Турбокомпаунд scania

При всем уважении, которого заслуживает ДВС, его проникновении практически во все сферы деятельности людей и том влиянии, которое он оказал на развитие цивилизации, его нельзя отнести к лучшим достижениям человеческого разума. А все из-за низкого КПД и разрушительного влияния на окружающую среду. Отмеченные недостатки ДВС можно уменьшить, и одним из устройств, позволяющих это реализовать, является турбокомпаунд.

Содержание

1. Вернемся к началу, немного о работе ДВС
2. Как происходит использование энергии отработанных газов?
3. Турбокомпаунд Scania
4. Как работает турбокомпаунд
5. Что же получается в итоге

Вернемся к началу, немного о работе ДВС

Она основана на сгорании топлива в цилиндрах мотора. Эффективность этого процесса оценивается по-разному – от тридцати до сорока пяти процентов тепловой энергии преобразуется в механическую. Еще до двадцати пяти процентов уходит на тепловые потери, нагревание двигателя. И примерно сорок процентов энергии безвозвратно теряется вместе с выхлопными газами. Часть потерь удается уменьшить, и в этом процессе участвует турбокомпаунд.

Как происходит использование энергии отработанных газов?

После сгорания топлива в цилиндрах ДВС, выхлопные газы удаляются и поступают в выхлопную систему. Для утилизации части энергии первым на их пути стоит турбокомпрессор. Его привод осуществляется выхлопными газами, и это позволяет обеспечить подачу дополнительного объема воздуха в мотор. Как это происходит, понятно из рисунка

Такой подход позволяет частично утилизировать энергию выхлопных газов. На выходе ДВС их температура составляет семьсот градусов, после турбокомпрессора она равна шестистам градусам.

Турбокомпаунд Scania

Эти данные говорят о том, что энергия выхлопных газов еще достаточно велика. И первыми ее стали использовать разработчики Scania для улучшения характеристик дизеля DTS 11 01. Инженеры Scania добились удивительного результата – благодаря полученной практически без дополнительных затрат мощности, двигатель стал работать мягче и продемонстрировал великолепную приспособляемость к различным режимам движения.

Фактически турбокомпаунд Scania можно считать классическим примером рекуперации энергии – повторное использование той ее части, которая получена раньше, а затем бесполезно теряется. Достигнутые результаты оказались впечатляющими – турбокомпаунд дал прибавку к мощности двигателей Scania примерно в сорок лошадиных сил. Так что можно сказать, что турбокомпаунд оправдал ожидания инженеров компании Scania, обеспечив дизелям их разработки улучшенные характеристики.

Как работает турбокомпаунд

После прохождения турбокомпрессора, как уже отмечалось, выхлопные газы остаются горячими и обладают достаточным запасом энергии. Поэтому на пути движения отработанных газов появляется дополнительное устройство – турбокомпаунд, использующее сохранившуюся энергию. Как это происходит, позволяет понять рисунок ниже:

Выхлопные газы поступают в турбокомпаунд и раскручивают турбину, входящую в его состав, до пятидесяти пяти тысяч оборотов. Развиваемая мощность через понижающую передачу и специальную муфту поступает на маховик. После того, как выхлопные газы пройдут турбокомпаунд, их температура снижается ещё на сто градусов, после чего они поступают в выхлопную систему.

Что же получается в итоге

В результате того, что был введен турбокомпаунд в конструкцию дизелей Scania, удалось:

• повысить КПД и снизить расход топлива;
• сгладить влияние пульсаций нагрузки благодаря использованию дополнительной мощности;
• повысить надежность и долговечность поршневой группы.

Турбокомпаунд, что это такое и принцип его работы

Для многих людей слово турбокомпаунд не только тяжело произнести, но оно еще и ассоциируется с чем-то загадочны и не понятным.

Даже люди, которые считают себя технически грамотными и подкованными в вопросах последних технических новшеств не могут с ходу дать определение слову турбокомпаунд, хотя впервые оно появилось в терминологии еще в далеком 1990 году.

Впервые турбокомпаунд был применен на дизельном двигателе DTS 11 01 разработанным шведской компанией Scania в 1990 году, а вот с какой целью было применено это техническое новшество мы и поговорим далее.

