Устройство турбокомпрессора: Устройство и принцип действия турбокомпрессора авто

Балансировочные станки серии БС-44H (в дорезонансном исполнении)

Горизонтальные балансировочные станки серии БС-44H в дорезонансном исполнении для динамической балансировки роторов массой от 3 кг до 10000 кг

Балансировочные станки серии БС-44S (в зарезонансном исполнении)

Горизонтальные балансировочные станки серии БС-44S в зарезонансном исполнении для динамической балансировки роторов массой от 3 кг до 10000 кг

Балансировочные станки серии БС-34

Балансировочные станки для роторов. Серия 34. Точность — до 0,1 гхмм/кг, универсальность. Балансировка роторов от 3 кг до 150 кг.

Балансировочные станки серии БС-24

Балансировочные станки для роторов. Серия 24. Точность — до 0,05 гхмм/кг, универсальность. Балансировка роторов массой от 50 грамм до 10 килограмм.

Станок балансировочный БС-24-5T для роторов турбокомпрессоров

Балансировочный станок для двухплоскостной балансировки роторов турбокомпрессоров массой от 50 г до 5 кг

Балансировочные станки для карданных валов серии БСК-44-100

Станок предназначен для динамической балансировки карданных валов различных типов массой от от 5 кг до 150 кг

Вертикальные балансировочные станки серии БС-В

Высокоточные вертикальные балансировочные станки серии БС-В дорезонансного типа для балансировки рабочих колес насосов, вентиляторов и других похожих тел вращения.

Стойка измерения управления «DAS — 382» и «DAS — 383»

Балансировочные станки для балансировки роторов средней и большой массы оснащаются напольными стойками измерения и управления серии «DAS-38x». Серия включает в себя модели «DAS — 382» и «DAS — 383».

Блок измерения управления «Грас 3.2» и «Грас 3.3»

Балансировочные станки производства компании «Робалс» оснащаются новейшей измерительной системой на базе блоков измерения и управления «Грас 3.2» и «Грас 3.3».

Контрольные роторы

Специальные контрольные роторы, спроектированные по требованиям ГОСТ, для проверки точностных параметров балансировочных станков.

Устройство турбокомпрессора и принцип его работы

Турбокомпрессором или турбонагнетателем называется агрегат, состоящий из компрессора и газовой турбины, в котором рабочее колесо компрессора и турбины находятся на одном валу. Он был разработан впервые швейцарцем А. Бюхи в 1905 году и применялся в основном для наддува дизельных судовых и промышленных двигателей.

В настоящее время турбокомпрессор устанавливается почти на всех дизелях и многих бензиновых двигателях. Он служит для увеличения мощности, снижения веса и габаритов, а также уменьшается расход топлива в расчете на единицу мощности, при этом снижается токсичность отработавших газов за счет более полного сгорания.

Одним из основных производителей турбонагнетателей  для автотракторных двигателей в Украине является завод турбокомпрессоров Таврия Турбо г. Мелитополь, который изготавливает более 90 моделей турбокомпрессоров, а также производит ремонт импортных агрегатов наддува.

Турбокомпрессор состоит из трех основных блоков: турбины,  корпуса подшипников, и компрессора.( рис.1)

1.Компрессор

2.Корпус подшипников

3.Турбина

Состоит из :

1. Чугунного корпуса, (рис.2)
2. Колеса из жаропрочного никелевого сплава
3. Лопаточного или безлопаточного направляющего аппарата.

Турбина преобразует энергию отработавших газов высокого давления и температуры двигателя в механическую энергию для привода компрессора.

Компрессор

В автотракторных турбокомпрессорах применяется центробежный компрессор, состоящий из трех основных деталей:

1. Корпуса(рис.2)
2. Колеса
3. Направляющего аппарата.

Корпус компрессора улиточного типа изготовлен из алюминия. Рабочее колесо имеет сложный профиль лопаток, изготовлено из высокопрочного алюминиевого сплава. Направляющий аппарат (диффузор) применяется как лопаточный так и безлопаточный, изготовленный из алюминиевого сплава.

