатель и скорости вращения коленчатого вала вступает в действие дополнительный турбокомпрессор (см. рис. «Последовательный наддув» ).

Таким образом, по сравнению с одним турбоком­прессором, такая система позволяет получить более оптимальное использование энергии Кроме собственно турбокомпрессоров система последовательного турбонаддува включает клапаны и датчики, обеспечивающие плавный переход между режимами работы с одним или двумя турбокомпрессорами. При низких частотах вращения коленчатого вала работает только один турбокомпрессор, снабжая воздухом все цилиндры двигателя. По достижении определенной частоты вращения коленчатого вала вступает в действие второй турбокомпрессор. Затем оба турбокомпрес­сора работают параллельно.

Разделение по­дачи воздуха между двумя турбокомпрессо­рами позволяет обеспечить высокое быстрое повышение крутящего момента и высокую выходную мощность. Кроме того, значительно меньший момент инерции валов дополнитель­ного турбокомпрессора меньшего размера обеспечивает более высокое быстродействие системы наддува в переходных режимах.

Следует указать, что реализация систем по­следовательного турбонаддува, включающих переключающие клапаны, достаточно сложна. Управление процессами переключения пред­ставляет собой достаточно сложную, но вполне выполнимую при помощи современных элек­тронных систем управления задачу.

Последовательный турбонаддув применя­ется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях.

 

 

 

Двухступенчатый регулируемый турбонаддув

 

В отличие от последовательного турбонад­дува, при двухступенчатом регулируемом турбонаддуве турбокомпрессоры соединены таким образом, что их последовательная работа осуществляется только при определенных ра­бочих состояниях (см. рис. «Схема двухступенчатого регулируемого наддува» ). Преимущество такой системы турбонаддува, по сравнению с одноступенчатым турбонаддувом, заклю­чается в повышении номинальной мощности при одновременном улучшении характери­стики крутящего момента при низких часто­тах вращения коленчатого вала, благодаря быстрому повышению давления наддува. Эта чрезвычайно мощная система подразумевает использование двух турбокомпрессоров, раз­меры которых значительно различаются. При надлежащей настройке системы и управлении падения крутящего момента не наблюдается.

 

Схема двухступенчатого регулируемого наддува

 

Весь всасываемый свежий воздух пред­варительно сжимается компрессором первой ступени. Затем наддувочный воздух сжимается компрессором высокого давления. В результате предварительного сжатия относительно неболь­шой компрессор высокого давления работает при повышенном давлении на входе и поэтому способен обеспечить требуемый массовый рас­ход воздуха. Рабочие характеристики можно еще более повысить за счет охлаждения воздуха после компрессора первой ступени, однако на легковых автомобилях это пока что реализовано не было в связи с высокими затратами и ограниченным пространством в моторном отсеке.

Особенно большое значение имеют гермети­зация и качество перепускной заслонки. При по­мощи этой заслонки, в зависимости от рабочего режима, в турбине высокого давления, а затем в турбине низкого давления расширяется весь поток отработавших газов, или часть потока от­работавших газов направляется сразу к турбине низкого давления. К системе заслонок предъ­являются чрезвычайно высокие требования в от­ношении их термомеханической и вибрационной стойкости. Также чрезвычайно важно обеспечить прохождение потока между компрессорами и турбинами с минимальными потерями давления.

В нижней части диапазона частот вращения коленчатого вала, т.е. при низком массовом расходе отработавших газов перепускная за­слонка закрыта. Поток отработавших газов расширяется через небольшую турбину вы­сокого давления, что приводит к очень бы­строму нарастанию давления наддува. При увеличении частоты вращения коленчатого вала перепускная заслонка открывается, и все большая часть потока отработавших газов на­правляется прямо к турбине низкого давления до тех пор, пока он не направляется также в обход турбины низкого давления следующей перепускной заслонкой.

Такая двухступенчатая система наддува дает возможность бесконечно гибкой адап­тации турбин к потребностям двигателя. По достижении определенной частоты вращения коленчатого вала компрессор высокого дав­ления, несмотря на предварительное сжатие, перестает быть способным обеспечить тре­буемый массовый расход воздуха и начинает действовать как дроссельная заслонка. В этом случае (неуправляемая) заслонка открывает канал, идущий от компрессора низкого дав­ления прямо к промежуточному охладителю в обход компрессора высокого давления.

Такая система турбонаддува была принята в качестве стандартной для дизельных дви­гателей легковых автомобилей в 2004 году. Технически возможно реализовать этот подход также и на бензиновых двигателях.

