1.2 Двухступенчатый регулируемый наддув
В двухступенчатый регулируемый турбонаддув (RTS – Regulated Two Stage) является сложной электронно-управляемой системой наддува, которая представляет собой комбинацию двухступенчатого наддува и регистрового наддува. Его применение позволяет значительно поднять среднее эффективное давление во всем диапазоне работы двигателя.
Система состоит из двух последовательно соединенных турбокомпрессоров разного размера (ступени высокого и низкого давления), одного или двух охладителей надувочного воздуха, системы перепуска воздуха и отработавших газов. Для каждой области расхода воздуха имеется соответствующий компрессор, так что в сумме получается система наддува с широким полем характеристик. В нижнем диапазоне частот вращения используется маленький турбокомпрессор, в верхнем – большой.
Малый турбокомпрессор может быть намного меньше, чем в одноступенчатых системах, т.к. не требуется пропускать через него большие объемы воздуха, соответствующие номинальной мощности. Работа при высоких и низких частотах вращения аналогична работе системы регистрового наддува. В среднем диапазоне частот вращения, оба турбокомпрессора работают последовательно, аналогично классической системе двухступенчатого турбонаддува. На рисунке 1.6 изображены кривая среднего эффективного давления при полной нагрузке и связанные с ним степени повышения давления в компрессорах дизельного двигателя с двухступенчатым регулируемым турбонаддувом для легкового автомобиля. Давление наддува 3-4 бара создается во всем диапазоне частот вращения (имеются ввиду установившиеся режимы). Давление наддува остается на высоком уровне даже на частичных нагрузках, оставляя резерв для разгонных режимов.
Рисунок 1.6 – Зависимость показателей дизеля от частоты вращения на полной нагрузке [2]
В системе могут быть использованы относительно простые турбокомпрессоры, которые могут обойтись без сложных устройств регулирования, таких как, например, переменная геометрия турбины. Недостатком является удвоение компонентов системы. На рисунке 1.7 представлена примерная схема двухступенчатого регулируемого наддува 6-цилиндрового транспортного дизеля.
Рисунок 1.7 – Примерная схема двухступенчатого
регулируемого наддува [2]
До тех пор, пока расход отработавших газов остается небольшим, канал перепуска мимо турбины закрыт. Весь поток расширяется на турбине высокого давления, а турбина низкого давления работает в режиме холостого хода. Благодаря этому высокое давление достигается уже на низких частотах.
С увеличением частоты вращения все большая часть работы расширения срабатывается на турбине низкого давления. Канал перепуска постепенно открывается. Таким образом, при средних частотах вращения, наддув происходит в варианте близком к классическом двухступенчатому турбонаддуву. В результате предварительного сжатия в компрессоре низкого давления малый компрессор (КВД) работает на более высоком уровне давления, за счет чего обеспечивается необходимый массовый расход воздуха. При высоких частотах вращения основную работу сжатия осуществляет компрессор низкого давления. При этом поток продолжает течь через компрессор высокого давления. Для снижения потерь давления в КВД иногда осуществляется перепуск воздуха. Уровень среднего эф-фективного давления при таком наддуве превышает таковой у одноступенчатого наддува с турбокомпрессором с переменной геометрией турбины во всем диапазоне частот вращения.
Данный метод наддува реализуется на дизельных двигателях для легковых автомобилей фирмы BMW под обозначением «Variable Twin Turbo» Система состоит из двух относительно простых турбокомпрессоров различного раз-
мера с диаметрами рабочих колес 39 и 66 мм. Степень сжатия 6-цилиндрового двигателя – 16,5, абсолютное давление наддува составляет 0,285 МПа, соответствующее среднее эффективное давление – 2,35 МПа. Двигатель развивает мощность 200 кВт при 4400 об/мин, что соответствует удельной мощности 66,8 кВт/дм3. Рядная конструкция двигателя существенно облегчает реализацию системы наддува по сравнению с V-образными аналогами, т.к. каждый из потоков воздуха или ОГ локализованы на своей стороне двигателя.
Принцип работы системы наддува изображен на рисунке 1.8. На низких частотах вращения до 1500 об/мин (диапазон I), воздух сжимается в малом компрессоре, а через большой компрессор проходит без существенного сжатия. При этом вся работа выхлопных газов срабатывается на малой турбине. Этот турбокомпрессор с низкой инерцией позволяет получить желаемое давление наддува, начиная с холостых частот вращения с очень короткой задержкой, а двигатель развивает момент в 530 Н·м на установившемся режиме уже при 1500 об/мин.
С увеличением частоты вращения воздух предварительно сжимается в большом компрессоре и дожимается в малом. В этой области (зона II) осуществляется двухступенчатое сжатие с небольшой степенью повышения давления в каждой из ступеней. Из-за этого охлаждение надувочного воздуха не осуществляется. В большом компрессоре степень повышения давления ниже, чем в малом. Совместная работа двух турбокомпрессоров позволяет осуществить плавный переход с низких частот в область высоких. При частотах вращения более 3250 об/мин поток отработавших газов и воздуха перепускается мимо малого турбокомпрессора, поскольку возросший расход газов становится выше расчетного значения агрегата. В этой области (зона III) вся работа расширения срабатыва-ется на большой турбине, а воздух сжимается только в большом компрессоре. В случае очень высоких частот вращения срабатывает клапан перепуска отработавших газов мимо турбины, через который проходит часть расхода.
Рисунок 1.8 – Принципиальная схема двухступенчатого регулируемого наддува фирмы BMW (Variable Twin Turbo) [2]
На рисунке 1.9 показана внешняя скоростная характеристика двигателя с описываемой системой и с традиционной системой наддува с переменной геометрией турбины.
Эффективность турбонаддува сохраняется на относительно высоком уровне во всем диапазоне частот вращения. Для того, чтобы для каждой точки поля характеристик двигателя использовать подходящий турбокомпрессор или наиболее выгодное сочетание турбокомпрессоров необходимо иметь сложную систему управления расходом воздуха и ОГ. Для того, чтобы компенсировать неизбежные скачки в зависимости КПД компрессора и турбины от частоты вращения вала двигателя вследствие переключений, требуется сложное программное обеспечение. Из-за этого, а также вследствие наличия дополнительных компонент стоимость системы наддува увеличивается. Поэтому внедрение системы изначально произошло на автомобилях представительского класса. Несмотря на это, значительные преимущества, которые дает эта система, позволяет ожидать расширения ее использования.
Рисунок 1.9 – Внешняя скоростная характеристика рядного 6-цилиндрового дизельного двигателя фирмы BMW [2]