Корпус подшипников

Корпус подшипников служит для крепления корпусов компрессора и турбины, а также:

1. В нем устанавливаются газомасляные уплотнения как со стороны компрессора так и со стороны турбины;(рис. 2)
2. В нем вращается ротор, состоящий из колеса турбины, соединенного с валом сваркой трением, и колеса компрессора, насаженного на вал и закрепленного гайкой;
3. В корпусе устанавливают радиальные подшипники и упорный подшипник, изготовленные из бронзы. Радиальные подшипники могут быть зафиксированы и свободно вращающимися. Упорный подшипник служит для ограничения осевого перемещения ротора, гарантируя зазор в компрессоре и турбине;
4. В корпусе подшипников предусмотрены отверстия подачи моторного масла для смазывания и охлаждения подшипникового узла, а также отверстие для слива масла;
5. Газомасляное уплотнение со стороны турбины в виде канавок и уплотнительных колец служит для предотвращения прорыва газов высокой температуры в корпус подшипников и попадания масла в корпус турбины.
6. Газомасляное уплотнение со стороны компрессора в виде уплотнительных колец и маслоотражателя служит для невозможности попадания масла в компрессорную часть турбокомпрессора.

1 – Чугунный корпус турбины

2 – Колеса из жаропрочного никелевого сплава

3 – Безлопаточный направляющий аппарат

4 – Корпус компрессора

5 – Колесо

6 – Направляющий аппарат

7 – Газомасляные уплотнения

8 – Ротор

9 – Радиальные подшипники

10 – Упорный подшипник

11 – Подачи моторного масла

12 – Слив моторного масла

Ознакомившись с разделом

Устройство турбокомпрессора ,переходим к следующему разделу , о том как работает турбокомпрессор

Как работает турбокомпрессор:

• Горячие выхлопные газы из цилиндров двигателя через выпускной коллектор поступают в турбину на рабочее колесо, приводя его и вал с рабочим колесом компрессора во вращение.(рис.3)
• Компрессорное колесо создает давление в улитке корпуса, что увеличивает поступление воздуха в камеру сгорания и позволяет сжечь больше топлива, а значит увеличить мощность двигателя и улучшить экологические показатели.
• При увеличении оборотов двигателя и с ростом нагрузки энергия отработавших газов увеличивается, а соответственно увеличивается число оборотов ротора турбокомпрессора и повышается давление наддува.

Так происходит автоматическое регулирование подачи воздуха в цилиндры в зависимости от числа оборотов двигателя и его нагрузки.

Уважаемые друзья, мы с Вас  в кратце ознакомили с важным для ДВС узлом – турбокомпрессор, описали его назначение и принцип работы .

При необходимости получения важной для Вас и Вашей компании более подробной информации , по тематике «Турбокомпрессор и принцип работы»обращайтесь к нашим техническим сотрудникам, [email protected] , тел. +380619442777 , наше предприятие , как разработчик и производитель турбокомпрессоров тм. «Таврия Турбо», окажем всяческую поддержку нашим партнерам.

Что такое турбокомпрессор и как он работает?

Турбокомпрессор — это устройство, устанавливаемое на двигатель транспортного средства, которое предназначено для повышения общей эффективности и производительности. Это причина, по которой многие автопроизводители предпочитают использовать турбонаддув в своих автомобилях. Новые Chevrolet Trax и Equinox предлагаются с двигателями с турбонаддувом, и с течением времени ими будет оснащаться все больше и больше автомобилей.

Турбина состоит из двух половин, соединенных валом.С одной стороны, горячие выхлопные газы вращают турбину, которая соединена с другой турбиной, которая всасывает воздух и сжимает его в двигателе. Это сжатие дает двигателю дополнительную мощность и эффективность, потому что чем больше воздуха может попасть в камеру сгорания, тем больше топлива может быть добавлено для большей мощности.

Помимо дополнительной мощности, турбокомпрессоры иногда называют устройствами, которые предлагают «бесплатную мощность», потому что, в отличие от нагнетателя, для его привода не требуется мощность двигателя.Горячие и расширяющиеся газы, выходящие из двигателя, приводят в действие турбокомпрессор, поэтому нет утечки полезной мощности двигателя. Двигатели с турбонаддувом также не подвержены такому воздействию, как двигатели без наддува, когда они едут на больших высотах. Чем выше высота набирает атмосферный двигатель, тем труднее ему получать кислород из-за разреженной атмосферы. Турбонагнетатель решает эту проблему, потому что он нагнетает кислород в камеру сгорания двигателя, иногда при давлении в 2 раза превышающем атмосферное.

Турбокомпрессоры также улучшают топливную экономичность транспортного средства, однако существует неправильное представление о транспортных средствах с турбонаддувом и топливной экономичности. Если взять двигатель без наддува и установить на нем турбонагнетатель, это не улучшит топливную экономичность. Способ, которым производители повышают эффективность использования топлива с помощью турбонаддува, заключается в уменьшении размера двигателя и его последующем турбонаддуве. Например, возьмите рядный 4-цилиндровый атмосферный двигатель объемом 2,5 л и уменьшите рабочий объем до 1.4L, а затем турбокомпрессор. Меньший двигатель с турбонаддувом по-прежнему будет иметь те же показатели производительности (или немного лучше), но из-за меньшего рабочего объема он также будет потреблять меньше топлива.

