1.1 Регистровый наддув

Если несколько турбокомпрессоров одинакового или разного размера расположены параллельно (то есть имеют свой отдельный тракт) и включаются в зависимости от нагрузочного или скоростного режима работы двигателя, то это называется последовательным турбонаддувом (STC – Sequential Turbocharging). Под термином «последовательный» понимается последовательное, в зависимости от режима, подключение, а не расположение турбокомпрессоров друг за другом в едином тракте. Во избежание путаницы, далее для обозначения данного вида наддува будем применять термин «регистровый» (нем. Registeraufladung) При этом наддув в каждом тракте может быть как одноступенчатым, так и двухступенчатым. В отличие от обычного двухступенчатого наддува, при котором турбокомпрессоры расположены в едином тракте (отдельно впускном и отдельно выпускном), при регистровом наддуве тракты разделены.

В данном способе, каждый турбокомпрессор отвечает за свой диапазон работы двигателя. В отличие от обычных схем, данный способ предоставляет более широкие возможности получения нужной кривой среднего эффективного давления за счёт использования подходящего турбокомпрессора для каждого диапазона работы двигателя. Тракт каждого турбокомпрессора подключается или выключается в зависимости от нагрузки или частоты вращения двигателя по сигналу электронной системы управления. В целях улучшения приемистости тракт турбины подключается раньше тракта компрессора. Тракт компрессора подключается тогда, когда достигнуто заданное давление предыдущим компрессором.

На рисунке 1.2 схематически изображен пример реализации наддува с помощью трех различных по размерам турбокомпрессоров. Поле характеристик двигателя разбито на пять областей, в каждой из которых работает свой турбокомпрессор или их комбинация.

Рисунок 1.2 – Регистровый наддув с тремя турбокомпрессорами (схематично) [2]

Каждый турбокомпрессор работает на близком к расчетному режиме. Инертность системы достаточно низкая, большой крутящий момент развивается уже при низких оборотах двигателя, в результате чего может быть сокращен расход топлива.

Данный вид наддува используется уже достаточно продолжительное время фирмой MTU Friedrichshafen GmbH для высокооборотных тяжелых дизельных двигателей. В легковых автомобилях используется компаниями Porsche, Mazda и Subaru.

Большой диапазон частот вращения двигателей для легковых двигателей вызывает необходимость частых переключений турбокомпрессоров. В результате предъявляются высокие требования к соответствующим исполнительным механизмам, и затрудняется получение кривой крутящего момента без каких-либо резких изменений. Поэтому такой наддув следует применять, в первую очередь для двигателей, которые хотя и работают в большом диапазоне частот вращения, но частота переключений может быть низкой. Предпочтительным приложением является сегмент высокооборотных тяжелых дизельных двигателей.

Первым применила данный вид наддува на легковом автомобиле фирма Porsche (модель 959). Его реализация привела к очень высокой для серийного двигателя удельной мощности около 116 кВт/дм3 при максимальном значении среднего эффективного давления выше 2,2 МПа.

На рисунке 1.3 представлена схема работы системы наддува данного двигателя в зависимости от частоты вращения. Для ясности принципа работы охладители надувочного воздуха не показаны. Договоримся далее, что под обозначением «клапан» может пониматься и заслонка.

Рисунок 1.3 – Схема наддува Porsche [2]

В системе используются два одинаковых турбокомпрессора относительно небольшого размера, один из которых работает во всем диапазоне частот вращения. На низких частотах весь поток выхлопных газов проходит через него до тех пор, пока не достигается заданное давление наддува. Клапаны турбины 4 и компрессора 1, а также клапан перепуска отработавших газов мимо турбины 3 (далее «Wastegate») закрыты. Правый турбокомпрессор не работает. После того как достигнуто необходимое давление, а расход отработавших газов продолжает увеличиваться, избыточный поток газов направляется на второй турбокомпрессор. Воздух с правого компрессора через клапан 2 подается на вход левого компрессора. Клапан «Wastegate» закрыт, и давление наддува регулируется клапаном 4. Как только оба турбокомпрессора достигают определенной частоты вращения с достаточной энергией отработавших газов, второй турбокомпрессор начинает работать в режиме полного открытия клапана 4. Клапан 2 закрывается. Давление за вторым компрессором сильно возрастает и открывается клапан 1. Теперь сжатый воздух подается во впускной коллектор, как первым, так и вторым турбокомпрессорами. Расход воздуха и отработавших газов распределяются по турбокомпрессорам равным образом. При дальнейшем увеличении частоты вращения двигателя, в целях ограничения давления наддува избыток отработавших газов выбрасывается через клапан 3. Основной проблемой является выбор подходящих турбокомпрессоров и надежное управление переключением клапанов. Цель – достижение нужной кривой момента без скачков при переключении клапанов во всем диапазоне работы двигателя.

На рисунке 1.4 представлена кривая крутящего момента рассматриваемого двигателя с изображением зон работы одного и обоих компрессоров. Там же для сравнения представленная кривая момента двигателя в традиционном варианте наддува «Biturbo», в котором в любой момент времени поток отработавших газов и воздуха проходит через оба турбокомпрессора.

На рисунке 1.5 показана схема работы двухступенчатого регистрового турбонаддува для дизельных двигателей большой мощности фирмы MTU. Для облегчения понимания изображено только две группы турбонаддува, каждая из которых состоит из одного турбокомпрессора низкого и одного высокого давления, а также охладителей надувочного воздуха. В целом система наддува состоит из четырех групп, с соответствующими диапазонами работы.

Рисунок 1.4 – Момент двигателя Porsche 959 [2]

Рисунок 1.5 – Схема двухступенчатого регистрового наддува фирмы MTU [2]

Система позволяет получить высокий момент в широком диапазоне частот вращения, в том числе на низких. Весь поток отработавших газов в первой зоне работы двигателя проходит только через одну турбогруппу. Последовательное включение остальных групп происходит в зависимости от нагрузки и частоты вращения. В четвертой зоне работают все четыре группы турбонаддува. Из-за низкого расхода газов в первой зоне работа сжатия осуществляется почти полностью турбокомпрессором высокого давления. Турбокомпрессор низкого давления работает в режиме холостого хода. При увеличении расхода отработавших газов постепенно начинает участвовать и ступень низкого давления. Давление наддува возрастает. Благодаря предварительному сжатию в компрессоре низкого давления, возможна работа компрессора высокого давления при больших массовых расходах воздуха. Для получения другого поля характеристик двигателя изменяют закономерность подключения групп турбокомпрессоров. Для работы такой системы наддува необходимо иметь компрессоры с достаточно широким полем характеристик.

Использование небольших турбокомпрессоров на низких частотах является ключевым фактором получения высокого давления наддува на низких частотах вращения. В целом такая система позволяет получить высокое давление наддува во всем диапазоне частот двигателя и среднее эффективное давление выше 3 МПа.