Турбокомпаунд scania что это
Турбокомпаунд — что это? Принцип работы.
Турбокомпаунд — что это и как это работает? Даже не каждый автомеханик может ответить на этот вопрос, ведь понятие турбокомпаундного двигателя у нас не прижилось и мало известно специалистам. В данной статье мы расскажем что такое турбомпаунд и принцип его работы.
Турбокомпаундный двигатель (ТКД) — двигатель внутреннего сгорания, в котором мощность вырабатывается не только в цилиндро-поршневой группе, но и в силовой турбине. Возможны различные схемы расположения силовой турбины в силовой установке.
Цель создания турбокомпаунд — повышение мощностных и эксплуатационных характеристик дизельных двигателей. Турбокомпаунд позволяет получить дополнительную мощность, преобразуя «теряемую» энергию. Он работает, преобразуя и используя энергию, которая в противном случае была бы потеряна или израсходована впустую.
Турбокомпаундный двигатель — классический пример рециркуляции. Вместо того, чтобы выбрасывать «отработанную энергию» в выхлопную трубу, вторая турбина, установленная за турбокомпрессором, приводимая в действие выхлопными газами, отбирает из этих газов дополнительное тепло.
🔎 Принцип работы турбокомпаунда
Турбина турбокомпаунда вращается со скоростью 55000 об/мин. Это движение передается через турбинные шестерни и гидравлическую муфту, а затем через шестерни газораспределительного механизма на коленчатый вал. Передача вращения на них создает полезную прибавку крутящего момента, что отражается и на изменении крутящего момента на маховике. Такая дополнительная тяга возникает без увеличения расхода топлива.
🔎 Схема работы системы турбокомпаунд
• Выхлопные газы поступают из выпускного коллектора двигателя при температуре, близкой к 700° С.
• Выхлопные газы используются для привода традиционного турбокомпрессора, в котором энергия используется для повышения эффективности сгорания топлива и, как следствие, мощности и крутящего момента двигателя. Затем выхлопные газы, вместо того, чтобы впустую уйти в атмосферу, направляются в блок турбокомпаунда.
• На входе в блок турбокомпаунда выхлопные газы сохраняют высокую температуру (около 600°С); их энергия используется для разгона второй турбины примерно до 55000 об/мин. На выходе из этой турбины температура газов снижается приблизительно до 500°С, после чего они отводятся через обычную систему выпуска и глушитель.
• Вращательное движение турбины передается через несколько понижающих передаточных устройств — механические передачи и гидравлическую муфту. Гидравлическая муфта согласовывает различные частоты вращения маховика и турбины турбокомпаунда.
• К моменту передачи вращательного движения на маховик, частота вращения снижается примерно до 1900 об/мин.
• Вращательный момент на маховике увеличивается, и вращение маховика становится более устойчивым и плавным.
Турбокомпаунд — что это? Принцип работы
Турбокомпаунд — что это и как это работает? Даже не каждый автомеханик может ответить на этот вопрос, ведь понятие турбокомпаундного двигателя у нас не прижилось и мало известно специалистам. В данной статье мы расскажем что такое турбомпаунд и принцип его работы.
Цель создания турбокомпаунд — повышение мощностных и эксплуатационных характеристик дизельных двигателей. Турбокомпаунд позволяет получить дополнительную мощность, преобразуя «теряемую» энергию. Он работает, преобразуя и используя энергию, которая в противном случае была бы потеряна или израсходована впустую.
Турбокомпаундный двигатель — классический пример рециркуляции. Вместо того, чтобы выбрасывать «отработанную энергию» в выхлопную трубу, вторая турбина, установленная за турбокомпрессором, приводимая в действие выхлопными газами, отбирает из этих газов дополнительное тепло.
Принцип работы турбокомпаунд (фото 2)
Турбина турбокомпаунда вращается со скоростью 55000 об/мин. Это движение передается через турбинные шестерни и гидравлическую муфту, а затем через шестерни газораспределительного механизма на коленчатый вал. Передача вращения на них создает полезную прибавку крутящего момента, что отражается и на изменении крутящего момента на маховике. Такая дополнительная тяга возникает без увеличения расхода топлива.
Схема работы системы турбокомпаунд
Выхлопные газы поступают из выпускного коллектора двигателя при температуре, близкой к 700° С.
Выхлопные газы используются для привода традиционного турбокомпрессора, в котором энергия используется для повышения эффективности сгорания топлива и, как следствие, мощности и крутящего момента двигателя. Затем выхлопные газы, вместо того, чтобы впустую уйти в атмосферу, направляются в блок турбокомпаунда.
На входе в блок турбокомпаунда выхлопные газы сохраняют высокую температуру (около 600°С); их энергия используется для разгона второй турбины примерно до 55000 об/мин. На выходе из этой турбины температура газов снижается приблизительно до 500°С, после чего они отводятся через обычную систему выпуска и глушитель.
Вращательное движение турбины передается через несколько понижающих передаточных устройств — механические передачи и гидравлическую муфту. Гидравлическая муфта согласовывает различные частоты вращения маховика и турбины турбокомпаунда.
К моменту передачи вращательного движения на маховик, частота вращения снижается примерно до 1900 об/мин.
Вращательный момент на маховике увеличивается, и вращение маховика становится более устойчивым и плавным.
