Направления развития конструкций двс для повышения механического кпд

5. Направления развития конструкций двс для повышения механического кпд

5.1 Общие сведения

Перед изложением материала данного раздела следует отметить, что отнесение мероприятий по совершенствованию двигателя к конкретному виду КПД носит достаточно условный характер. Практически все действия по улучшению механического КПД, приведенные в данном разделе, вызывают улучшение и индикаторного КПД.

В разделе приведены лишь те мероприятия по увеличению механического КПД двигателя, которые могут быть охарактеризованы широко используемым в мире понятием «Downsizing ». Под ним понимается сокращение рабочего объема двигателя при сохранении его требуемой мощности, что может быть достигнуто путем увеличения номинальной частоты вращения или путем увеличения среднего эффективного давления. Но «Downsizing » за счет увеличения частоты вращения приводит к уменьшению механического, а соответственно и эффективного КПД двигателя вследствие существенного роста механических потерь с увеличением частоты вращения. С повышением механического КПД связана только та часть концепции «Downsizing », в которой реализуются высокое среднее эффективное давление. Но нужно иметь ввиду, что двигатели с высокой номинальной частотой вращения оказываются легче. Поэтому если оценивать не КПД двигателя, а экономичность транспортного средства, установка таких двигателей, в определенных условиях, может оказаться выгодной.

Четкой границы разделяющей обычные двигатели от двигателей, в которых реализована концепция «Downsizing », нет. Ориентировочно она представлена на рис. 5.1.

Двигатели со средним эффективным давлением от 2 МПа могут относится к высоконагруженным. В дизелях оно достигается при давлении наддува (в зависимости от минимального коэффициента избытка воздуха) примерно от 0,22 МПа и выше. В бензиновых двигателях, благодаря возможности использования  стехиометрических смесей,  достаточно иметь более низкое давление наддува, равное приблизительно 0,19 МПа. С номинальной частоты вращения около 7000 об/мин начинается область высокоскоростных двигателей.

Все агрегаты, лежащие ниже этих двух ориентировочных границ представляют собой обычные двигатели. Рисунок показывает, что до настоящего времени на высоконагруженную и высокоскоростную концепции приходится лишь очень малая доля бензиновых двигателей. Но в последнее время ситуация начала меняться.

Рис.5.1 Максимальное среднее эффективное давление

и номинальная частота вращения автомобильных

Рекомендуемые материалы

бензиновых двигателей [14]

В дизелях, в отличие от бензиновых двигателей, увеличение удельной мощности за счет увеличения частоты вращения является сложной проблемой обусловленной, прежде всего, спецификой организации воспламенения и сгорания. Причины этого были рассмотрены в предыдущих разделах. В современных легковых автомобилях с дизельными двигателями номинальная частота вращения находится в диапазоне 3700 – 4500 об/мин. Поэтому «Downsizing » за счет высокой частоты вращения является особенностью исключительно бензиновых двигателей, а «Downsizing » дизелей реализуется только за счет увеличения среднего эффективного давления. Как уже упоминалось выше, именно последний метод приводит к повышению эффективного КПД двигателя. В зависимости от качества исходного двигателя, его нагрузки ожидаемое сокращение расхода двигателя составляет 10 – 30%. Механизм данного сокращения рассмотрен в предыдущих разделах.

Повышение мощности за счет более высокого среднего эффективного давления предъявляет более высокие требования к топливной системе, системе газообмена (в том числе системе наддува), к ужесточению требований в области трибологии и т.д. Увеличение нагрузок на элементы двигателя приводит, в том числе, и к увеличению массы относительно обычного двигателя той же размерности. Тем не менее, эта масса получается ниже, чем у обычного двигателя той же мощности.

При наддуве бензиновых двигателей обостряется проблема борьбы с детонацией, которая представляет ограничивающий фактор на пути увеличения среднего эффективного давления. Основы детонационного сгорания были даны в отдельном разделе, поэтому здесь на этом вопросе останавливаться не будем.