Назначение

Целью создания данного технического новшества являлось, является и сейчас, повышение мощностных и эксплуатационных характеристик дизельных двигателей.

Принцип работы

Принцип работы турбокомпаунда основан на использовании энергии отработанных газов, что позволило увеличивать мощность двигателей буквально из ниоткуда.

Давно известно, что энергия, которая выделяется при сгорании топлива в двигателе, используется не полностью.

В каждом двигателе процентные показатели использования энергии разные, но в среднем они такие:

1. Энергия, которая преобразуется из тепловой в механическую (полезную) – 40 – 45%;
2. Тепловая энергия, которая уходит на нагревание деталей двигателя – 20 – 25%;
3. Тепловая энергия, которая уходит вместе с выхлопными газами – 30 – 40%.

С тепловой энергией, которая уходит на нагрев двигателя, мы ничего сделать не можем, с ней «борется» специально созданная система охлаждения.

А вот использовать 30 – 40% энергии, которая уходи с выхлопными газами, вполне возможно и ученые это уже доказали.

Первый этап использования энергии

Энергия выхлопных газов для повышения мощности дизельных двигателей впервые была использована в 1961 году на двигателе DS10 от уже известной фирмы Scania, где впервые был установлен турбокомпрессор.

Многим известно, что турбокомпрессор предназначен для нагнетания под давлением воздуха в цилиндры двигателя, чем обеспечивается качественное сгорание топлива и соответственно повышается мощность двигателя. Нагнетание воздуха происходит за счет использования энергии отработанных газов.

Но эта энергия используется не полностью.

Если взять усредненные показатели, то выхлопные газы покидают цилиндры двигателя имея температуру 650 – 750 градусов.

Пройдя через турбину компрессора их температура снижается приблизительно до 550 – 650 градусов, значит теряется около 100 градусов, т. е. из 40% энергии используется приблизительно 15%, а остальные 25% уходят в выхлопную трубу.

Второй этап использования энергии

Для использования оставшейся энергии был разработан специальный турбокомпаундный блок, благодаря которому энергия отработанных газов преобразуется в механическую энергию и через специальный привод передается на колен вал двигателя повышая его мощность.

Из турбины турбокомпаундного блока отработанные газы уже выходят с температурой в 480 – 500 градусов.

Полезно знать — Что такое интеркулер:, назначение, устройство, принципы работы.

Как все работает

1. После сгорания топлива выхлопные газы покидают цилиндры двигателя через выхлопной коллектор с температурой в диапазоне 650 — 750 градусов.
2. На первом этапе выхлопные газы вращают лопасти турбокомпрессора, про то, что при этом происходит мы писали выше.
3. Покинув турбокомпрессор выхлопные газы через тормоз двигателя (так называемый горный тормоз) попадают в специальную силовую турбину, которая работает на скорости в 55 тыс. об. в минуту.
4. Полученный вращательный момент через гидромуфту и систему понижающих редукторов поступает на коленвал двигателя, оттуда на маховик и коробку передач с частотой до 1900 – 2000 об в минуту.
5. И только тогда выхлопные газы уходят в атмосферу.

Роль гидромуфты очень важна, так как благодаря ей происходи сглаживание изменение частот турбины турбокомпаунда и маховика.

Практическое применение

Компания Scania нашла широкое применение для турбокомпаунда в разрабатываемых ей дизельных двигателях для грузовых автомобилей.

Для примера можно взять дизельный двигатель DT 12 02, разработанный компанией в 2001 году и имеющей 12 цилиндров.

Если раньше, работая как обычный турбо дизель DT 12 02 развивал мощность 420 л.с., то после внедрения турбокомпаундого блока его мощность возросла до 470 л.с.

Турбокомпаундый блок может устанавливаться практически на любые дизельные двигателя для грузовых автомобилей от компании Scania, было бы желание заказчика.

