Применение систем наддува в зависимости от уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля для выполнения требований экологических стандартов

УДК 621.43.052

Химич В.Л., д.т.н., проф. / Епифанов Д.В., асп. НГТУ им. Р.Е. Алексеева

С целью снижения техногенного воздействия на окружающую среду в Европе для автомобильного транспорта разработаны экологические стандарты:

• Евро 0 — с 1982 года нормирует эмиссии оксидов азота (NOx), углеводородов (CН), монооксида углерода (CO) и дымности (К) отработавших газов;

• Евро 1 – Евро 5 — с 1992 года дополнительно нормируют дисперсные частицы (РМ);

• Евро 6 — с 2014 года дополнительно нормирует эмиссии диоксида углерода (CO2).

В составе силовой установки автотранспортного средства дизель завоевал ведущее место благодаря высокой топливной экономичности, низкой токсичности отработавших газов (ОГ) и широким возможностям по уровню форсирования мощности с применением различных систем наддува.

В данной статье рассмотрены особенности систем наддува дизелей, устанавливаемых на автотранспортные средства с максимальной массой до 3,5 т, эмиссии вредных веществ которых определяют по Правилам ЕЭК ООН №83 [1].

РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ТУРБОНАДДУВА ДИЗЕЛЕЙ ДО 2000 ГОДА

Рассмотрим особенности развития систем турбонаддува дизелей с рабочим объемом 1,9 л фирмы Volkswagen, применяемых на автомобилях Golf, по мере развития Европейских экологических стандартов от Евро 0 до Евро 3.


Рисунок 1. ВСХ по абсолютному давлению наддува pk дизелей с рабочим объемом 1,9 л фирмы Volkswagen [2]

На рис. 1 приведены внешние скоростные характеристики (ВСХ) по абсолютному давлению наддува дизелей с системами одноступенчатого турбонаддува с регулируемыми турбокомпрессорами:

- с клапаном перепуска части ОГ, минуя турбину (ВСХ 1, 2);

- с регулируемым сопловым аппаратом турбины (ВСХ 3-5).

Анализ ВСХ 1 — 5 показывает, что данные турбокомпрессоры обеспечивают:

- максимальное повышение давления наддува в диапазоне частот вращения коленчатого вала от 1000 до 2000 мин-1;

- поддержание максимального давления наддува рk.max в диапазоне частот вращения коленчатого вала от 2000 до 4000 мин-1;

- увеличение максимального давления наддува рk.max от 1,8 до 2,5 Бар по мере перехода от Евро 0 к Евро 3, при этом литровая мощность дизелей возрастает от 34,7 до 57,9 кВт/л.

При уровне форсирования дизелей фирмы Volkswagen более 42 кВт/л в системах одноступенчатого турбонаддува потребовалось применение турбокомпрессора с регулируемым сопловым аппаратом турбины для выполнения требований экологических стандартов Евро 2, 3.

Дальнейшее развитие экологических стандартов привело к совершенствованию одноступенчатых систем турбонаддува и разработке двухступенчатых систем наддува для дизелей Евро 4 — 6 с сохранением вышеотмеченных тенденций.

ОДНОСТУПЕНЧАТЫЕ СИСТЕМЫ ТУРБОНАДДУВА

В одноступенчатых системах турбонаддува сжатие воздуха выполняется с помощью одного центробежного компрессора с приводом от газовой турбины (ТКР).

Различают нерегулируемые и регулируемые ТКР.

В регулируемых ТКР предусмотрены дополнительные конструктивные устройства для изменения скорости ОГ на входе в колесо газовой турбины или скорости воздуха на выходе из колеса центробежного компрессора.

В автомобильных дизелях наиболее широко применяются:

- ТКР WGТ (с клапаном перепуска части ОГ, минуя турбину);

- ТКР с РСА (с регулируемым сопловым аппаратом турбины);

- ТКР VST (с дросселированием турбины).

ТКР WGТ

Схема работы ТКР WGТ приведена на рис. 2.


Рисунок 2. Устройство и схема работы ТКР WGТ [3]: 1 — электропневматический преобразователь давления наддува; 2 — вакуумный насос; 3 — исполнительный механизм перепускного клапана; 4 — корпус турбины; 5 — перепускной клапан; 6 — канал подачи ОГ к турбине; 7 — канал подачи сжатого воздуха во впускной тракт дизеля; 8 — колесо турбины; 9 — колесо компрессора

К достоинствам ТКР WGТ относятся:

- простота регулирования давления наддува с помощью клапана перепуска части ОГ, минуя турбину;

- поддержание максимального давления наддува на заданном уровне в диапазоне частот вращения коленчатого вала от 2000 до 4500 мин-1 (см. рис. 1).

