Жуков В.А., Курин М.С. – Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П.А. Соловьёва (Тутаевский филиал)

Глобальная задача, стоящая перед человечеством – рациональное использование сырьевых и энергетических ресурсов. О важности решения данной задачи писали сотни авторов, в предлагаемой статье представлен один из перспективных вариантов энергосбережения в поршневых двигателях.

Одним из показателей эффективности мероприятий по энергосбережению является полнота использования энергетического потенциала топлива. На практике показателем качества топливоиспользования в энергетических установках является их эффективный

где Ne – эффективная мощность установки, кВт; Вч – часовой расход топлива, кг/ч; Qн – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Значения эффективного КПД для различных типов энергетических установок приведены в табл. 1.

Традиционным способом повышения эффективного КПД двигателей внутреннего сгорания является совершенствование рабочего цикла двигателя, направленное на увеличение его термического КПД. С этой целью модернизируются системы топливоподачи, повышается энергетика впрыска топлива, оптимизируются процессы газообмена, предлагаются новые конструкции камер сгорания и способы смесеобразования. Однако совершенствование рабочего цикла ограничено максимально допустимыми давлением и температурой. Первое определяет механические нагрузки на детали двигателя, а вторая – термические нагрузки, условия смазывания и эмиссию токсичных веществ с отработавшими газами. В последние годы в связи с ужесточением экологических нормативов именно токсичность отработавших газов является главным фактором, ограничивающим максимальную температуру цикла и, как следствие, термический КПД цикла.

Данные табл. 1 показывают, что по КПД ДВС превосходят большинство энергетических установок и тепловых машин, уступая только топливным элементам, существенными недостатками которых являются низкая энергоемкость и чрезвычайно высокая стоимость вырабатываемой энергии.

Принципиальная схема турбокомпаунда

Развитие экологических нормативов и стандартов для транспортных двигателей идет по пути ужесточения выбросов нормируемых токсичных компонентов. Для выполнения этих норм производители двигателей вводят ряд мероприятий, например таких как повышение энергоемкости топливоподающей аппаратуры, увеличение степени сжатия и относительного диаметра горловины камеры сгорания при значительном уменьшении степени повышения давления при сгорании, в основном за счет уменьшения угла опережения впрыска ниже значения, соответствующего минимальному расходу топлива. При этом существенно ухудшается топливная экономичность и увеличивается количество СО₂ в отработавших газах. Средством улучшения топливной экономичности может быть более полное использование энергии отработавших газов. Традиционным и хорошо разработанным способом утилизации отработавших газов является их использование в системах газотурбинного наддува. Сейчас практически все производимые и проектируемые дизели оснащаются такими системами, все шире газотурбинный наддув применяется для двигателей с искровым зажиганием. Термин «комбинированные двигатели», подразумевающий сочетание поршневой части и газотурбинной установки, прочно вошел в теорию и практику двигателестроения. Существует несколько типов хорошо зарекомендовавших себя систем газотурбинного наддува: изобарный, импульсный, регистровый, двухступенчатый, с охлаждением надувочного воздуха, гипербар и др. Одним из перспективных путей использования отработавших газов является применение систем типа турбокомпаунд.

В переводе с английского слово compound означает «сложный», «составной». Турбокомпаунд – это система, которая использует энергию отработавших газов и служит для повышения КПД двигателя. При ее реализации в выпускном тракте двигателя за турбиной турбокомпрессора расположена еще одна турбина, называемая силовой. Отработавшие газы поршневой части раскручивают силовую турбину, а она через систему шестерен и гидромуфту передает крутящий момент на силовой вал, соединенный с потребителем.

Первоначально компаундный метод употребляли применительно к паровым двигателям. Компаунд-машины имели два цилиндра разных диаметров – высокого и низкого давления,– в которых последовательно сжимался пар. Это позволяло более эффективно использовать энергию пара и увеличивать мощность агрегатов. Вначале такие двигатели применялись только на судах и в промышленности, а затем компаунд пришел и на железную дорогу.

В России первая компаунд-машина была установлена на паровозе в 1882 году по инициативе инженера А. Бородина из Киевских мастерских. После того как выяснилось, что применение компаунда дает ощутимую экономию пара, начался настоящий бум таких паровозов.

Заводы стали выпускать их серийно, а самым мощным российским компаунд-паровозом был локомотив образца 1915 года: его паровая машина развивала 1000–1100 л.с. Но век таких локомотивов был недолог. Несмотря на то что отдельные экземпляры работали до конца 50-х годов, компаунд-паровозы исчезли так же быстро, как и появились, уступив место более простым и эффективным конструкциям.

Про компаундирование – уже применительно к двигателям внутреннего сгорания – вспомнили в 50-х годах. Турбокомпаундом (рис. 1) оснащались сначала корабельные, а затем и авиационные моторы (такие двигатели стояли, к примеру, на самолетах Boeing B-29 и Douglas DC-7).