Чтобы было понятно, благодаря внедрению турбокомпаунда было достигнуто:

1. Повышение мощности двигателя при не относительно не высоких частотах вращения коленвала двигателя;
2. Экономия топлива;
3. Устойчивость работы двигателя при резких перепадах в режимах работы автомобиля;
4. Мягкая, без рывковая работа двигателя, что достигается постоянной передачи дополнительной мощности от турбокомпаунда к коленвалу, благодаря чему выравнивается пульсация нагрузок.
5. Более комфортное вождение автомобиля, на котором установлен турбокомпаунд.

Технологии не стоят на месте. Стремление увеличения эксплуатационных качеств двигателей за счет его скрытых возможностей является перспективным направлением для многих автомобильных компаний и пример с турбокомпаундом, который реализовала компания Scania, является хорошим примером для подражания.

Описание турбокомпаундных двигателей

— trucksales.

com.au

Поток горячего газа содержит остаточную энергию, и турбокомпаундирование использует этот поток газа для привода второго турбонагнетателя, который, в свою очередь, приводит в движение зубчатую передачу, соединенную с выходным концом коленчатого вала.

Эту компоновку легко спутать с двухтурбинной или последовательной турбокомпрессорной компоновкой, например, используемой Caterpillar на двигателях ACERT и на некоторых дизельных двигателях 4×4 ute, но турбокомпаундирование отличается.

Установка с двумя турбинами обычно устанавливается на V-образный двигатель с одной турбиной на каждом ряду цилиндров.

В случае последовательного турбонаддува низкоскоростной турбонаддув работает в паре с высокоскоростным турбонаддувом, и оба питают впускной коллектор двигателя для обеспечения оптимального наддува во всем рабочем диапазоне двигателя.

Двигатель ACERT компании Caterpillar представляет собой турбокомпрессор.

Турбокомпаундирование отличается тем, что первичный турбокомпрессор имеет переменную мощность, а второй турбокомпрессор предназначен исключительно для рекуперации остаточной энергии выхлопных газов. Вторая турбина не связана с впускным коллектором двигателя.

Турбокомпаунды не новинка, они впервые были опробованы в 1950-х годах для повышения эффективности поршневых авиационных двигателей. Был достигнут КПД до 40 процентов, и это превосходно для бензинового двигателя.

Турбина рекуперации мощности была расположена в выпускном коллекторе двигателя и механически соединена с винтом с помощью бесступенчатой ​​трансмиссии.

По мере развития этих двигателей стало очевидно, что секция турбины проще, надежнее и эффективнее, чем поршневой двигатель, поэтому авиационные инженеры полностью избавились от поршневого двигателя.

В настоящее время большинство коммерческих авиационных двигателей представляют собой турбовинтовые и турбореактивные двигатели на основе турбины. (Турбовинтовой двигатель — это реактивный двигатель с зубчатой ​​передачей, которая приводит в движение воздушный винт.)

Турбокомпаундный авиадвигатель Napier Nomad.

Двигатели легковых и грузовых автомобилей с турбинным двигателем были испытаны в конце 1950-х годов, в первую очередь компанией General Motors, но их коммерциализация помешала расходу топлива, теплу выхлопных газов и проблемам с выбросами.

(Один тестовый грузовик GM во время разработки привел к срабатыванию пожарных спринклеров!)

Учитывая, что производители двигателей для грузовиков не могли пойти по пути авиации и отказаться от поршневого дизельного двигателя внутреннего сгорания, внимание было обращено на способы рекуперации некоторой энергии выхлопных газов после того, как они приводили в действие первичный турбонагнетатель.

Первые дни

Компания Mitsubishi была одним из первых производителей двигателей, которые пошли по этому пути, используя турбокомпрессор в своем танковом двигателе V10 10ZF в 1960-х годах.

Первое применение турбокомпаунда в серийных грузовиках было в моделях Scania Three-Series в 1989. Во время поездки австралийских журналистов в Швецию в конце 1988 года я увидел прототип двигателя TC мощностью 400 л.

Танковый двигатель Mitsubishi V10, 10ZF.

Во время последующей поездки с визитом в компанию Cummins в США нам, журналистам, разрешили управлять прототипом двигателя L10TC мощностью 450 л. Мы также рассмотрели некоторые военные N14 и V9.03T, которые были оснащены комплектами турбокомпаундов, в том числе одним, предназначенным для боевой машины Bradley, стоящей на вооружении армии США.