К недостаткам ТКР WGТ относятся:

- необходимость перепуска высокоэнтальпийных ОГ в атмосферу, минуя турбину для поддержания рk.max на заданном уровне, после режима максимального крутящего момента дизеля, что приводит к ухудшению экономичности и увеличению эмиссии вредных веществ с ОГ;

- наличие «турбопровала» на переходных режимах работы дизеля.

ТКР с РСА

К достоинствам ТКР с РСА, по сравнению с ТКР WGT, относятся:

- отсутствие перепуска высокоэнтальпийных ОГ в атмосферу, минуя турбину, что приводит к повышению экономичности и снижению эмиссии вредных веществ с ОГ;

- отсутствие «турбопровала» на переходных режимах работы дизеля;

- повышение максимального давления наддува рk.max до 2,5 Бар при одновременном повышении топливной экономичности дизеля;

- возможность гибкого управления давлением наддува на любых режимах работы дизеля.

К недостаткам ТКР с РСА, по сравнению с ТКР WGT, относятся:

- более сложное конструктивное исполнение;

- необходимость электронного управления с обратной связью.

Применение ТКР с РСА на дизелях с рабочим объемом более 1,4 л позволяет повысить уровень крутящих моментов по ВСХ при низких частотах вращения коленчатого вала, что приводит к повышению динамических качеств автомобиля, снижению эксплуатационного расхода топлива и количества эмиссий вредных веществ с ОГ (см. рис. 3).


Рисунок 3. ВСХ по среднему эффективному давлению дизеля с одинаковой номинальной мощностью, оснащенного ТКР WGT и ТКР с РСА [4]

В качестве примера ТКР с РСА на рис. 4 приведено устройство и схема работы ТКР с поворотными лопатками соплового аппарата турбины.


Рисунок 4. Устройство и схема работы ТКР с поворотными лопатками соплового аппарата турбины [3]: 1 — канал подачи ОГ; 2 — колесо турбины; 3 — поворотная лопатка соплового аппарата турбины; 4 — шланг подачи разрежения; 5 — кольцо для поворота лопаток соплового аппарата турбины; 6 — отверстие для подачи смазочного масла; 7 — подача воздуха к компрессорной ступени; 8 — подача сжатого воздуха к двигателю

ТКР VST

ТКР VST является вариантом исполнения ТКР с РСА, который специально разработан для дизелей с рабочим объемом менее 1,4 л.

Устройство турбинной ступени ТКР VST приведено на рис. 5.


Рисунок 5. Турбинная ступень ТКР VST [3]: 1 — колесо турбины; 2 — улитка корпуса турбины; 3 — подводной канал; 4 — регулирующая заслонка; 5 — перепускной канал; 6 — тяга управления заслонкой

Принцип работы ТКР VST заключается в открытии подводного канала 3 регулирующей заслонкой 4, которая увеличивает проходное сечение улитки корпуса турбины и, соответственно, расход ОГ через колесо турбины.

При низких частотах вращения коленчатого вала или малых нагрузках ОГ поступает в колесо турбины только через улитку корпуса турбины 2 с малым поперечным сечением. Это повышает скорость течения ОГ и обеспечивает высокое давление наддува. При достижении заданного давления наддува регулирующая заслонка 4 открывает подводной канал 3. Скорость течения ОГ уменьшается, что приводит к стабилизации давления наддува. Конструкция регулирующей заслонки 4 позволяет при необходимости перепускать часть ОГ, минуя турбину, через перепускной канал 5 [3, 5].

Продолжение читайте в следующем номере

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р41.83-2004 (Правила ЕЭК ООН № 83) Единообразные предписания, касающиеся сертификации транспортных средств в отношении выбросов вредных веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей [Текст]. Введен в действие 09.03.2004 г. постановлением № 126-ст. Издание официальное. Москва. ИПК Издательство стандартов. 2004.

2. Системы управления дизельными двигателями. Пер. с нем. 1-е русское изд. [Текст]. — М.:ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004.-480 с.

3. Dr. Frank Schmitt, Dipl.-Ing. Hans-Peter Schmalzl, Dipl.-Ing. Patrick Descamps Neue Erkenntnisse bei der Entwicklung von Aufladesystemen for Pkw-Motoren. Feb.2003. [Электронный ресурс]. — Режим доступа к статье ttp://www.turbos.bwauto.com/service/default.aspx?doctype=12.

4. Hoecker, P.; Pfluger, F.; Jaisle, J. W.; Munz, S. Moderne Aufladekonzepte fur PKW Dieselmotoren 7. Aufladetechnische Konferenz, Dresden, 28. — 29. September 2000. [Электронный ресурс]. — Режим доступа к статье http://www.turbos.bwauto.com/service/ default.aspx?doctype=12.