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

Окончание. Начало в № 2 (61) 2010

УДК 621.43.052

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

ТКР С ВСТРОЕННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

Обмотка ротора встроенного электродвигателя размещена на роторе ТКР со стороны колеса компрессора. Обмотка статора встроенного электродвигателя размещена в неподвижной проставке между корпусом компрессора и корпусом подшипников скольжения ТКР (см. рис. 6).


Рисунок 6. ТКР с встроенным электродвигателем «eu-ATL» фирмы Borg Warner Turbo System (BWTS):
а) продольный разрез ТКР [5];
б) схема соединения ТКР с двигателем [4]

Применение встроенного электродвигателя на всех типах ТКР позволяет получить максимально- возможные давления наддува по ВСХ сразу после режима холостого хода, при этом величина давления наддува ограничивается линией помпажа.

Кроме того, применение встроенного электродвигателя позволяет устранить «турбопровал» на ТКР WGТ и нерегулируемых ТКР.

Фирма Honeywell-Garrett разработала аналогичную конструкцию ТКР «e-Turbo», которая за счет энергии ОГ позволяет использовать встроенный электродвигатель в качестве генератора [6].

СИСТЕМА ТУРБОНАДДУВА С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ ВОЗДУХА ДВУМЯ ТКР

На рис. 7 приведена схема системы турбонаддува с параллельной подачей воздуха с помощью двух ТКР, разработанная специалистами фирм Honeywell-Garrett и PSA.


Рисунок 7. Схема системы параллельной подачи воздуха с помощью двух ТКР 4-цилиндрового дизеля с рабочим объемом iVh = 2,2 л (Ne = 125 кВт / 4000 мин-1, Евро 4) [7]

Данная система турбонаддува состоит из двух малоразмерных ТКР1 и ТКР2 фирмы Honeywell — Garrett и трех управляющих клапанов 1, 2 и 3.

ТКР1 — регулируемый ТКР WGT (модель GT1446S), имеет более высокую производительность, по сравнению с ТКР2.

ТКР2 — нерегулируемый ТКР (модель GT1238), подключается параллельно к ТКР1 с помощью клапанов 2 и 3 по мере необходимости. Байпасный клапан 1 обеспечивает циркуляцию воздуха через компрессорную ступень ТКР2 с целью минимизации утечек смазочного масла через уплотнения подшипникового узла на переходных режимах, когда клапан 3 открыт, а клапан 2 закрыт, и сжатый воздух от ТКР2 не поступает в двигатель.

Данная система турбонаддува позволяет дизелю при iVh = 2,2 л развивать по ВСХ крутящий момент 330 Нм при частоте вращения коленчатого вала 1300 мин-1 и достигать максимального крутящего момента, равного 370 Нм, при 1500 мин-1.

В диапазоне частот вращения коленчатого вала дизеля от 2600 до 3200 мин-1 клапан 3 обеспечивает подачу ОГ в турбинную ступень ТКР2. При этом клапан 1 обеспечивает перепуск сжатого воздуха на вход в компрессорную ступень ТКР2. Начиная с 3200 мин-1 клапан 1 закрывается, а клапан 2 открывается, обеспечивая подачу сжатого воздуха на впуск дизеля параллельно ТКР1.

Дальнейшим развитием системы параллельной подачи воздуха с помощью 2-х ТКР является система турбонаддува V-образного дизеля AJ-V6D Gen III фирмы Ягуар, в которой ТКР1 выполнен в виде регулируемого ТКР с РСА. При iVh = 3,0 л литровая мощность дизеля увеличена с 56,8 до 67,3 кВт/л, достигнут максимальный крутящий момент 600 Нм при 1500 мин-1 и выполнены нормы Евро 5 [8].

Основным недостатком одноступенчатых систем турбонаддува является ограничение линией помпажа требуемого максимального давления наддува в диапазоне частот вращения коленчатого вала от 1000 до 2000 мин-1. Поэтому для выполнения экологических стандартов Евро 4 — Евро 6 многие фирмы применяют двухступенчатые системы наддува.

ДВУХСТУПЕНЧАТЫЕ СИСТЕМЫ НАДДУВА

В двухступенчатых системах наддува сжатие воздуха выполняется последовательно с помощью двух центробежных компрессоров, привод одного из которых может быть выполнен от электродвигателя.

СИСТЕМА ТУРБОНАДДУВА R2STM

На рис. 8 приведена схема системы R2STM, разработанной специалистами фирмы Borg Warner Turbo System (BWTS) и BMW.


Рисунок 8. а) схема системы двухступенчатого турбонаддува R2STM для дизеля OM651 (iVh = 2,2 л; Евро 5); б) сравнение ВСХ по среднему эффективному давлению дизеля OM651 с двухступенчатой и с одноступенчатой системами турбонаддува [4]

Система R2STM включает два ТКР фирмы BWTS и два перепускных клапана.

ТКР1, регулируемый ТКР WGT ступени низкого давления, и ТКР2, нерегулируемый ТКР ступени высокого давления, работают одновременно. Клапаны перепуска воздуха и ОГ регулируют давление наддува (см. рис. 8а).

Применение системы R2STM вместо ТКР с РСА при постоянном рабочем объеме позволяет существенно увеличить среднее эффективное давление дизеля по всей ВСХ (см. рис. 8б).

Это достигается за счет применения ТКР2 с высоким значением степени повышения давления wк и к.п.д. компрессорной ступени при низких расходах воздуха, когда дизель работает в диапазоне частот вращения коленчатого вала от 1000 до 2000 мин-1.

ТКР1 обеспечивает высокое значение wк и высокое кпд компрессорной ступени при больших расходах воздуха, когда дизель работает в диапазоне частот вращения коленчатого вала от 2000 до 4000 мин-1 (см. рис. 9).


Рисунок 9. Схема получения объединенной расходно-напорной характеристики с помощью системы турбонаддува R2STM [9]: 1 — характеристика компрессорной ступени ТКР2; 2 — характеристика компрессорной ступени ТКР1

Дальнейшее повышение крутящего момента достигается в системе R2STM при использовании в качестве ТКР2 регулируемого ТКР с РСА [10].

СИСТЕМА НАДДУВА eBoosterTM

На рис. 10 приведена схема системы наддува eBoosterTM, разработанной специалистами фирмы Borg Warner Turbo System и BMW.


Рисунок 10. а) схема системы наддува eBoosterTM; б) внешний вид компрессора eBoosterTM с электроприводом [11]

Данная система наддува включает в себя регулируемый ТКР WGT перепуска воздуха, минуя компрессорную ступень, и компрессор eBoosterTM с электроприводом (см. рис. 10а).

Компрессор eBoosterTM с электроприводом позволяет дизелю развивать более высокие значения крутящих моментов по ВСХ при низких частотах вращения коленчатого вала как на установившихся, так и на переходных режимах (см. рис. 11).


Рисунок 11. Динамика изменения крутящего момента дизеля при повышении нагрузки при постоянной частоте вращения коленчатого вала, равной n = 2000 мин-1 [11]

При работе дизеля на частотах n > 2000 мин-1 компрессор eBoosterTM отключается.

Основным преимуществом компрессора eBoosterTM является электропривод, который позволяет получить высокие значения wк при высоких кпд компрессорной ступени на любых режимах работы дизеля при n < 2000 мин-1 .

СИСТЕМА НАДДУВА eChargerTM

Данная система наддува, как аналог системы eBoosterTM, разработана специалистами фирмы Honeywell-Garrett (США) [12].

СИСТЕМА НАДДУВА TURBODYNE TURBOFLOWTM

Данная система наддува разработана специалистами фирмы Turbodyne Technologies Inc. (США). От системы eBoosterTM она отличается тем, что может работать как совместно с ТКР, так и в качестве основного агрегата наддува [13].

СИСТЕМА НАДДУВА VTESTM

Данная система наддува разработана специалистами фирмы Controlled Power Technologies (Великобритания). Её отличительной особенностью, по сравнению с системой eBoosterTM, является компрессор с электромагнитным двигателем, обеспечивающий высокую скорость нарастания давления перед ТКР WGT [14].

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА СИСТЕМ НАДДУВА

Для рационального выбора системы наддува дизеля в зависимости от требований, предъявляемых к автомобилю, целесообразно выполнить оценку потенциала рассмотренных выше систем наддува.

На рис. 12 приведены ВСХ дизелей с различными системами наддува в зависимости от уровня форсирования (литровой мощности).