Scania первой запустила в производство свой 11-литровый двигатель с турбокомпрессором, и в 1992 году я водил два грузовика TC в Швеции — один с механической 14-ступенчатой ​​коробкой передач, а другой — с прототипом трансмиссии с автоматическим переключением передач (CAG). (У тестовой коробки CAG были некоторые проблемы с нейтрализацией, но она была основой всех современных автоматических коробок для тяжелых грузовиков.)

«Свободная» мощность и крутящий момент 11-литрового двигателя TC были очевидны, но при вождении с энтузиазмом , не было никакого преимущества в расходе топлива по сравнению с версией на 363 л.с.

Scania внимательно следила за своим двигателем TC в европейских парках и, похоже, не стремилась отправить его в дальний край. Такого не было 12 лет, когда были выпущены двигатели нового поколения.

Первым серийным турбокомпаундным двигателем, поступившим в Австралию, был двигатель Scania 470, созданный на базе тогдашнего нового 11,7-литрового двигателя.

Первый турбокомпаундный двигатель Scania.

Максимальная мощность составляла 470 л.с. (346 кВт) при 1900 об/мин, а максимальный крутящий момент составлял 2200 Нм (1630 фунт-фут) в диапазоне от 1050 до 1350 об/мин. В дополнение к модулю турбокомпрессора этот двигатель также оснащен новейшей системой впрыска под высоким давлением Scania HPI, разработанной совместно Scania и Cummins.

Инженеры Scania заявили, что отработавшие газы покидали 470 камер сгорания при температуре около 700 градусов по Цельсию, и после включения основного турбонагнетателя поток газа замедлился, а его температура упала до 600 градусов по Цельсию. Затем этот газовый поток прошел во вторичную турбину, где он еще больше замедлился, и температура упала ниже 500°С.

Вал вторичной турбины имел небольшую шестерню на внешнем конце, сцепленную с большой шестерней снаружи гидромуфты. Выходной вал этой муфты также имел маленькую шестерню, которая сцеплялась с промежуточной шестерней, которая, в свою очередь, была связана с шестерней коленчатого вала.

Эта трехступенчатая понижающая передача снизила скорость вторичной турбины до частоты вращения коленчатого вала, в то время как гидромуфта выполняла две важные функции: поглощала колебания скорости в зубчатой ​​передаче и предотвращала передачу любых крутильных колебаний от коленчатого вала обратно на вторичную турбину.

Колебания скорости происходили, когда двигатель разгонялся, а вторичный турбонаддув «отставал» от основного турбонаддува и коленчатого вала, или когда двигатель внезапно замедлялся, а вторичный турбонаддув превышал скорость передачи.

Крутильные колебания создавались форсунками высокого давления с приводом от распределительного вала и «импульсами» сгорания в коленчатом валу.

Связанное чтение:
Совет: Как вручную отпустить тормоза грузовика
Объяснение деактивации цилиндров
Как использовать 18-ступенчатый Roadranger Доступен двигатель V8 мощностью 480 л. с., но 16-литровый V8 весит на 200 кг больше, чем шестерка, а экономия топлива для двигателя TC составляет заявленные 3-5%.

Был также вопрос шума, который был гораздо более важным в Европе, чем здесь. Расстроенная версия 470 получила четыре «эко-балла» — значительное преимущество для грузовиков, которые должны были проехать через Швейцарию и Австрию.

В Австралии двигатель TC можно было заказать со стандартной 14-ступенчатой ​​коробкой передач GRS900, оснащенной опциональным гидравлическим тормозом-замедлителем, или системой автоматического переключения передач Scania Opticruise производства CAG.

Трансмиссия Scania с турбонаддувом.

Мои тесты выявили проблему, которая почти наверняка сведет на нет любую потенциальную экономию топлива: вес и скорость движения B-Double в Австралии по сравнению с европейскими, плюс наши более крутые уклоны на шоссе.