В дизельном двигателе, в котором отсутствует детонация, фактором, ограничивающим давление наддува, является максимальное давление цикла. Для его уменьшения снижают степень сжатия относительно безнаддувных вариантов. Однако снижение также имеет предел, определенный процессом самовоспламенения. Подробно об этом было изложено в отдельном разделе пособия, поэтому здесь на этом вопросе мы также останавливаться не будем.

Ниже будет в основном представлен анализ систем турбонаддува. Термогазодинамические основы наддува даются в дисциплине «Агрегаты наддува», поэтому материал данного пособия предусматривает ознакомления лишь с современными типовыми схемами реализации высокого наддува. Но перед его изложением вкратце напомним основные проблемы реализации турбонаддува.

Процесс реализации турбонаддува полон компромиссов. С одной стороны, система наддува должна обеспечивать высокие давления уже при низких частотах вращения и быстро реагировать на смену нагрузки при ускорении без ощутимых «турбоям». Но при низких частотах вращения из-за низкого расхода выхлопных газов создается незначительное давление наддува, а инертность турбокомпрессора определяет низкую приемистость двигателя. Решением этой проблемы могло бы быть применение турбокомпрессора малых размеров.

С другой стороны, на высоких частотах вращения необходимо иметь высокий расход воздуха, с которым маленький турбокомпрессор уже не справляется. Необходим турбокомпрессор большего размера.

Таким образом, для работы двигателя во всем диапазоне частот вращения одного компрессора не достаточно. Это в основном касается бензиновых двигателей со стехиометрической стратегией управления, диапазон частоты вращения которых, значительно больше, чем у дизелей, и которые имеют значительно меньший расход газов на частичных нагрузках.

Описанные проблемы становятся все более выраженными с ростом давления наддува. Из рис. 5.2 видны значительно более низкий крутящий момент на низких частотах, а также более плохая динамическая характеристика двигателя с высоким наддувом. Чем выше давление наддува, тем больше разница мощностей между установившимися и переходными режимами работы двигателя. Кроме того, диапазон частоты вращения, соответствующий максимальному значению среднего эффективного давления, в случае высокого наддува ниже.

Рис.5.2 Схематическое сравнение одноступенчатого обычного и одноступенчатого высокого наддува (газотурбинный наддув)  автомобильного двигателя [14]

Необходимо иметь также ввиду более высокую чувствительность двигателей с высоким наддувом к условиям окружающей среды. Особенно это проявляется при сложных условиях, например, при большой высоте (низкая плотность воздуха) и низких температурах (увеличенное трение, незначительная энтальпия отработавших газов).

5.2 Современные способы реализации высокого наддува

Регистровый наддув

Если несколько турбокомпрессоров одинакового или разного размера расположены параллельно (то есть имеют свой отдельный тракт) и включаются в зависимости от нагрузочного или скоростного режима работы двигателя, то это называется последовательным турбонаддувом (STC – Sequential Turbocharging). Под термином «последовательный» понимается последовательное, в зависимости от режима, подключение, а не расположение турбокомпрессоров друг за другом в едином тракте. Во избежание путаницы, далее для обозначения данного вида наддува будем применять термин «регистровый» (нем. Registeraufladung) При этом наддув в каждом тракте может быть как одноступенчатым, так и двухступенчатым. В отличие от обычного двухступенчатого наддува, при котором турбокомпрессоры расположены в едином тракте (отдельно впускном и отдельно выпускном), при регистровом наддуве тракты разделены.

В данном способе, каждый турбокомпрессор отвечает за свой диапазон работы двигателя. В отличие от обычных схем, данный способ предоставляет более широкие возможности получения нужной кривой среднего эффективного давления за счет использования подходящего турбокомпрессора для каждого диапазона работы двигателя. Тракт каждого турбокомпрессора подключается или выключается в зависимости от нагрузки или частоты вращения двигателя по сигналу электронной системы управления. В целях улучшения приемистости тракт турбины подключается раньше тракта компрессора. Тракт компрессора подключается тогда, когда достигнуто заданное давление предыдущим компрессором.

На рис. 5.3 схематически изображен пример реализации наддува с помощью трех различных по размерам турбокомпрессоров. Поле характеристик двигателя разбито на пять областей, в каждой из которых работает свой турбокомпрессор или их комбинация.

Рис. 5.3 Регистровый наддув с тремя турбокомпрессорами

 (схематично) [14]

Каждый турбокомпрессор работает на близком к расчетному режиме. Инертность системы достаточно низкая, большой крутящий момент развивается уже при низких оборотах двигателя, в результате чего может быть сокращен расход топлива.

Данный вид наддува используется уже достаточно продолжительное время фирмой MTU Friedrichshafen GmbH для высокооборотных тяжелых дизельных двигателей. В легковых автомобилях используется компаниями  Porsche, Mazda и Subaru.

Большой диапазон частот вращения двигателей для легковых двигателей вызывает необходимость частых переключений турбокомпрессоров. В результате предъявляются высокие требования к соответствующим исполнительным механизмам, и затрудняется получение кривой крутящего момента без каких-либо резких изменений. Поэтому такой наддув следует применять, в первую очередь для двигателей, которые хотя и работают в большом диапазоне частот вращения, но частота переключений может быть низкой. Предпочтительным приложением является сегмент высокооборотных тяжелых дизельных двигателей.

Первым применила данный вид наддува на легковом автомобиле фирма Porsche (модель 959). Его реализация привела к очень высокой для серийного двигателя удельной мощности около 116 кВт/дм³ при максимальном значении среднего эффективного давления выше 2,2 МПа.

На рис. 5.4 представлена схема работы системы наддува данного двигателя в зависимости от частоты вращения. Для ясности принципа работы охладители надувочного воздуха не показаны. Договоримся далее, что под обозначением «клапан» может пониматься и заслонка.

Рис.5.4 Схема наддува Porsche [14]

В системе используются два одинаковых турбокомпрессора относительно небольшого размера, один из которых работает во всем диапазоне частот вращения. На низких частотах весь поток выхлопных газов проходит через него до тех пор, пока не достигается заданное давление наддува. Клапаны турбины 4 и компрессора 1, а также клапан перепуска отработавших газов мимо турбины 3 (далее «Wastegate ») закрыты. Правый турбокомпрессор не работает. После того как достигнуто необходимое давление, а расход отработавших газов продолжает увеличиваться, избыточный поток газов направляется на второй турбокомпрессор. Воздух с правого компрессора через клапан 2 подается на вход левого компрессора. Клапан «Wastegate » закрыт, и давление наддува регулируется клапаном 4. Как только оба турбокомпрессора достигают определенной частоты вращения с достаточной энергией отработавших газов, второй турбокомпрессор начинает работать в режиме полного открытия клапана 4. Клапан 2 закрывается. Давление за вторым компрессором сильно возрастает и открывается клапан 1. Теперь сжатый воздух подается во впускной коллектор, как первым, так и вторым турбокомпрессорами. Расход воздуха и отработавших газов распределяются по турбокомпрессорам равным образом. При дальнейшем увеличении частоты вращения двигателя, в целях ограничения давления наддува избыток отработавших газов выбрасывается через клапан 3. Основной проблемой является выбор подходящих турбокомпрессоров и надежное управление переключением клапанов. Цель – достижение нужной кривой момента без скачков при переключении клапанов во всем диапазоне работы двигателя.

Рис. 5.5 Момент двигателя Porsche 959 [14]

На рис. 5.5 представлена кривая крутящего момента рассматриваемого двигателя с изображением зон работы одного и обоих компрессоров. Там же для сравнения представленная кривая момента двигателя в традиционном варианте наддува «Biturbo », в котором в любой момент времени поток отработавших газов и воздуха проходит через оба турбокомпрессора.

На рис.5.6 показана схема работы двухступенчатого регистрового турбонаддува для дизельных двигателей большой мощности фирмы MTU. Для облегчения понимания изображено только две группы турбонаддува, каждая из которых состоит из одного турбокомпрессора низкого и одного высокого давления, а также охладителей надувочного воздуха. В целом система наддува состоит из четырех групп, с соответствующими диапазонами работы.

Рис. 5.6 Схема двухступенчатого регистрового наддува фирмы MTU [14]

Система позволяет получить высокий момент в широком диапазоне частот вращения, в том числе на низких. Весь поток отработавших газов в первой зоне работы двигателя проходит только через одну турбогруппу. Последовательное включение остальных групп происходит в зависимости от нагрузки и частоты вращения. В четвертой зоне работают все четыре группы турбонаддува. Из-за низкого расхода газов в первой зоне работа сжатия осуществляется почти полностью турбокомпрессором высокого давления. Турбокомпрессор низкого давления работает в режиме холостого хода. При увеличении расхода отработавших газов постепенно начинает участвовать и ступень низкого давления. Давление наддува возрастает. Благодаря предварительному сжатию в компрессоре низкого давления, возможна работа компрессора высокого давления при больших массовых расходах воздуха. Для получения другого поля характеристик двигателя изменяют закономерность подключения групп турбокомпрессоров. Для работы такой системы наддува необходимо иметь компрессоры с достаточно широким полем характеристик.

Использование небольших турбокомпрессоров на низких частотах является ключевым фактором получения высокого давления наддува на низких частотах вращения. В целом такая система позволяет получить высокое давление наддува во всем диапазоне частот двигателя и среднее эффективное давление выше 3 МПа.

Двухступенчатый регулируемый наддув

В двухступенчатый регулируемый турбонаддув (RTS – Regulated Two Stage) является сложной электронно управляемой системой наддува, которая представляет собой комбинацию двухступенчатого наддува и регистрового наддува. Его применение позволяет значительно поднять среднее эффективное давление во всем диапазоне работы двигателя.

Система состоит из двух последовательно соединенных турбокомпрессоров разного размера (ступени высокого и низкого давления), одного или двух охладителей надувочного воздуха, системы перепуска воздуха и отработавших газов. Для каждой области расхода воздуха имеется соответствующий компрессор, так что в сумме получается система наддува с широким полем характеристик. В нижнем диапазоне частот вращения используется маленький турбокомпрессор, в верхнем – большой.

Малый турбокомпрессор может быть намного меньше, чем в одноступенчатых системах, т.к. не требуется пропускать через него большие объемы воздуха, соответствующие номинальной мощности. Работа при высоких и низких частотах вращения аналогична работе системы регистрового наддува. В среднем диапазоне частот вращения, оба турбокомпрессора работают последовательно, аналогично  классической системе двухступенчатого турбонаддува. На рис. 5.7 изображены кривая среднего эффективного давления при полной нагрузке и связанные с ним степени повышения давления в компрессорах дизельного двигателя с двухступенчатым регулируемым турбонаддувом  для легкового автомобиля. Давление наддува 3-4 бара создается во всем диапазоне частот вращения (имеются ввиду установившиеся режимы). Давление наддува остается на высоком уровне даже на частичных нагрузках, оставляя резерв для разгонных режимов.

Рис. 5.7. Зависимость показателей дизеля от частоты вращения

на полной нагрузке [14]

В системе могут быть использованы относительно простые турбокомпрессоры, которые могут обойтись без сложных устройств регулирования, таких как, например, переменная геометрия турбины. Недостатком является удвоение компонентов системы. На рис. 5.8 представлена примерная схема двухступенчатого регулируемого наддува 6-цилиндрового транспортного дизеля.

До тех пор пока расход отработавших газов остается небольшим, канал перепуска мимо турбины закрыт. Весь поток расширяется на турбине высокого давления, а турбина низкого давления работает в режиме холостого хода. Благодаря этому высокое давление достигается уже на низких частотах.

Рис. 5.8. Примерная схема двухступенчатого регулируемого наддува [14]

С увеличением частоты вращения все большая часть работы расширения срабатывается на турбине низкого давления. Канал перепуска постепенно открывается. Таким образом, при средних частотах вращения, наддув происходит в варианте близком к классическом двухступенчатому турбонаддуву. В результате предварительного сжатия в компрессоре низкого давления малый компрессор (КВД) работает на более высоком уровне давления, за счет чего обеспечивается необходимый массовый расход воздуха. При высоких частотах вращения основную работу сжатия осуществляет компрессор низкого давления. При этом поток продолжает течь через компрессор высокого давления. Для снижения потерь давления в КВД иногда осуществляется перепуск воздуха. Уровень среднего эффективного давления при таком наддуве превышает таковой у одноступенчатого наддува с турбокомпрессором с переменной геометрией турбины во всем диапазоне частот вращения.

Данный метод наддува реализуется на дизельных двигателях для легковых автомобилей фирмы BMW под обозначением «Variable Twin Turbo » Система состоит из двух относительно простых турбокомпрессоров различного размера с диаметрами рабочих колес 39 и 66 мм. Степень сжатия 6-цилиндрового двигателя - 16,5, абсолютное давление наддува составляет 0,285 МПа, соответствующее среднее эффективное давление - 2,35 МПа. Двигатель развивает мощность 200 кВт при 4400 об/мин, что соответствует удельной мощности 66,8 кВт/дм³. Рядная конструкция двигателя существенно облегчает реализацию системы наддува по сравнению с V-образными аналогами, т.к. каждый из потоков воздуха или ОГ локализованы на своей стороне двигателя.

Рис. 5.9. Принципиальная схема двухступенчатого регулируемого наддува фирмы BMW (Variable Twin Turbo) [14]

Принцип работы системы наддува изображен на рис. 5.9. На низких частотах вращения до 1500 об/мин (диапазон I), воздух сжимается в малом компрессоре, а через большой компрессор проходит без существенного сжатия. При этом вся работа выхлопных газов срабатывается на малой турбине. Этот турбокомпрессор с низкой инерцией позволяет получить желаемое давление наддува, начиная с холостых частот вращения с очень короткой задержкой, а двигатель развивает момент в 530 Нм на установившемся режиме уже при 1.500 об/мин.

С увеличением частоты вращения воздух предварительно сжимается в большом компрессоре и дожимается в малом. В этой области (зона II) осуществляется двухступенчатое сжатие с небольшой степенью повышения давления в каждой из ступеней. Из-за этого охлаждение надувочного воздуха не осуществляется. В большом компрессоре степень повышения давления ниже, чем в малом. Совместная работа двух турбокомпрессоров позволяет осуществить плавный переход с низких частот в область высоких. При частотах вращения более 3250 об/мин поток отработавших газов и воздуха перепускается мимо малого турбокомпрессора, поскольку возросший расход газов становится выше расчетного значения агрегата. В этой области (зона III) вся работа расширения срабатывается на большой турбине, а воздух сжимается только в большом компрессоре. В случае очень высоких частот вращения срабатывает клапан перепуска отработавших газов мимо турбины, через который проходит часть расхода.

Рис. 5.10. Внешняя скоростная характеристика рядного 6-цилиндрового дизельного двигателя фирмы BMW [14]

На рис. 5.10 показана внешняя скоростная характеристика двигателя с описываемой системой и с традиционной системой наддува с переменной геометрией турбины.

Эффективность турбонаддува сохраняется на относительно высоком уровне во всем диапазоне частот вращения. Для того, чтобы для каждой точки поля характеристик двигателя использовать подходящий турбокомпрессор или наиболее выгодное сочетание турбокомпрессоров  необходимо иметь сложную систему управления расходом воздуха и ОГ. Для того, чтобы компенсировать неизбежные скачки в зависимости КПД компрессора и турбины от частоты вращения вала двигателя вследствие переключений, требуется сложное программное обеспечение. Из-за этого, а также вследствие наличия дополнительных компонент стоимость системы наддува увеличивается. Поэтому внедрение системы изначально произошло на автомобилях представительского класса. Несмотря на это, значительные преимущества, которые дает эта система, позволяет ожидать расширения ее использования.

Схемы с дополнительным приводным нагнетателем

Для улучшения пусковых качеств двигателей с турбонаддувом можно использовать дополнительный приводной нагнетатель, который соединяется с двигателем через муфту и мультипликатор. Чтобы преимущество системы имело место во всей области работы двигателя необходимо правильно подобрать их комбинацию. Ниже описана схема, предназначенная для дизельного двигателя, в которой приводной нагнетатель предшествует турбокомпрессору.

Турбокомпрессор находится в работе постоянно. В области низких нагрузок и частот вращения подключается приводной компрессор и тем самым реализуется двухступенчатый наддув. При средних частотах приводной компрессор используется только для переходных процессов. В области высоких частот используется только турбокомпрессор, причем как в стационарных, так и в переходных режимах. На рис. 5.11 представлена схема данного наддува. Подобная схема использована фирмой Volkswagen (рис.5.12, 5.13,5.14).