 

 

Комбинированный наддув

 

Система комбинированного наддува соче­тает нагнетатель с механическим приводом с турбокомпрессором, приводимым в дей­ствие отработавшими газами (см. рис. «Комбинированный наддув» ). Эта мощная система наддува была впервые применена на легковом автомобиле в 1985 году (Lancia Delta). В настоящее время она используется на бензиновых двигателях с относительно небольшим рабочим объемом, высокой номинальной мощностью, высоким крутящим моментом уже при сравнительно низких частотах вращения коленчатого вала и высокими динамическими качествами.

 

Комбинированный наддув

 

В нижней части диапазона частоты вращения коленчатого вала, когда доступная энергия от­работавших газов, необходимая для привода турбины турбокомпрессора невелика, наддув практически полностью осуществляется нагне­тателем с механическим приводом. Поскольку турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими газами, рассчитан на средние частоты вращения коленчатого вала и номи­нальную мощность, это обеспечивает сравни­тельно высокий массовый расход воздуха и, со­ответственно, высокие уровни эффективности. В определенном рабочем диапазоне система работает в режиме последовательного соеди­нения двух нагнетателей, и общая степень повы­шения давления равна произведению степеней повышения давления отдельных нагнетателей.

Нагнетатель с механическим приводом мо­жет быть установлен в направлении потока пе­ред турбокомпрессором или после него. Когда двигатель работает в верхней части диапазона частоты вращения коленчатого вала и, следо­вательно, энергия отработавших газов доста­точно велика, наддув осуществляется только турбокомпрессором и воздух направляется в обход нагнетателя с механическим приводом. Поскольку в этом режиме мощность, расходуе­мая на привод нагнетателя с механическим приводом, отбираемая с коленчатого вала, представляет собой прямые потери, механиче­ское отсоединение нагнетателя от коленчатого вала представляется наиболее эффективным решением. Однако, при этом предъявляются очень высокие требования к соединительной муфте, поскольку она должна передавать высокие градиенты скоростей при больших требуемых передаточных отношениях.

 

Совместная работа компрессора с электро­приводом, последовательно соединенного с турбокомпрессором, приводимым в действие отработавшими газами

 

Еще одним возможным решением, направ­ленным на реализацию потенциала наддува с использованием отработавших газов в квазистационарном режиме работы двигателя и улучшения динамической характеристики турбокомпрессора с высокой номинальной производительностью, является соединение турбокомпрессора, приводимого в действие отработавшими газами, с компрессором с электроприводом («бустером», см. рис. «Совместная работа компрессора с электро­приводом, последовательно соединенного с турбокомпрессором, приводимым в действие отработавшими газами» ). Совместная работа компрессора с электро­приводом, последовательно соединенного с турбокомпрессором, приводимым в действие отработавшими газамиПреимущества такого решения по сравнению с турбокомпрессором, приводимым в действие отработавшими газами с вспомогательным электродвигателем, заключается в том, что оно позволяет расширить эффективный ра­бочий диапазон системы и дает возможность установить бустерный компрессор в подхо­дящем месте моторного отсека (в условиях умеренных термомеханических нагрузок). Бустерный компрессор может быть располо­жен в направлении потока перед турбоком­прессором или после него. Перепускная за­слонка позволяет направлять воздух в обход бустерного компрессора, когда его подклю­чение не требуется. И наконец, бустерный компрессор с электроприводом механически соединяется с двигателем через генератор и его приводной ремень; прямое соединение можно исключить при помощи, например, батареи конденсаторов.

Возможным использованием этой системы, в особенности с учетом имеющегося на обычных автомобилях запаса электроэнергии, является использование бустерного компрессора с электроприводом исключительно в переходных режимах и в нижней части диапазона частоты вращения коленчатого вала.

Для эффективной работы системы бустерный компрессор должен обеспечивать повы­шение давления в 1,3 раза в течение, приблизительно, 0,3 с. С учетом требуемого для этого ускорения вала это означает кратковременный бросок потребляемой мощности (в зависимо­сти от других рабочих условий) до 2-3 кВт. Ввиду того, что напряжение в электрической системе большинства автомобилей составляет 12 В, это требует установки дополнительного дорогостоящего электрооборудования. Таким образом, качество наддува и, следовательно, эффективность этой системы в решающей степени зависят от возможностей электриче­ской системы автомобиля.

Такая система наддува в последнее время интенсивно исследовалась и анализировалась, однако до сих пор не вышла за рамки про­тотипа. В следующей статье я расскажу о системе выпуска отработавших газов автомобиля.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *