note2auto.ru

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.

kpozapkz.mirtesen.ru