Как работает турбокомпрессор | Cummins

Существенная разница между дизельным двигателем с турбонаддувом и традиционным бензиновым двигателем без наддува : воздух, поступающий в дизельный двигатель, сжимается перед впрыском топлива . Именно здесь турбокомпрессор имеет решающее значение для выходной мощности и эффективности дизельного двигателя.

Работа турбокомпрессора заключается в сжатии большего количества воздуха, поступающего в цилиндр двигателя. Когда воздух сжимается, молекулы кислорода собираются ближе друг к другу. Это увеличение количества воздуха означает, что для безнаддувного двигателя такого же размера можно добавить больше топлива. Это приводит к увеличению механической мощности и повышению общей эффективности процесса сгорания. Следовательно, размер двигателя может быть уменьшен для двигателя с турбонаддувом, что приведет к лучшей упаковке, преимуществам экономии веса и общей улучшенной экономии топлива.

Как работает турбокомпрессор?

Турбокомпрессор состоит из двух основных частей: турбины и компрессора. Турбина состоит из турбинного колеса (1) и корпуса турбины (2) . Корпус турбины направляет выхлопной газ (3) в рабочее колесо турбины. Энергия выхлопного газа вращает турбинное колесо, и затем газ выходит из корпуса турбины через зону выхода выхлопных газов (4) .

Компрессор также состоит из двух частей: крыльчатки компрессора (5), и корпуса компрессора (6), .Принцип действия компрессора противоположен турбине. Колесо компрессора прикреплено к турбине валом из кованой стали (7) , и когда турбина вращает колесо компрессора, высокоскоростное вращение втягивает воздух и сжимает его. Затем корпус компрессора преобразует высокоскоростной воздушный поток низкого давления в воздушный поток высокого давления и низкого давления посредством процесса, называемого диффузией. Сжатый воздух (8) проталкивается в двигатель, позволяя двигателю сжигать больше топлива для выработки большей мощности.

1. Колесо турбины
2. Корпус турбины
3. Выхлопные газы
4. Выходное отверстие для выхлопных газов
5. Колесо компрессора
6. Корпус компрессора
7. Вал из кованой стали
8. Сжатый воздух

Узнайте, как работает Turbo

Основы турбокомпрессора

Ханну Яэскеляйнен, Магди К.Хаир

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 : Турбокомпрессоры — это центробежные компрессоры, приводимые в действие турбиной выхлопного газа и используемые в двигателях для повышения давления наддувочного воздуха. Производительность турбокомпрессора влияет на все важные параметры двигателя, такие как экономия топлива, мощность и выбросы. Прежде чем перейти к более подробному обсуждению специфики турбокомпрессора, важно понять ряд фундаментальных концепций.

Конструкция турбокомпрессора

Турбокомпрессор состоит из колеса компрессора и колеса турбины выхлопного газа, соединенных сплошным валом и используемого для повышения давления всасываемого воздуха двигателя внутреннего сгорания. Турбина выхлопного газа извлекает энергию из выхлопного газа и использует ее для привода компрессора и преодоления трения. В большинстве автомобильных применений и компрессор, и турбинное колесо относятся к радиально-проточному типу. В некоторых приложениях, таких как средне- и низкооборотные дизельные двигатели, можно использовать колесо турбины с осевым потоком вместо турбины с радиальным потоком.Поток газов через типичный турбокомпрессор с радиальным компрессором и турбинными колесами показан на Рисунке 1 [482] .

(Источник: Schwitzer)

Центр-Жилье. Общий вал турбина-компрессор поддерживается системой подшипников в центральном корпусе (корпусе подшипника), расположенном между компрессором и турбиной (Рисунок 2). Узел колеса вала (SWA) относится к валу с прикрепленными колесами компрессора и турбины, т.е.е., вращающийся узел. Узел вращения центрального корпуса (CHRA) относится к SWA, установленному в центральном корпусе, но без корпусов компрессора и турбины. Центральный корпус обычно отлит из серого чугуна, но в некоторых случаях может использоваться и алюминий. Уплотнения предотвращают попадание масла в компрессор и турбину. Турбокомпрессоры для систем с высокой температурой выхлопных газов, таких как двигатели с искровым зажиганием, также могут иметь охлаждающие каналы в центральном корпусе.