Чтобы двигатель мощностью 470 л.с. продолжал работать в австралийских условиях, необходимо было переключиться на пониженную передачу намного раньше, чем это было бы в случае с европейскими дорогами, скоростями и меньшими нагрузками.

Компания Fleets обнаружила, что водителям понравилась дополнительная производительность и гибкость двигателя TC, но они использовали эти преимущества для повышения производительности, а снижение расхода топлива было незначительным или отсутствовало. Учитывая дополнительную стоимость и сложность системы TC, автопарки пришли к выводу, что она того не стоит.

Volvo противопоставила инициативу Scania свой собственный двигатель TC: D12D 500. Он оказался временным двигателем на австралийском рынке, поскольку, хотя мощность 500 л.с. 42-тонный GCM, он был предельным при 60+ тоннах и 100 км / ч в Австралии.

Лучшая экономичность двигателя D12D TC была при 1100-1300 об/мин, и двигатель просто не мог выполнять работу B-Double в этом диапазоне оборотов.

Когда вскоре после этого прибыл 16-литровый Volvo, шестицилиндровый двигатель TC тихо уехал.

Оригинальная зубчатая передача Volvo D12 с турбонаддувом.

Обеспечение работы турбокомпрессора

Опыт работы с турбокомпрессором показал, что он может заставить меньший двигатель вести себя как большой, но экономия топлива в австралийских условиях не была автоматической. Автопарки могли получить экономию, но только при строгом контроле со стороны водителей.

Daimler тихо работал над турбокомпаундом для своих двигателей нового поколения, которые были запущены в США в 2007 году, прежде чем они стали доступны по всему миру. В разное время и на разных рынках двигатели DD13, DD15 и DD16 были доступны с турбокомпрессором и без него.

Эти двигатели стали эталоном экономичности в Австралии, но смесь TC отличается от той, что продается в США и Европе.

DD15 с турбокомпаундом был представлен в Австралии в октябре 2010 года в Coronado 122 и доступен до сих пор. Тем не менее, TC был снят с производства на DD15 для Северной Америки примерно в 2015 году, вероятно, потому, что более легкий вес на шоссе в США — всего 36 тонн GCM — не заставлял 15-литровый двигатель работать достаточно тяжело, чтобы оправдать стоимость и сложность TC.

Со стороны Mercedes-Benz 16-литровый двигатель OM473 с турбокомпрессором был представлен в новом поколении Actros в 2016 году, а DD16 североамериканского производства сохранил систему TC. DD16 был представлен в Австралии в Cascadia в конце 2019 года.

Mercedes-Benz OM473.

Тем не менее, более короткий и легкий самолет GCM DD13 с TC на некоторых рынках продается в Австралии без TC.

Секрет ставшей уже легендарной экономичности двигателей Daimler OM и DD TC заключается в оборотах двигателя и контроле расхода топлива, где ключевую роль играют круиз-контроль и автоматизированная механическая коробка передач.

Турбированный двигатель Volvo 2020 года, D13K500TC, показывает, что Volvo извлекла уроки из своих предыдущих усилий по TC. Чем этот двигатель отличается от своих предшественников, так это компоновкой трансмиссии.

На австралийском рынке двигатель выпускается мощностью 500 л.с., что кажется легким для 68-тонной работы, но пиковый крутящий момент составляет внушительные 2800 Нм в очень низком диапазоне 900–1300 об/мин.

Даже при максимальном весе GCM этот двигатель предназначен для работы ниже 1600 об/мин, и для обеспечения этого он доступен только с автоматической коробкой передач I-Shift и очень высоким передаточным числом главной передачи 2,83:1.

Volvo Truck заявляет, что турбокомпаунд повышает тепловую эффективность торможения двигателя (количество энергии, производимой литром дизельного топлива для приведения в движение колес) с 43 до 48 процентов, но, как ожидается, не потребует дополнительного обслуживания по сравнению с ожидаемый срок службы двигателя.

Текущий турбокомпаундный двигатель D13 от Volvo.

Мои испытания этого двигателя показали, что он все время пытался работать на максимально возможной передаче, а из-за огромного крутящего момента на низких оборотах тахометр показывал всего 1200 об/мин при движении по шоссе.