Комбинация приводного и турбонаддува имеет много преимуществ. Во-первых, из-за практически мгновенного повышения давления при механическом наддуве время перехода от частичных до полных нагрузок снижается во всем диапазоне частот вращения. В связи с независимостью механического наддува от расхода отработавших газов давление создается уже при низких частотах вращения. Турбокомпрессор в данном случае может работать в более узком, нежели при обычном турбонаддуве, диапазоне частот, а, следовательно, повышается его КПД. Это ведет к снижению расхода топлива в области высоких частот. К недостаткам можно отнести высокую стоимость системы и увеличение расхода топлива при работе приводного компрессора.

Рис. 5.11. Схема турбонаддува с дополнительным приводным нагнетателем [14]

Рис. 5.12. Поле работы комбинированного наддува Volkswagen:

1 – зона постоянной работы приводного компрессора; 2 – зона использования приводного компрессора при переходных режимах; 3 – зона работы турбокомпрессора; 4 – зона работы без наддува

Рис.5.13 Схема наддува Volkswagen TSI [15]

Рис. 5.14. Приводной нагнетатель фирмы Volkswagen

Турбонаддув с вспомогательной электросвязью

В предыдущем параграфе была показана возможность устранения недостатков турбонаддува, связанных с инертностью турбокомпрессора и недостатком энергии отработавших газов на низких частотах, при помощи дополнительной механической связи. Аналогичные задачи решают и системы с дополнительной электросвязью (EBS – Electric Boosting Systems).

Преимущество таких систем в относительной легкости передачи энергии. Может использоваться, как существующая электрическая система (12-вольтовая), либо отдельные, более мощные системы (например, 42-вольтовые). Последние, однако, в ближнесрочной перспективе не ожидаются. Следует отметить, что в 12-вольтовых электрических системах, из-за необходимости ограничения силы тока, можно кратковременно получить лишь до 2 кВт электроэнергии. Поэтому их в существенной мере можно использовать лишь на переходных режимах работы двигателя.

Схема наддува с электрическим приводом дополнительного компрессора

Одним из способов улучшения характеристики двигателя на установившихся так и переходных режимах, является применение дополнительного компрессора с электрическим приводом. В такой схеме процесс сжатия не зависит от стояния ОГ, соответственно  воздухоснабжение при низких частотах существенно улучшается.

На рис. 5.15 показана схема такой системы. Небольшое преимущество с энергетической точки зрения и гибкости в компоновке  имеет расположение вспомогательного компрессора перед турбокомпрессором [14]. При условии наличия необходимой электрической энергии система представляет собой аналог двухступенчатого регулируемого наддува. Когда наддув производится только от турбокомпрессора, для уменьшения потерь воздух перепускается мимо дополнительного компрессора.

Как уже отмечалось, при 12-вольтовой бортовой электрической системе кратковременно можно получить не более 2 кВт электрической энергии. Причем это значение почти не зависит от объема двигателя. Таким образом, преимущества системы больше проявляются в малолитражных двигателях и при низких частотах вращения в начале процесса разгона. Дальнейшее попытки сокращение времени достижения максимального давления посредством использования более мощных электродвигателей приносят небольшой эффект поскольку момент инерции электродвигателя растет интенсивнее его мощности.

Рис. 5.15. Схема наддува с электрическим приводом дополнительного компрессора [14]

Схема наддува с комбинированной газовой и электрической связью компрессора

В этой схеме электродвигатель установлен непосредственно на валу турбокомпрессора. Как и в предыдущем случае, данная схема в серии пока не реализована, хотя уже имеет коммерческие обозначения – «e-Turbo », «EAT » (Electrically Assisted Turbocharger). Схема данного типа наддува изображена на рис.5.16.

Размеры турбокомпрессора увеличиваются, вследствие компоновки электродвигателя и вспомогательных компонент, незначительно. Тепловая нагрузка на электродвигатель вследствие близости турбины является значительной даже тогда, когда он не работает. Это выдвигает соответствующие требования к системе охлаждения. По этой же причине  силовая и управляющая электроника размещены отдельно от турбокомпрессора в соответствующем месте моторного отсека.