Турбонагнетатель отработавших газов бензинового двигателя в разрезе, показывающий колесо компрессора (слева) и колесо турбины (справа). Подшипниковая система состоит из упорного подшипника и двух полностью плавающих опорных подшипников. Обратите внимание на охлаждающие каналы.

(Источник: BorgWarner)

Подшипники турбокомпрессора

Подшипники. Система подшипников турбокомпрессора проста по конструкции, но играет ключевую роль в ряде важных функций.К наиболее важным из них относятся: контроль радиального и осевого движения вала и колес и минимизация потерь на трение в подшипниковой системе. Подшипниковым системам уделяется значительное внимание из-за их влияния на трение турбокомпрессора и его влияние на топливную экономичность двигателя.

За исключением некоторых крупных турбонагнетателей для тихоходных двигателей, подшипники, поддерживающие вал, обычно расположены между колесами в выступе. Эта гибкая конструкция ротора гарантирует, что турбокомпрессор будет работать выше своей первой и, возможно, второй критических скоростей, и поэтому может подвергаться динамическим условиям ротора, таким как завихрение и синхронная вибрация.

Уплотнения. Уплотнения расположены на обоих концах корпуса подшипника. Эти уплотнения представляют собой сложную конструктивную проблему из-за необходимости поддерживать низкие потери на трение, относительно больших перемещений вала из-за зазора в подшипниках и неблагоприятных градиентов давления в некоторых условиях.

Эти уплотнения в первую очередь служат для предотвращения попадания всасываемого воздуха и выхлопных газов в центральный корпус. Давление во впускной и выпускной системах обычно выше, чем в центральном корпусе турбокомпрессора, который обычно находится на уровне давления в картере двигателя.По существу, они в первую очередь предназначены для уплотнения центрального корпуса, когда давление в центральном корпусе ниже, чем во впускной и выпускной системах. Эти уплотнения не предназначены для использования в качестве основного средства предотвращения утечки масла из центрального корпуса в выхлопную и воздушную системы. Попадание масла в контакт с этими уплотнениями обычно предотвращается с помощью других средств, таких как масляные дефлекторы и вращающиеся пальцы.

Уплотнения турбокомпрессора отличаются от мягких манжетных уплотнений, которые обычно используются во вращающемся оборудовании, работающем при гораздо более низких скоростях и температурах.Уплотнение с поршневым кольцом — это один из наиболее часто используемых типов уплотнений. Он состоит из металлического кольца, внешне похожего на поршневое кольцо. Уплотнение остается неподвижным при вращении вала. Иногда используются уплотнения лабиринтного типа. Обычно уплотнения вала турбонагнетателя не предотвращают утечку масла, если перепад давления меняется на противоположный, так что давление в центральном корпусе выше, чем во впускной или выпускной системах.

###

Turbocharger Integrated Assist

Hannu Jääskeläinen

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 : Один из способов помочь турбокомпрессору — это встроить двигатель в сам турбонагнетатель. При помощи встроенного в турбокомпрессор вспомогательного оборудования дополнительная мощность подается непосредственно на вал турбонагнетателя от электрического или гидравлического двигателя или даже от самого двигателя через зубчатую передачу или трансмиссионное устройство.

Введение

Один из способов помочь турбокомпрессору — встроить двигатель непосредственно в турбокомпрессор.На рисунке 3 показан пример, в котором электродвигатель встроен в турбокомпрессор. Гидравлические турбины (Рисунок 11) или насосы, а также прямое механическое соединение с коленчатым валом двигателя через трансмиссию (Рисунок 9) — это другие возможности для обеспечения интегрированной помощи турбокомпрессору.

Интеграция вспомогательной функции в турбокомпрессор имеет определенные преимущества, включая компактную и гибкую упаковку, а в некоторых случаях возможность включения утилизации отходящего тепла в виде турбонагнетателя с использованием аппаратного обеспечения, общего для вспомогательной функции.В дополнение к аспектам рекуперации энергии турбонагнетателя, можно управлять турбонагнетателем как с вспомогательной, так и с турбонагнетательной функциями, чтобы иметь меньшее изменение скорости во всем рабочем диапазоне двигателя. Это позволяет установить лопатки в компрессор и турбину для повышения эффективности. Лопатки ограничивают диапазон скоростей турбокомпрессора и обычно не используются в обычных конструкциях [2362] .