Тем не менее, этот пакет еще только начинается, поэтому мы будем следить за некоторыми из первых грузовиков, чтобы увидеть, как их экономика работает в реальном мире.

Прочие системы рекуперации энергии выхлопных газов

Все производители дизельных двигателей изучают способы использования энергии выхлопных газов, и среди них есть электрическая турбокомпаундная (ETC) система. Это включает в себя использование турбины, соединенной с высокоскоростным генератором переменного тока в потоке выхлопных газов, для преобразования энергии выхлопных газов в электрическую энергию.

ETC аналогичен механическому турбокомпрессору, но с генератором переменного тока, работающим от выхлопных газов, вместо зубчатой ​​передачи и гидравлической муфты механического турбокомпрессора.

Эта электроэнергия переменного или постоянного тока может использоваться для питания аксессуаров и при этом снимать нагрузку с генератора двигателя.

Еще одной областью исследований является термоэлектрическая генерация, когда разница температур между двумя поверхностями термоэлектрического модуля генерирует электричество с использованием так называемого эффекта Зеебека. Типичная разница в несколько сотен градусов способна генерировать электричество.

Эта технология уже опробована в некоторых стационарных двигателях, но создает трудности для разработчиков грузовиков. Одной из очевидных проблем является то, что современное оборудование для контроля выбросов зависит от температуры выхлопных газов для правильной работы, поэтому слишком большое падение температуры выхлопных газов может оказать неблагоприятное воздействие на сажевый фильтр.

Независимо от степени электрификации грузовиков в будущем при развозке и «последнем километре» линейные перевозчики в обозримом будущем будут полагаться на дизельные двигатели. Давление, чтобы сделать их более эффективными, продолжает расти.

Отказ от ответственности

В большинстве случаев trucksales.com.au посещает презентации новых автомобилей и другие мероприятия по приглашению и за счет производителей автомобилей, импортеров и/или дистрибьюторов.

Представленные редакционные цены являются ориентировочными и основаны на информации, предоставленной нам производителем. Руководство по ценообразованию актуально на момент написания редакционной статьи. При покупке автомобиля всегда уточняйте у продавца однозначную цену.

Если в цене нет пометки «Уезжай больше не плати», цена может не включать дополнительные расходы, такие как гербовый сбор и другие государственные сборы.

Мнения, выраженные в редакционных материалах trucksales.com.au, принадлежат автору и не обязательно carsales.com Ltd.

Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими Условиями использования.

Спонсорский и рекламный контент

В некоторых случаях trucksales.com.au будет работать с рекламодателями, чтобы предоставить вам релевантный контент, который стал возможен благодаря рекламодателям и их партнерам. Эти объявления будут помечены как «Спонсируемые». trucksales.com.au проверил содержание, чтобы убедиться, что оно актуально. Узнать больше

Турбокомпаундирование

Турбокомпаундирование

Ханну Яаскеляйнен, В. Адди Маевски

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему

, чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Турбокомпаундирование — это использование силовой турбины для извлечения дополнительной энергии из выхлопных газов. Механический турбокомпаунд уже многие десятилетия коммерчески используется в дизельных двигателях различного назначения. В двигателях большой мощности наиболее важной конфигурацией является последовательное турбокомпаундирование, когда силовая турбина соединена последовательно с турбиной турбонагнетателя. Эта технология может обеспечить повышение эффективности на несколько процентов, но на эти преимущества может отрицательно повлиять система рециркуляции отработавших газов, которая отводит поток газа от силовой турбины. Параллельное турбокомпаундирование подходит, когда имеется энергия выхлопных газов, превышающая необходимую для турбонагнетателя, и в противном случае ее необходимо было бы обойти вокруг турбонагнетателя.

• Введение
• Механический турбокомпаунд
Серия
• Турбокомпаунд
• Перевернутый цикл Брайтона
• Параллельный турбокомпаунд
• Трансмиссия к двигателю

Введение

Турбокомпаунд — это использование силовой турбины для извлечения дополнительной энергии из выхлопных газов. Извлеченная энергия выхлопных газов может быть добавлена ​​к коленчатому валу двигателя или преобразована в электрическую энергию:

• Если выходной вал силовой турбины соединен с коленчатым валом двигателя через механическую связь, обычно зубчатую передачу, то эту технологию обычно называют механический турбокомпаунд .
• Если силовая турбина соединена с генератором, технология называется электрическим турбокомпаундированием .

