10 Регулирование наддува с целью улучшения характеристики протекания крутящего момента двигателя
Возможные пути улучшения приемистости двигателя с газотурбинным наддувом и характеристики крутящего момента, кроме уже известных использования импульсных систем наддува и снижения момента инерции ротора турбокомпрессора, - применение специальных мероприятий, требующих для их реализации определенных затрат и нашедших зачастую лишь ограниченное применение:
1 Регулирование турбокомпрессора
а) Воздействие на компрессор:
дросселирование на входе в компрессор;
закрутка воздуха на входе в компрессор поворотными лопатками;
регулирование компрессора поворотом лопаток диффузора;
выпуск части сжатого воздуха в атмосферу или на вход в компрессор или в турбину;
б) Воздействие на турбину:
регулирование турбины дросселированием газа, поступающего из выпускного коллектора ДВС;
выпуск части газа перед турбиной;
регулирование турбины изменением геометрии соплового аппарата;
Схема системы регулирования давления наддува перепуском части газа мимо турбины
- вариант с размещением мембранного устройства вместе с перепускным клапаном на корпусе турбины;
- более новый вариант с вынесением мембранного устройства из «горячей» зоны корпуса турбины.
в) Воздействие на турбокомпрессор:
регулирование ТК, турбина которого имеет поворотный сопловой аппарат, а компрессор – поворотный лопаточный диффузор.
Схема системы регулируемого наддува с изменением геометрии соплового аппарата турбины.
- поворотом сопловых лопаток;
- осевым перемещением ступенчатых лопаток;
- изменением ширины соплового канала за счет осевого перемещения стенки соплового аппарата.
2 Переключение выпускных газов с нескольких ветвей трубопровода в один сопловой сегмент или турбину только одного турбокомпрессора в случае, когда ДВС оснащен двумя или более турбокомпрессорами.
Схема системы регулирования переключения подачи газа в одну или две ветви улитки турбины
На малых частотах вращения вала ДВС все газы проходят через ветвь улитки с увеличенной скорость, повышая тем самым мощность турбины и давление наддува.
3 Настройка впускного трубопровода в сочетании с инерционным наддувом по методу Шера.
4 Уменьшение сечения (сужение) газоподводящей спирали турбины поворотной дугообразной лопаткой или осевым перемещением диска соплового аппарата.
5 Изменение парциальности турбины.
1 - сопловый аппарат;
2,3. - выпускные коллекторы;
4 - поворотный клапан.
При частичной частоте вращения все отработавшие газы идут в одну ветвь соплового аппарата турбины; давление наддува при этом увеличивается.
6 Использование дополнительного компрессора, приводимого от постороннего источника или от двигателя.
Это может быть компрессор, подключенный к валу ДВС через отключаемую механическую, гидравлическую или электрическую передачу. Компрессор включается автоматически при малой частоте вращения, при средней частоте и резком увеличении подачи топлива, а также при торможении автомобиля двигателем («моторный тормоз»). При неработающем дополнительном нагнетателе воздух проходит в турбокомпрессор мимо него через байпасный клапан (заслонку).
Характеристика ДВС с наддувом, регулируемым перепуском газа мимо турбины.
Совместная характеристика ДВС и компрессора
Аналогичный вид имеет характеристика ДВС с системой регулируемого турбонаддува с изменяемой геометрией соплового аппарата турбины (РСА). Только при этом нет повышения удельного расхода топлива ge в зоне регулирования из-за повышенных потерь на газообмен при перепуске части газа с высоким давлением мимо турбины.
В настоящее время появились на рынке системы так называемого «электроподдерживающего наддува» для автомобильных ДВС. Один вариант системы содержит центробежный компрессор, установленный на валу высокооборотного электродвигателя постоянного тока. Компрессор подает воздух на вход обычного турбокомпрессора (или прямо во впускную систему безнаддувного ДВС).
Электродвигатель питается от электросети автомобиля и вращается постоянно вхолостую; при этом воздух системой заслонок направляется в ДВС в обход компрессора. При резком увеличении нагрузок на двигатель (после переключения передач автомобиля) компрессор переключением заслонок и подачей основного тока включается в работу, обеспечивая повышение давления πк = 1,2-1,5. на несколько секунд. Сила потребляемого при этом тока составляет порядка 150А. Такая система, называемая «Турбопак», созданная фирмой «Турбодайн», прошла успешные испытания на московский автобусах с дизелями. Основной целью использования системы было устранение дымления на выпуске при трогании автобуса и переключении передач.
В другом варианте «электроподдерживаемого наддува» вал электродвигателя непосредственно соединен с валом ротора турбокомпрессора или просто вал электромотора служит валом ротора турбокомпрессора.
Перед запуском ДВС эл. мотор раскручивает ротор, горячий сжатый воздух при начале запуска поступает в цилиндры ДВС, существенно облегчает запуск двигателя. При необходимости увеличить давление наддува эл. мотор потребляет ток из сети автомобиля; на режиме ДВС, близком к полной мощности, электромотор становится генератором и отдает избыточную мощность турбины в электрическую сеть автомобиля.
Создание таких систем наддува стало возможным с появлением компактных высокооборотных эл. двигателей.
Регулирование давления наддува может осуществляться применением двух параллельно включенных турбокомпрессоров.
При низкой частоте вращения вала ДВС заслонки на входе в компрессор и турбину ТКР (II) закрываются, все газы из ДВС поступают в турбину ТКР (I), обеспечивая достаточно высокое давление наддува при сравнительно невысоком расходе воздуха через ДВС.
В системе регулирования с двумя ТКР разных размеров при низкой частоте вращения вала ДВС (в зоне низких n ДВС) ТКР включаются последовательно, осуществляя двухступенчатый наддув.
При высоких n ТКР включаются параллельно. В зоне средних n отработавшие газы проходят через турбины обоих ТКР, причем часто часть газов проходит последовательно через обе турбины, а часть - через регулируемую заслонку (2) непосредственно в турбину низкого давления ТКР (II) мимо турбины высокого давления ТКР (I).