1.6 Схема наддува с комбинированной газовой и электрической связью компрессора

В этой схеме электродвигатель установлен непосредственно на валу турбокомпрессора. Как и в предыдущем случае, данная схема в серии пока не реализована, хотя уже имеет коммерческие обозначения – «e-Turbo», «EAT» (Elect-rically Assisted Turbocharger). Схема данного типа наддува изображена на рисунке 1.15.

Рисунок 1.15 – Схема наддува с комбинированной газовой и электрической связью компрессора [2]

Размеры турбокомпрессора увеличиваются, вследствие компоновки электродвигателя и вспомогательных компонент, незначительно. Тепловая нагрузка на электродвигатель вследствие близости турбины является значительной даже тогда, когда он не работает. Это выдвигает соответствующие требования к системе охлаждения. По этой же причине силовая и управляющая электроника размещены отдельно от турбокомпрессора в соответствующем месте моторного отсека.

Несмотря на увеличение, из-за установки электродвигателя, момента инерции ротора, протекание переходных режимов улучшается. Поскольку сам компрессор и его характеристика не изменяются, повышение момента на установившихся режимах возможно лишь в узких пределах. Например, в диапазоне частот вращения вала двигателя, где компрессор из-за недостаточной энергии отработавших газов работает близко к границе помпажа. Хотя ограничивающим фактором опять же является наличие достаточного количества электроэнергии. Получить увеличение среднего эффективного давления во всем диапазоне частот вращения с помощью такой системы невозможно. Кроме того, в сравнении с предыдущей системой, есть еще один недостаток, связанный с переходной характеристикой. В то время как в предыдущей схеме электродвигателю необходимо раскручивать только относительно легкий компрессор и собственный ротор, то в рассматриваемой схеме к ним добавляется относительно тяжелая турбина. Это и определяет ее худшую динамическую характеристику (рис. 16). Преимуществом системы является возможность использования системы в генераторном режиме.

Рисунок 1.16 – Сравнение различных систем на переходном режиме [2]

1.7 Схема с использованием нестационарных газодинамических эффектов при турбонаддуве

Традиционные недостатки присущие системам высокого наддува, а именно неудовлетворительная характеристика протекания момента при малых частотах вращения и неудовлетворительная приемистость двигателя, могут быть частично устранены при реализации системы, использующей нестационарные газодинамические эффекты во впускном трубопроводе четырехтактного ДВС. При изложении дальнейшего материала предполагается, что читатель уже знаком с физическими основами этих эффектов, поэтому в пособии они рассматриваться не будут. К тому же ниже будет описана лишь та разновидность схемы, которая использует для управления процессом дополнительную заслонку, расположенную перед впускным клапаном.

При изначальной настройке системы на максимальную мощность расход в области низких частот вращения при использовании системы можно увеличить на 20-30%. В меньшей степени можно поднять расход и на других частотах вращения. На рисунке 1.17 представлена принципиальная схема описываемой системы.

Рисунок 1.17 – Принципиальная схема турбонаддува с использованием нестационарных газодинамических эффектов [2]

Принцип работы системы при полной нагрузке заключается в следующем. После открытия впускного клапана заслонка остается закрытой, так что при перемещении поршня вниз в рабочей камере создается разряжение. При быстром открытии заслонки в нужный момент времени образуется волна разряжения, которая, достигнув ресивера, отражается волной сжатия. При подходе к впускному клапану после прохождения поршня НМТ, волна дозаряжает рабочую камеру. После прохождения волны заслонка закрывается и поэтому, несмотря на широкую фазу открытого состояния впускного клапана (из-за высокооборотной настройки) обратного движения воздуха не происходит. Давление между впускным клапаном и заслонкой сохраняется высоким даже после закрытия первого, что положительным образом сказывается во время перекрытия клапанов.

Подбирая моменты срабатывания заслонки можно получить настройку в широком диапазоне частот вращения, причем в отличие от других подобных схем не требуется регулировка длины впускных труб. Очевидно, что сам принцип работы исключает инерционность этой части системы наддува и не ухудшает приемистость двигателя.

Поскольку на низких частотах вращения вала двигателя наполнение цилиндра повышается на 20-30%, то это ведет при изначально равной частоте вращения компрессора или равном давлении наддува к повышению расхода воздуха, что в свою очередь повышает КПД сжатия. Зона работы компрессора отодвигается дальше от границы помпажа. Увеличение расхода воздуха приводит, по очевидным причинам, к увеличению расхода газов, что повышает работу на турбине и приводит к увеличению частоты вращения турбокомпрессора. Это приводит к увеличению давления наддува. Поэтому при равной частоте вращения вала двигателя в данной системе достигается больший момент, а равный момент, соответственно, достигается при более низких частотах вращения. В работе [2] указывается, что увеличение крутящего момента в зависимости от частоты вращения составляет от 25 до 50% по сравнению с турбонаддувным двигателем без использования нестационарных газодинамических эффектов. На рисунке 1.18 схематично представлены характеристики двигателя.

Рисунок 1.18 – Сравнение характеристик двигателей с турбонаддувом [2]

При позднем открытии заслонки при наполнении рабочей камеры происходит нагрев воздуха, причем, чем больше перепад давления, тем больше прогрев. Значение последнего может достигать 60 К. Хотя этот эффект с точки зре-

ния детонации в бензиновом двигателе играет отрицательную роль, для дизеля он дает преимущества с точки зрения холодного запуска и прогрева, а также позволяет снизить степень сжатия.

К системе управления заслонкой предъявляются серьезные требования. C одной стороны, чтобы не было дросселирования с самого начала движения заряда, она должна обеспечивать большие проходные сечения и срабатывать за время менее 2 мс. С другой стороны, в закрытом положении заслонка должна обеспечивать достаточную герметичность. Кроме того, момент срабатывания заслонки изменяется в зависимости от режима работы двигателя. Поэтому в системе используется электромагнитный привод заслонки, который может работать при бортовом электрическом напряжении 12 вольт. В стадии срабатывания ему требуется 30 Вт электроэнергии для каждой заслонки, в режиме ожидания – 10 Вт.