Включение функции помощи в турбокомпрессор сопряжено с определенными проблемами.Одна очень важная проблема заключается в том, что диапазон расхода компрессора должен быть расширен, особенно в конце диапазона низкого расхода, чтобы обеспечить воздух, необходимый для увеличения крутящего момента двигателя на низких оборотах. Если максимальный расход воздуха на высокой скорости не изменяется для поддержания мощности двигателя, в большинстве случаев линия помпажа компрессора должна двигаться дальше влево, чтобы обеспечить необходимое увеличение потока воздуха на низких оборотах двигателя и давления наддува, рис. 1 [2357] . Для достижения этой расширенной карты компрессоров стандартных методов расширения ширины карты (MWE) может быть недостаточно, и могут потребоваться компрессоры с переменной геометрией (VGC). [2360] [2361] .В качестве альтернативы, отдельный компрессор, такой как нагнетатель, может использоваться для дополнения турбонагнетателя [3299] .

1: Повышение предела помпажа. 2: Повышение мощности зарядки. 3: Повышение степени сжатия и скорости вращения.

Интегрированный вспомогательный агрегат турбонагнетателя также может отрицательно сказаться на эффективности турбины, когда вспомогательная функция активна.Турбины спроектированы таким образом, чтобы работать в максимально широком рабочем диапазоне. В условиях, когда на турбонагнетатель подается дополнительная мощность, скорость вала турбонагнетателя увеличивается и может привести к несоответствию между потоком выхлопных газов и геометрией турбины, что может снизить КПД турбины, как показано на рисунке 2. Аэродинамическая оптимизация турбинного колеса или турбины с изменяемой геометрией может требуется, если требуется максимизация мощности турбины (и, таким образом, минимизация дополнительной мощности) в периоды поддержки турбокомпрессора. [2361] .

Еще одна проблема, связанная с интегрированной вспомогательной системой турбонагнетателя, заключается в том, что двигатель, обеспечивающий вспомогательную функцию, должен выдерживать максимальную скорость вращения турбонагнетателя, даже если это необходимо только на низких и средних частотах вращения турбонагнетателя.

###

Ремонт и обслуживание турбокомпрессоров | Mobil ™

Майк Бамбек , www.automedia.ком

Первая большая волна автомобильного турбонаддува пришла в автосалоны в 80-х годах. Все, от универсалов Chrysler K-car, продающихся в продуктовых магазинах, до высококлассных спортивных автомобилей Porsche, укомплектовано турбонагнетателем под капотом. Казалось, что эти автомобили с турбонаддувом не могли покинуть завод без надписи «TURBO» где-нибудь, если не повсюду. Дело в том, что турбокомпрессор может добавить производительность по требованию к двигателю, ориентированному на экономию. Двигатели с турбонаддувом снова становятся все более распространенными, поскольку потребители требуют больше мощности при большей экономии топлива.

Теоретически просто
Турбокомпрессор расположен между двигателем и выхлопной системой и использует энергию, которая обычно выходит из выхлопной трубы, и обеспечивает более эффективное ее использование. Внутри турбонагнетателя находятся два колеса с оребрением, которые вращаются вместе на общем валу. Турбинное колесо с горячей стороной улавливает мощность выхлопа. Колесо компрессора с холодной стороны забирает энергию, захваченную турбинным колесом, и использует ее для нагнетания воздуха в двигатель. Затем воздух смешивается с топливом и готово — меньший четырехцилиндровый двигатель чихуахуа внезапно может похвастаться мощностью Доберман V-8.Поскольку сжатый воздух, нагнетаемый в камеры сгорания, содержит больше кислорода, двигатель может генерировать больше мощности, чем при работе без турбонаддува. Когда водителю не нужна дополнительная мощность, турбонагнетатель вращается для поездки, позволяя двигатель должен работать с улучшенной экономией топлива.

Уход и смазка
Хотя сам по себе турбокомпрессор является относительно простым устройством, его замена может оказаться дорогостоящей. Новый турбонагнетатель на замену может стоить несколько тысяч долларов без учета установки и труда.Способ избежать преждевременного отказа турбонагнетателя — строго следовать рекомендациям производителя по моторному маслу и сервисному обслуживанию. Двигатели
Turbo могут быть очень жесткими с моторным маслом. Тот же выхлоп, который вращает турбинное колесо, дал название горячей стороне. Корпус с горячей стороны может заметно нагреться. Поскольку вал может вращаться в диапазоне 100 000 об / мин, использование высококачественного моторного масла является ключом к выживанию турбокомпрессора.
Достижения в области моторного масла и корпуса турбокомпрессора с водяным охлаждением сделали двигатели с турбонаддувом более удобными для потребителя, чем когда-либо, но пренебрежение заменой масла по-прежнему может означать конец турбокомпрессора раньше времени.

