Турбокомпаундный дизель

В переводе с английского слово compound означает «сложный», «составной». Компаундные паровые машины с последовательным сжатием пара и турбокомпаундные корабельные, а также авиационные двигатели внутреннего сгорания были первыми силовыми установками, где принцип более сложного использования сжатого газообразного рабочего тела, чем простое его сжатие, нашел применение и дал эффективный результат.

Двигатель DT12 02

Автомобильные специалисты познакомились с применением турбокомпаундного наддува на грузовиках в 1991 г. после презентации нового дизеля DTC11 01 фирмы Scania для тяжелых магистральных тягачей. Именно эта система по сравнению с традиционным наддувом позволила при рабочем объеме 11 л увеличить мощность мотора на 5% – до 400 л.с. – вместе с соответствующим ростом крутящего момента. Казалось бы, в автомобилестроении появилось новое, прогрессивное направление развития двигателей. Однако на деле все оказалось не так просто: экономичность мотора оставляла желать лучшего, а его приспособляемость к изменению нагрузки оказалась недостаточной. Выпустив до 1996 г. 1 500 таких дизелей, Scania остановила производство, но не прекратила доводочные работы. Только спустя 10(!) лет новый компаундный турбонаддувный дизель появился на тяжелых грузовиках. Чем же он привлекателен для автомобилистов и как, собственно, устроен компаундный турбонаддув?

Как известно, КПД современного дизеля не превышает 44%. Оставшаяся часть энергии, заключенной в топливе, теряется вместе с отработавшими газами (примерно 35%) или уходит в систему охлаждения (21%). Лишь незначительная часть тепла из системы охлаждения используется для обогрева кабины. Температура отработавших газов на выходе из камеры сгорания достигает 700°С. После прохождения через турбокомпрессор она падает до 600оС. Потеря 100оС означает, что часть энергии ушла на вращение турбины. Как же рекуперировать оставшуюся часть энергии газов?

Компоновка компаундного турбонаддува на дизеле

Инженеры Scania решили эту задачу, разместив после традиционного турбонагнетателя еще одну турбину – силовую. Она соединена с коленчатым валом дизеля двумя рядами прямозубых шестерен и промежуточной гидромуфтой. Многоступенчатость шестеренного привода объясняется тем, что турбина ежеминутно делает 50 тыс. оборотов, а коленвал вращается с частотой до 2 000 мин^-1. Что касается гидромуфты, то ее назначение – 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.

Выпустив на рынок новый турбокомпаундный 12-литровый 470-сильный дизель ДT12 02, отвечающий нормам Euro-3, фирма Scania снабдила его более совершенной системой впрыска HPI (High Pressure Injection), разработанной в сотрудничестве с компанией Cummins. Основа системы – новые насос-форсунки, для производства которых создано совместное предприятие Cummins-Scania High-Pressure Ingection LLC, в котором 30% акций принадлежит шведской стороне.

Принцип системы HPI

Главная «изюминка» новых насос-форсунок заключается в том, что управление впрыском осуществляет гидравлика, или, точнее, количество дизельного топлива, подаваемого в управляющий канал. Чем больше топлива под давлением 18 бар поступит в насос-форсунку по управляющему каналу, тем раньше начнется впрыск солярки в камеру сгорания под давлением 1 500 бар. В конструкции насос-форсунки сохраняется традиционный плунжер, приводимый от кулачкового вала, а «общее руководство» топливной аппаратурой осуществляет компьютер EDC (Electronic Diesel Control). По сравнению с традиционными индивидуальными насос-форсунками с непосредственным электронным управлением, новые, с «гидроприводом управления», работают значительно тише.

Сравнивая параметры нового турбокомпаундного дизеля ДT12 02 с «просто турбонаддувным» 420-сильным дизелем ДС12 01 отметим, что номинальная мощность выросла на 12%, а максимальный крутящий момент – на 10% при одинаковом минимальном удельном расходе топлива – 192 г/кВт.ч. При этом ДС12 01 из-за агрегата турбокомпаунда на 60 кг тяжелее и на 4 000 долларов дороже.

Схема турбокомпаунда

Испытания новых дизелей ДT12 02 проводились нетрадиционным способом – в них были задействованы транспортные компании из шести стран, представители которых вошли в группу технических разработчиков. С начала 1998 г. 25 грузовиков Scania R124 470 прошли более 6 млн. км по дорогам нескольких стран Европы. Инженеры Технического центра фирмы Scania в Седертелье постоянно следили за работой новых дизелей, поддерживая контакт с водителями тестируемых автомобилей по сотовой связи GSM.

Испытания дали интересные и обнадеживающие результаты. Оказалось, что 470-сильный дизель с высоким крутящим моментом на низких и средних оборотах стимулирует комфортный и экономичный стиль вождения. Число переключений передач для поддержания высокой средней скорости движения заметно снижается. Также пропадает необходимость разгоняться перед подъемом, превышая при этом установленное ограничение по скорости.

Все это способствует повышению безопасности движения, уменьшает эксплуатационные расходы, увеличивает срок службы автомобиля и снижает его вредное воздействие на окружающую среду. Создателей нового двигателя можно поздравить с большой удачей.