Рис.5.16. Схема наддува с комбинированной газовой и электрической связью компрессора [14]

Несмотря на увеличение, из-за установки электродвигателя, момента инерции ротора, протекание переходных режимов улучшается. Поскольку сам компрессор и его характеристика не изменяются, повышение момента на установившихся режимах возможно лишь в узких пределах. Например, в диапазоне частот вращения вала двигателя, где компрессор из-за недостаточной энергии отработавших газов работает близко к границе помпажа. Хотя ограничивающим фактором опять же является наличие достаточного количества электроэнергии. Получить увеличение среднего эффективного давления во всем диапазоне частот вращения с помощью такой системы невозможно. Кроме того, в сравнении с предыдущей системой, есть еще один недостаток, связанный с переходной характеристикой. В то время как в предыдущей схеме электродвигателю необходимо раскручивать только относительно легкий компрессор и собственный ротор, то в рассматриваемой схеме к ним добавляется относительно тяжелая турбина. Это и определяет ее худшую динамическую характеристику (рис. 5.17). Преимуществом системы является возможность использования системы в генераторном режиме.

Рис. 5.17. Сравнение различных систем на переходном режиме [14]

Схема с использованием нестационарных газодинамических эффектов при турбонаддуве

Традиционные недостатки присущие системам высокого наддува, а именно неудовлетворительная характеристика протекания момента при малых частотах вращения и неудовлетворительная приемистость двигателя, могут быть частично устранены при реализации системы, использующей нестационарные газодинамические эффекты во впускном трубопроводе четырехтактного ДВС. При изложении дальнейшего материала предполагается, что читатель уже знаком с физическими основами этих эффектов, поэтому в пособии они рассматриваться не будут. К тому же  ниже будет описана лишь та разновидность схемы, которая использует для управления процессом дополнительную заслонку, расположенную перед впускным клапаном.

При изначальной настройке системы на максимальную мощность расход в области низких частот вращения при использовании системы можно увеличить на 20 – 30%. В меньшей степени можно поднять расход и на других частотах вращения. На рис. 5.18 представлена принципиальная схема описываемой системы.

Рис.5.18. Принципиальная схема турбонаддува с использованием нестационарных газодинамических эффектов [14]

Принцип работы системы при полной нагрузке заключается в следующем. После открытия впускного клапана заслонка остается закрытой, так что при перемещении поршня вниз в рабочей камере создается разряжение. При быстром открытии заслонки в нужный момент времени образуется волна разряжения, которая, достигнув ресивера, отражается волной сжатия. При подходе к впускному клапану после прохождения поршня НМТ, волна дозаряжает рабочую камеру. После прохождения волны заслонка закрывается и поэтому, несмотря на широкую фазу открытого состояния впускного клапана (из-за высокооборотной настройки) обратного движения воздуха не происходит. Давление между впускным клапаном и заслонкой сохраняется высоким даже после закрытия первого, что положительным образом сказывается во время перекрытия клапанов.

Подбирая моменты срабатывания заслонки можно получить настройку в широком диапазоне частот вращения, причем в отличие от других подобных схем не требуется регулировка длины впускных труб. Очевидно, что сам принцип работы исключает инерционность этой части системы наддува и не ухудшает приемистость двигателя.

Поскольку на низких частотах вращения вала двигателя наполнение цилиндра повышается на 20 – 30%, то это ведет при изначально равной частоте вращения компрессора или равном давлении наддува к повышению расхода воздуха, что в свою очередь повышает КПД сжатия. Зона работы компрессора отодвигается дальше от границы помпажа. Увеличение расхода воздуха приводит, по очевидным причинам, к увеличению расхода газов, что повышает работу на турбине и приводит к увеличению частоты вращения турбокомпрессора. Это приводит к увеличению давления наддува. Поэтому при равной частоте вращения вала двигателя в данной системе достигается больший момент, а равный момент, соответственно, достигается при более низких частотах вращения. В работе [14] указывается, что увеличение крутящего момента в зависимости от частоты вращения составляет от 25 до 50% по сравнению с турбонаддувным двигателем без использования нестационарных газодинамических эффектов. На рис.5.19 схематично представлены характеристики двигателя.