На балансе
Цена нового турбокомпрессора на замену может быть ошеломляющей. Если отказ турбокомпрессора вызван нормальным износом, то возможен вариант его восстановления. Плохая новость заключается в том, что восстановление турбокомпрессора выходит за рамки большинства домашних мастеров. Разборка и осмотр возможны, но любая обработка и балансировка требуют как специализированного оборудования, так и опыта. Хорошая новость в том, что с этой работой работают профессионалы. Турбокомпрессор, восстановленный с использованием свежих подшипников и уплотнений, может прослужить много миль при значительно меньших затратах, чем новый замененный блок.

Ремонт пятиступенчатого турбокомпрессора

Электронный ускоритель BorgWarner может сделать двигатели с турбонаддувом на 10 процентов эффективнее

В то время как любой уважающий себя футуролог предсказывает мир электрического вождения, инженеры, стремящиеся сделать двигатель внутреннего сгорания еще более эффективным, не бросают жирное полотенце.

Хорошая вещь, потому что электромобили все еще далеки от того, чтобы предложить доступность, производительность и практичность, необходимые для того, чтобы по-настоящему вытеснить обычные автомобили.Пока эта комбинация не появится, автопроизводители будут продолжать полагаться на двигатель внутреннего сгорания. Задача состоит в том, чтобы соответствовать все более строгим нормам выбросов и экономии топлива в США и Европе, обеспечивая при этом мощность и производительность, которые требуются потребителям.

У автопроизводителей есть несколько способов сделать это, а промышленный поставщик BorgWarner только что разработал другой. Он называется электронным бустером, и компания утверждает, что он может повысить эффективность использования топлива до 10 процентов без соответствующего снижения производительности, сделав турбокомпрессоры еще более эффективными.

Сначала пару слов о турбокомпрессорах. По сути, это небольшая турбина, приводимая в движение выхлопными газами, которая нагнетает больше воздуха в камеру сгорания. Больше кислорода означает больше энергии при том же количестве топлива. Voila , большая мощность без снижения расхода топлива, что объясняет, почему автопроизводители любят их. Honeywell ожидает увидеть двигатели с турбонаддувом в половине всех проданных в мире автомобилей к 2021 году.

Ач, но у турбонагнетателей есть один ключевой недостаток: когда вы нажимаете на педаль, может потребоваться несколько секунд, чтобы двигатель среагировал, а турбонагнетатель начал вращаться. .Инженеры называют эту задержку задержкой, и это затрудняет работу. Электронный бустер устраняет его, увеличивая турбокомпрессор. Он приводится в движение электричеством, поэтому всего за три десятых секунды он раскручивается до 70000 об / мин, обеспечивая ускорение, пока турбокомпрессор не наберет нужную скорость. БоргВарнер говорит, что устройство размером с дыню в сочетании со стандартным турбонагнетателем улучшает крутящий момент на 85 процентов при 1500 об / мин и на 55 процентов при 2000 об / мин.

В пятницу BorgWarner объявил, что Mercedes-Benz представит электронный ускоритель на 3.0-литровый шестицилиндровый двигатель вы увидите под капотом … ну, пока никто не говорит. Генеральный директор Джеймс Верриер говорит, что подписались еще два автопроизводителя, но не уточняет, кто именно. Он ожидает, что двухступенчатые турбины быстро завоюют популярность. «В ближайшие пять лет он станет относительно мейнстримом», — говорит он.

Электронный бустер появится в 3-литровом 6-цилиндровом двигателе Mercedes-Benz M256.

Соперник, поставщик Delphi, разработал аналогичное решение, которое он назвал электронным зарядным устройством, а Volvo экспериментировала с использованием трех турбонагнетателей для устранения задержек.«Когда дело доходит до большинства технологий двигателей, под солнцем очень мало нового», — говорит Стивен Чиатти, инженер-механик из Аргоннской национальной лаборатории. «Что меняет, так это наша способность производить их дешево и эффективно … или потребность в более дорогостоящем подходе к решению проблемы, когда требования рынка или нормативное давление не заставляют это делать».

BorgWarner впервые поиграл с этой идеей в конце 1990-х годов, но решил, что электронному усилителю требуется слишком много энергии, — говорит Верриер.Но недавняя разработка 48-вольтовых электрических систем изменила картину. Обеспечение в четыре раза большей мощности по сравнению с традиционной 12-вольтовой системой позволяет использовать все виды новых технологий: активный контроль плавности хода, электрические водяные насосы, подогрев сидений и так далее. Электронному усилителю требуется 5 или 6 киловатт, что может обеспечить 48-вольтовая система.