Рисунок 12. ВСХ по среднему эффективному давлению дизелей с различным уровнем форсирования [15]: 1 — с одноступенчатой системой турбонаддува (ТКР с РСА, настройка на режим номинальной мощности); 2 — с одноступенчатой системой турбонаддува (ТКР с РСА, настройка на получение высокой литровой мощности); 3 — с одноступенчатой системой турбонаддува (система турбонаддува с параллельной подачей воздуха двумя ТКР фирмы Honeywell-Garrett); 4 — с двухступенчатой системой наддува eBoosterTM; 5 — с двухступенчатой системой турбонаддува R2STM

В таблице приведены параметры для сравнительной оценки потенциальных возможностей дизеля и динамических качеств автомобиля в зависимости от типа используемой системы наддува.

Таблица. Параметры дизеля и автомобиля [4]


Примечание. Возможности для улучшения параметра: o — отсутствует; + — существует; ++ — максимальная.

Анализ внешних скоростных характеристик, приведенных на рис. 3 и рис. 12, а также оценка качественного уровня параметров, приведенных в таблице, показывает, что:

- при заданных динамических качествах автомобилей, выполняющих экологические стандарты Евро 4 — Евро 5, для дизелей с литровой мощностью до 60 кВт/л наиболее предпочтительными являются одноступенчатые системы турбонаддува на базе ТКР с РСА;

- при заданных динамических качествах автомобилей, выполняющих экологические стандарты Евро 4 — Евро 5, для дизелей с литровой мощностью более 60 кВт/л требуется применение двухступенчатых систем наддува;

- для повышения динамических качеств автомобиля и выполнения экологического стандарта Евро 6 для дизелей с литровой мощностью до 60 кВт/л наиболее предпочтительными являются двухступенчатые системы наддува на базе ТКР с РСА и eBoosterTM;

- для повышения динамических качеств автомобиля и выполнения экологического стандарта Евро 6 для дизелей с литровой мощностью более 60 кВт/л требуется применение двухступенчатой системы турбонаддува R2STM.

Авторы выражают благодарность к.т.н. А.Д. Блинову за оказанное содействие при написании и редактировании данной статьи.

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. Dieter Neyer, Richard Dorenkamp, Pol Rottenkolber; 25 Jahre Dieselmotoren bei Volkswagen [Text].- MTZ-2001, mai.

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

4. 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.

5. 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.

6. Электронно-поддерживаемый наддув [Текст]: Автостроение за рубежом.-2004, май.- С.12-14.-ISSN 1684-7725.

7. Parallel-sequenzielle Bi-Turboaufladung. [Текст]. MTZ.- 2006,september.

8. Jaguar Introduces New 3.0L Diesel for European Market [Электронный ресурс]. — Режим доступа к статье http://www.greencarcongress.com/2008/12/jaguar-introduc.html#morе .

9. Dr. S. Munz, Dr. M. Schier, H. P. Schmalzl, Dr. Th. Bertolini//DereBooster Konzeption und Leistungsvermegen eines fortgeschrittenen elektrischen Aufladesystems. Sept.2002. [Электронный ресурс]. — Режим доступа к статье ttp://www.turbos.bwauto.com/service/default.aspx?doctype=12.

10. Diesel Power: информ.-аналит. журн. TurboNews. The info magazine the BorgWarner Turbo & Emissions Systems.-2007, январь. [Электронный ресурс]. — Режим доступа к статье http://www.turbos.bwauto.com/service/default.aspx.

11. Dipl.-Ing. P.Hoecker, Dr. J.-W.Jaisle, Dr.S.Mаnz // Der eBoosterTM von BorgWarner Turbo Systems // Schlаsselkomponente eines neuen Aufladesystems fоr Pkw.Mai.2001. [Электронный ресурс]. — Режим доступа к статье http://www.turbos.bwauto.com/service/default.aspx?doctype=12.

12. Turbocharger aftermarket Honeywell-Garrett. Garrett variable geometry turbochargers [Тext]: -Cheshire: Honeywell U.K. LTD, 2003.-32 p.

13. The TurboFlow™ for Automotive Applications [Электронный ресурс]. — Режим доступа к статье http://www.turbodyne.com/index.php?option=com_content&task=view&id=17&Itemid=12.

14. Electric Supercharger Can Enable More Extreme, Cost-Effective Engine Downsizing [Электронный ресурс]. — Режим доступа к статье http://www. greencarcongress.com/2008/09/electric-superc.html.

15. Charging System [Электронный ресурс]. — Режим доступа к статье http://www.avl.com/wo/webobsession.servlet.go/encoded/ YXBwPWJjbXMmcGFnZT12aWV3Jm5vZGVpZD00MDAwMzQ5OTM_3D.html.