Зачем на двигатель устанавливают турбокомпаунд
Целью создания данного технического новшества, которое впервые было применено шведской компанией Scania в 1990 году, было повышение мощностных и эксплуатационных характеристик дизельных двигателей.
Принцип работы турбокомпаунда основан на использовании энергии отработавших газов, что позволило увеличивать мощность двигателей.
Увы, но энергия, которая выделяется при сгорании топлива в цилиндрах, для передвижения автомобиля используется не полностью.
Использовать энергию, которая теряется с выхлопными газами, вполне возможно, и это уже неоднократно доказано.
Первый этап использования энергии отработавших газов производится в турбокомпрессоре. Он предназначен для нагнетания под давлением воздуха в цилиндры двигателя.
Выхлопные газы с температурой 600 – 700 °C поступают в газовую турбину турбокомпрессора, раскручивая её до 55 000 – 100 000 об/мин. Она вращает центробежный компрессор, который нагнетает воздух через впускной трубопровод в цилиндры. Соответственно, большая масса воздуха обеспечивает более полное сгорание даже увеличенной порции топлива, вследствие чего повышается мощность и экономичность двигателя.
Но при этом энергия отработавших газов используется не полностью. Пройдя через турбину выхлопные газы теряют около 100 °C, а значит с 40% энергии используется примерно 15%, а остальные 25% идут в выхлопную трубу.
Для дальнейшего использования оставшейся энергии был разработан специальный турбокомпаундный блок, благодаря которому энергия отработавших газов преобразуется в механическую энергию и через специальный привод передается на коленчатый вал, повышая мощность двигателя.
Из турбины турбокомпаундного блока отработанные газы уже выходят с температурой 480 – 500 градусов.
Правда о турбокомпаунде
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Что такое турбокомпаунд и для чего он нужен
При всем уважении, которого заслуживает ДВС, его проникновении практически во все сферы деятельности людей и том влиянии, которое он оказал на развитие цивилизации, его нельзя отнести к лучшим достижениям человеческого разума. А все из-за низкого КПД и разрушительного влияния на окружающую среду. Отмеченные недостатки ДВС можно уменьшить, и одним из устройств, позволяющих это реализовать, является турбокомпаунд.
Вернемся к началу, немного о работе ДВС
Она основана на сгорании топлива в цилиндрах мотора. Эффективность этого процесса оценивается по-разному – от тридцати до сорока пяти процентов тепловой энергии преобразуется в механическую. Еще до двадцати пяти процентов уходит на тепловые потери, нагревание двигателя. И примерно сорок процентов энергии безвозвратно теряется вместе с выхлопными газами. Часть потерь удается уменьшить, и в этом процессе участвует турбокомпаунд.
Как происходит использование энергии отработанных газов?
После сгорания топлива в цилиндрах ДВС, выхлопные газы удаляются и поступают в выхлопную систему. Для утилизации части энергии первым на их пути стоит турбокомпрессор. Его привод осуществляется выхлопными газами, и это позволяет обеспечить подачу дополнительного объема воздуха в мотор. Как это происходит, понятно из рисунка
Такой подход позволяет частично утилизировать энергию выхлопных газов. На выходе ДВС их температура составляет семьсот градусов, после турбокомпрессора она равна шестистам градусам.
Турбокомпаунд Scania
Эти данные говорят о том, что энергия выхлопных газов еще достаточно велика. И первыми ее стали использовать разработчики Scania для улучшения характеристик дизеля DTS 11 01. Инженеры Scania добились удивительного результата – благодаря полученной практически без дополнительных затрат мощности, двигатель стал работать мягче и продемонстрировал великолепную приспособляемость к различным режимам движения.
Фактически турбокомпаунд Scania можно считать классическим примером рекуперации энергии – повторное использование той ее части, которая получена раньше, а затем бесполезно теряется. Достигнутые результаты оказались впечатляющими – турбокомпаунд дал прибавку к мощности двигателей Scania примерно в сорок лошадиных сил. Так что можно сказать, что турбокомпаунд оправдал ожидания инженеров компании Scania, обеспечив дизелям их разработки улучшенные характеристики.
Как работает турбокомпаунд
После прохождения турбокомпрессора, как уже отмечалось, выхлопные газы остаются горячими и обладают достаточным запасом энергии. Поэтому на пути движения отработанных газов появляется дополнительное устройство – турбокомпаунд, использующее сохранившуюся энергию. Как это происходит, позволяет понять рисунок ниже:
Выхлопные газы поступают в турбокомпаунд и раскручивают турбину, входящую в его состав, до пятидесяти пяти тысяч оборотов. Развиваемая мощность через понижающую передачу и специальную муфту поступает на маховик. После того, как выхлопные газы пройдут турбокомпаунд, их температура снижается ещё на сто градусов, после чего они поступают в выхлопную систему.
Что же получается в итоге
В результате того, что был введен турбокомпаунд в конструкцию дизелей Scania, удалось:
К недостаткам можно отнести разве что усложнение конструкции и обслуживания, ну и как следствие этого, увеличение стоимости.
Турбокомпаунд можно считать одним из вариантов улучшения характеристик дизеля за счет его скрытых возможностей. Это показывает, что благодаря правильному подходу их можно использовать для улучшения ДВС.
» alt=»»>