Так что может пройти некоторое время, прежде чем вы начнете кататься на электромобиле. А пока вы застряли на внутреннем сгорании. Поблагодарите инженеров, которые продолжают делать его более эффективным.

Супер турбонаддув дизельного двигателя с прямым впрыском

В настоящем исследовании моделируется устойчивая работа дизельного двигателя с непосредственным впрыском (TDI) с турбонаддувом и механизмом изменения передаточного числа, соединяющим вал турбонагнетателя с коленчатым валом. Ключевыми параметрами механизма с регулируемым передаточным числом являются диапазон передаточных чисел, эффективность и инерция, а также возможность управления относительной скоростью и потоком мощности. Устройство получает энергию от коленчатого вала или турбонагнетателя или передает энергию им.Таким образом, помимо поршней двигателя внутреннего сгорания (ДВС), также турбокомпрессор вносит свой вклад в общую механическую мощность двигателя. Подача энергии от коленчатого вала в основном необходима во время резких ускорений, чтобы избежать турбонаддува и увеличить крутящий момент на низких скоростях. На низких скоростях резко увеличивается максимальный крутящий момент, радикально расширяя диапазон нагрузок. Кроме того, приближаясь к точкам работы сбалансированного турбонагнетателя, также можно улучшить как КПД η , определяемый как отношение мощности коленчатого вала поршня к мощности потока топлива, так и общий КПД η * , определяемый как отношение мощности поршневого коленчатого вала, увеличенной мощности от вала турбонагнетателя, к мощности потока топлива, даже если она минимальна.Подача энергии к коленчатому валу возможна в основном при высоких скоростях и высоких нагрузках, когда в противном случае турбина могла бы быть закрыта впустую, а также во время замедления. Использование энергии в турбине, которое в противном случае приводило бы к отходам, приводит к повышению общего КПД преобразования топлива на η * больше, чем КПД η . Гораздо меньшие улучшения достигаются для максимального крутящего момента, снова приближаясь к точкам работы сбалансированного турбонагнетателя. Принятие турбокомпрессора гораздо большего размера (целевой рабочий объем x скорость на 30% больше, чем у обычного турбокомпрессора), лучший выход крутящего момента и эффективность преобразования топлива η * и η возможны на любой скорости vs.двигатель с меньшим сбалансированным турбонагнетателем. Этот результат мотивирует дальнейшие исследования механизма, который может значительно улучшить традиционные силовые агрегаты на базе дизельных двигателей.

1 Введение

Нагнетатели повышают давление на впуске за счет работы сжатия, снимаемой с коленчатого вала. Полностью теряется энергия выхлопных газов. Турбокомпрессоры повышают давление на впуске за счет энергии выхлопных газов, которые расширяются через коаксиальную турбину за счет повышенного противодавления.

обычно более эффективны, чем нагнетатели, и имеют лучшие характеристики во всем диапазоне скоростей и нагрузок. Поскольку нагнетатели приводятся в движение коленчатым валом через механизмы с регулируемым передаточным числом, наддув не зависит от энергии выхлопных газов. В турбонагнетателе наддув зависит от энергии выхлопных газов, поскольку работа в турбине равна работе в компрессоре при равновесной скорости. Обычно турбокомпрессор управляется перепускным клапаном на турбине, который снижает количество энергии, рекуперированной в турбине для работы компрессора.В то время как на высоких скоростях турбина является закрытой, на низких скоростях энергия, доступная в турбине, минимальна, и наддув уменьшается. Отсутствие наддува также наблюдается во время резких ускорений, поскольку энергии турбины недостаточно для выполнения требуемой работы компрессора (турбо-задержка). Таким образом, турбокомпрессор расходует часть рекуперируемой энергии в выхлопе на высокой скорости или во время резких замедлений и не имеет достаточной энергии на турбине во время резких ускорений и на низких скоростях.В нагнетателе вся энергия выхлопных газов теряется.

В то время как в турбокомпрессоре скорость вращения может изменяться в широких пределах, в случае нагнетателя скорость компрессора ограничена характеристиками механизма, соединяющего коленчатый вал с валом компрессора. В нагнетателях помимо центробежных компрессоров также используются объемные компрессоры.

