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
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.
Именно так объясняют эффект его применения и конструкторы Scania - специалисты компании, которая интенсивно использует турбокомпаунд в конструкциях двигателей 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.
Как же все-таки работает турбокомпаунд? 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 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 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. 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.
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.
Давайте вспомним, что происходит с двигателем, 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 двигателя 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.
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.
В заключение можно отметить, что
введение в конструкцию судового и не только дизеля силовой турбины позволяет
обеспечить высокую топливную экономичность при низкой шумности и малых выбросах
токсичных компонентов с отработавшими газами, а также создает предпосылки для
дальнейшего форсирования двигателя по среднему эффективному давлению. Если КПД
дизеля с турбонаддувом - 40%, то турбокомпаунд позволил увеличить этот
показатель до 46%. Возможности оптимизировать систему двигательнагнетатель с
целью повышения ее энергетической эффективности и экологической безопасности
далеко не исчерпаны, работы в этом направлении необходимо продолжать.
Литература
1. Седельников Г.Д. Энергосберегающие системы малооборотных дизелей. - Владивосток: Дальнаука, 2003. - 230 с.
. Курзон А.Г., Седельников Г.Д. Оптимизация параметров и схем утилизации теплоты дизельных установок Двигателестроение. - 1991. -№10-11.-С. 15-19.
. Курзон А.Г., Седельников Г.Д. Оценка эффективности различных схем утилизации теплоты уходящих газов в судовых дизельных установках Судостроение. - 1995. - С. 9-12.
. Седельников Г.Д., Попов А.Ю. Характеристики энергосберегающих систем на режимах долевой мощности малооборотного дизеля Двигателестроение. - 2002. - № 1. - С. 26-28.