Компоновка турбокомпаундного двигателя

В 90-е годы ХХ века сфера грузовых автомобилей являлась носителем прогрессивной и дорогостоящей турботехники: если фирма Volvo была пионером в применении газотурбинного наддува, то Scania впервые разработала турбокомпаунд для использования на грузовых автомобилях. Цель применения турбонагнетателей любого типа – максимальное использование энергии отработавших газов и преобразование ее в механическую работу – может быть наилучшим образом достигнута с помощью турбокомпаунда. Согласно данному выше определению турбокомпаунд (рис. 2) представляет собой комбинированный двигатель с подключенной рабочей турбиной, которая передает вырабатываемый крутящий момент через зубчатую передачу на силовой вал.

Измерения показали, что Scania благодаря турбокомпаунду сохранила 20% энергии отработавших газов. Наиболее известным применением турбокомпаунда в автомобилях стал шестицилиндровый двигатель Scania DTC11, который был представлен в 1990 году. Двигатель имеет рабочий объем 11,0 л, мощность 400 л.с., развивает максимальный крутящий момент 1750 Нм и удерживает его постоянным при частоте оборотов коленчатого вала 1200…1425 об/мин. В конструкции двигателя были применены два нагнетателя Holset. Один компрессор использовался для традиционного наддува, обеспечивая повышение давления свежего заряда перед поршневой частью, а второй подводил отработавшие газы, выходящие из турбины системы наддува, на вторую силовую турбину. Тепловая энергия, которой обладали отработавшие газы, оказалась достаточной, чтобы ускорять силовую турбину до 55 тыс. об/мин. Такая частота вращения сначала снижалась зубчатой передачей, а затем через гидравлическое соединение синхронизировалась с частотой коленчатого вала. Силовая турбина в двигателе была соединена с коленчатым валом дизеля двумя рядами косозубых шестерен и промежуточной гидромуфтой. Многоступенчатость шестеренного привода объясняется тем, что частота вращения вала силовой турбины достигает 50-55 тыс. мин^-1, а коленчатый вал вращается с частотой до 2 тыс. мин^-1. Задачей гидромуфты является компенсация постоянного изменения оборотов двигателя и снижение крутильных колебаний. Пройдя через турбокомпрессор, отработавшие газы попадают на силовую турбину и, теряя очередные 100 °С температуры, раскручивают рабочее колесо. Так осуществляется дополнительная передача крутящего момента на коленчатый вал дизеля. Высокий КПД установки был достигнут также за счет использования первого нагнетателя. Этот нагнетатель имел на входе дополнительный воздушный клапан (рециркуляционный канал), который обеспечивал стабилизацию запорной и насосной областей, благодаря тому что воздух на насосной границе устремлялся со стороны давления к стороне впуска компрессора и на запорной границе впускное сечение входного устройства к колесу компрессора увеличивалось. Благодаря использованию турбокомпаунда двигатель Scania DTC11 имел эффективный КПД 46%.

В ДВС, оснащенном турбокомпаундом, дополнительные потери теплоты с отработавшими газами, обусловленные уменьшением степени повышения давления при сгорании для снижения выбросов оксидов азота, частично возвращаются силовой турбиной коленчатому валу. Кроме того, дополнительное увеличение затрат на внутренние потери в двигателе, связанные с сопротивлением истечению отработавших газов через силовую турбину в зоне малых нагрузок и холостого хода, способствует активному снижению эмиссии несгоревших углеводородов и твердых частиц в отработавших газах на этих режимах работы двигателя.

Перспективным направлением развития рассматриваемых систем является электрический турбокомпаунд (ЕТС), в котором подключаемая силовая турбина заменяется электродвигателем. Однако это требует изменения конструкции самого турбонагнетателя; его турбина, как и раньше, должна работать за счет газов, отводимых от поршневой части двигателя, а на валу ротора должен быть установлен миниатюрный электрогенератор. Этот электрогенератор должен соединяться с электродвигателем (силовой турбиной), который может функционировать и как двигатель, и как генератор. Как двигатель он используется для привода коленчатого вала, а как генератор повышает мощность торможения двигателя тем, что избыточная энергия, поступающая от турбонагнетателя, с помощью размещенного на валу ротора малого электромотора подводится к электродвигателю, связанному с коленчатым валом. Такой вариант турбокомпаунда был запатентован в 1995 г. фирмой Mercedes, его испытания продолжаются.

В заключение можно отметить, что введение в конструкцию транспортного дизеля силовой турбины позволяет обеспечить высокую топливную экономичность при низкой шумности и малых выбросах токсичных компонентов с отработавшими газами, а также создает предпосылки для дальнейшего форсирования двигателя по среднему эффективному давлению. Если КПД бензинового двигателя не превышает 30-35%, а дизеля с турбонаддувом – 40%, то турбокомпаунд позволил увеличить этот показатель до 46%. Возможности оптимизировать систему двигательнагнетатель с целью повышения ее энергетической эффективности и экологической безопасности далеко не исчерпаны, работы в этом направлении необходимо продолжать.