Рис. 5.19. Сравнение характеристик двигателей с турбонаддувом [14]

При позднем открытии заслонки при наполнении рабочей камеры происходит нагрев воздуха, причем, чем больше перепад давления, тем больше прогрев. Значение последнего может достигать 60 К. Хотя этот эффект с точки зрения детонации в бензиновом двигателе играет отрицательную роль, для дизеля он дает преимущества с точки зрения холодного запуска и прогрева, а также позволяет снизить степень сжатия.

К системе управления заслонкой предъявляются серьезные требования. C одной стороны, чтобы не было дросселирования с самого начала движения заряда, она должна обеспечивать большие проходные сечения и срабатывать за время менее 2 мс. С другой стороны, в закрытом положении заслонка должна обеспечивать достаточную герметичность. Кроме того, момент срабатывания заслонки изменяется в зависимости от режима работы двигателя. Поэтому в системе используется электромагнитный привод заслонки, который может работать при бортовом электрическом напряжении 12 вольт. В стадии срабатывания ему требуется 30 Вт электроэнергии для каждой заслонки, в режиме ожидания – 10 Вт.

Сравнение систем высокого наддува

В предыдущих разделах были представлены схемы, которые вписываются в высоконагруженную часть концепции «Downsizing ». Ниже представлена их сравнительная оценка, применительно к двигателям, предназначенных для легковых автомобилей. Акцент сделан на технической стороне вопроса.

36 Фейербах - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

При чистом двухступенчатом турбонаддуве с охлаждением наддувочного воздуха достигается наивысшее среднее эффективное давление. В зависимости от настройки оно может быть реализовано либо на низких, либо на высоких частотах вращения вала двигателя. Наличие двух турбокомпрессоров ухудшает приемистость двигателя. Природа снижения расхода топлива состоит в Downsizing-эффекте и высоком КПД турбины и компрессора.

Регистровый турбонаддув имеет, помимо высокой стоимости,  единственный недостаток, связанный с обеспечением надежной и долговременной работы переключателей компрессоров и турбин на высоких частотах переключения. Поскольку каждый турбокомпрессор спроектирован так, чтобы его работа приходилась лишь на часть диапазона частот вращения, то достигаются хорошая приемистость двигателя и низкий расход топлива.

То же самое касается двухступенчатого регулируемого турбонаддува. При еще более сложной системе в сравнении с регистровым наддувом, потенциал данного метода можно реализовать только при сложных стратегиях управления. Но в долгосрочной перспективе он, возможно, будет самым значимым методом в концепции «Downsizing ».

Основные преимущества дополнительного механического наддува – это увеличение крутящего момента на низких оборотах двигателя и улучшенная переходная характеристика. Снижение расхода топлива возможно только, тогда, когда двигатель большую часть времени эксплуатируется в области, где работает исключительно турбокомпрессор. Таким образом, цена преимуществ данной системы –  относительно более высокий расход топлива.

В схеме наддува с комбинированной газовой и электрической связью компрессора обеспечивается улучшение пуска и переходных характеристик двигателя. Однако для этой цели требуется электрическая мощность в диапазоне 2 – 4 кВт. Поэтому при наличии частых режимов ускорения, необходимо иметь электрическую систему с существенно более высоким бортовым напряжением (например, 42 вольт). По этой причине увеличение крутящего момента на низких частотах возможно лишь в течении короткого времени, например в процессе непродолжительного пуска. Силовая и управляющая электроника имеет высокую цену. Наддув с электроприводом дополнительного компрессора имеет меньше недостатков.

Наддув с использованием нестационарных газодинамических эффектов и управляемой дополнительной заслонки имеет большой потенциал для увеличения крутящего момента при низких частотах вращения вала двигателя как для атмосферных, так и турбонаддувных двигателей. При правильном подборе турбокомпрессора можно повысить номинальную мощность и снизить расход топлива. Однако здесь еще требуются работы по отработке и развитию системы.