Механический турбокомпаунд уже многие десятилетия коммерчески используется в дизельных двигателях различного назначения. В Северной Америке 10 % новых тяжелых дорожных двигателей, проданных в 2011 и 2012 гг., имели турбокомпаунд, но к 2015 г. эта цифра снизилась до 2 % после того, как Daimler (Detroit Diesel) постепенно отказался от него в пользу асимметричного турбонаддува для своего двигателя DD15 в 2013

[3788] . По оценкам Агентства по охране окружающей среды США, проникновение снова достигнет 10% к 2027 году [3789] . Механический турбокомпаунд применялся к авиационным двигателям в 1950-х годах и наземным транспортным средствам, начиная с 1960-х годов. Более подробные исторические сведения о работе до 1990-х годов можно найти в литературе [3791] .

Электрический турбокомпаунд разрабатывался для дизельных двигателей большой мощности. Однако для того, чтобы оказать существенное влияние на КПД, потребуется относительно высокая электрическая нагрузка в диапазоне 50 кВт. Для дорожных транспортных средств такая нагрузка может быть реализована только с гибридной трансмиссией и, следовательно, должна сопровождаться другими важными технологическими изменениями. В электроэнергетике и некоторых морских приложениях, где легко доступна достаточно высокая электрическая нагрузка, электрическое турбокомпаундирование является коммерческой технологией 9 [2369] [3790] [3821] [3822] .

Механический турбокомпаунд

В двигателях с турбонаддувом механическое турбокомпаундирование может быть реализовано в нескольких различных конфигурациях:

• Добавление силовой турбины последовательно с турбиной турбокомпрессора и после нее
• Добавление силовой турбины параллельно с турбиной турбокомпрессора
• В составе турбокомпрессора

В двигателях большой мощности наиболее важной конфигурацией является последовательное турбокомпаундирование, схематично изображенное на рис. 1.

Рисунок 1 . Схематическое изображение механического серийного турбокомпаундирования

На рис. 2 более подробно показаны турбокомпаундные системы двух разных серий. В системе Volvo используется силовая турбина с осевым потоком, в то время как в более старой системе Scania используется силовая турбина с радиальным потоком.

Рисунок 2 . Системы турбокомпаундирования серии, используемые в некоторых двигателях Euro III и Euro IV: Volvo D12 и Scania DT12.

(Источник: Volvo и Scania)

Для применений с расходом выхлопных газов, превышающим требуемый для удовлетворения потребностей турбокомпрессора, силовая турбина может быть установлена ​​параллельно с турбиной турбокомпрессора. На рис. 3 показана такая система, которая была внедрена в двигатели Sulzer RTA в начале 1980-х годов; Система Sulzer Efficiency Booster System (η-Booster) включала другой турбонагнетатель в дополнение к параллельно подключенной силовой турбине [3816] [2586] [3792] . В то время на рынок появлялись новые турбокомпрессоры с повышенной эффективностью; более высокая эффективность турбонагнетателя означала, что при некоторых режимах работы двигателя была доступна дополнительная энергия выхлопных газов, которую можно было использовать для других целей. Силовая турбина, установленная параллельно с турбиной турбонагнетателя, стала обычным явлением в больших четырехтактных среднеоборотных и двухтактных тихоходных двигателях. На рисунке 3 верхняя кривая показывает снижение BSFC двигателя Sulzer RTA, представленного в 1983 по сравнению с предыдущей версией. Нижняя кривая показывает дополнительное снижение BSFC, доступное в двигателе RTA 1983 года с системой повышения эффективности, состоящей из обновленного турбонагнетателя и силовой турбины. При включении силовой турбины выше примерно 40-50% мощности показано дополнительное снижение BSFC до 5 г/кВтч. При отключении силовой турбины при низкой нагрузке снижение BSFC все еще возможно из-за меньшей общей площади сопла турбины.