В традиционных турбонагнетателях вал турбонагнетателя не соединен с коленчатым валом, и мощность компрессора идеально сбалансирована мощностью от турбины, при этом перепускной клапан турбины дает возможность контролировать рабочую точку, уменьшая поток через турбину.Если вал турбокомпрессора соединен с коленчатым валом через механизм с изменяемым передаточным числом, это открывает новый мир возможностей, поскольку турбокомпрессор может работать на скорости, отличной от скорости равновесия, а мощность может подаваться на коленчатый вал или отбираться от него. Это нововведение, которое изучается здесь, направлено на улучшение рекуперации наддува и отходящего тепла и, в конечном итоге, на повышение общей эффективности преобразования топлива и крутящего момента на любой скорости.

Поскольку дополнительная работа турбины может быть собрана на коленчатом валу, турбокомпрессор может быть выбран намного большего размера, чем в традиционной установке турбокомпрессора.

Управление частотой вращения турбонагнетателя и, следовательно, потоком мощности к коленчатому валу или от вала турбонагнетателя, а также повышением давления теперь достигается за счет регулирования передаточного отношения механизма.

1,1 VanDyne Super Turbocharger

Название супер турбокомпрессор не новость. VanDyne Super Turbocharger (или SuperTurbo) [1–4] — это турбокомпрессор, соединяющий вал турбокомпрессора с коленчатым валом. Изобретение, указанное в [2], приводит в действие турбокомпрессор до определенной скорости или давления во впускном коллекторе.Когда энергия выхлопных газов обеспечивает больше работы, чем требуется для приведения в действие впускного компрессора, изобретение восстанавливает эту избыточную энергию, чтобы добавить крутящий момент на коленчатый вал. Изменяя передаточное число бесступенчатой ​​трансмиссии (CVT), SuperTurbo в принципе может потреблять мощность от коленчатого вала, работающего как нагнетатель, или передавать энергию коленчатому валу, работающему как турбокомпрессор. Функция нагнетателя SuperTurbo улучшает переходные характеристики двигателя с уменьшенным размером и турбонаддувом, а функция турбонаддува дает возможность извлекать доступную энергию выхлопных газов из турбины, а не открывать перепускной клапан.

В практическом применении ссылки [4] высокоскоростной тяговый привод используется для обеспечения снижения скорости от вала высокоскоростной турбины, в то время как второй тяговый привод обеспечивает бесступенчатое регулирование передаточных чисел через вариатор. Однако передаточное отношение вала турбонагнетателя к коленчатому валу двигателя ограничено. Механизм состоит из зубчатых пар, насоса с наклонной шайбой, рычага управления, электродвигателя, гидравлических линий, но в нем отсутствуют современные вариаторы, такие как тороидальный вариатор Tototrak [5, 6] или тороидальный вариатор Nissan Extroid [7] для управления. передаточное число и поток энергии между турбонагнетателем и коленчатым валом.

1.2 Нагнетатель с регулируемой скоростью Torotrak

В 2012 году Torotrak предложила технологию наддува с регулируемой скоростью [5], чтобы нагнетатель работал в широком диапазоне оборотов в минуту и ​​наддува независимо от частоты вращения двигателя. Механизм состоит из вариатора тягового привода (TDV) и эпициклического тягового привода (TDE), которые изменяют скорость центробежного нагнетателя. Механизм получает от двигателя повышающую передачу 3: 1. TDV регулирует передаточное число от 0,35: 1 (понижающая передача) до 2.82: 1 (овердрайв). TDE обеспечивает фиксированное увеличение передаточного отношения 12,67: 1. Механизм может вращать центробежный компрессор от 13,3 до 107,2 оборотов двигателя в бесступенчато регулируемой величине [5]. Вариатор из [5] аналогичен по конструкции тороидальному вариатору, предложенному для чисто механической системы рекуперации кинетической энергии (KERS) F1 [6] на основе маховика. Двунаправленный двойной тороидальный вариатор был ранее предложен Торотраком для F1 KERS [6]. С Torotrak V-Charge [5] скорость компрессора может быть в пределах 4.В 43 и 35,73 раза больше оборотов двигателя. Таким образом, для частоты вращения двигателя 3000 об / мин скорость компрессора может быть изменена между 13 300 и 107 200 об / мин. Передаточное отношение вала турбонагнетателя к коленчатому валу двигателя широкое. Этот вариатор подходит для управления передаточным числом и потоком энергии между турбонагнетателем и коленчатым валом.

1,3 F1 MGU-H

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском (DI) с турбонаддувом, входящий в состав гибридной электрической трансмиссии, с установленным на валу турбокомпрессора двигателем-генератором типа F1 (MGU-H) был недавно исследован в [8].На рисунке 1 представлена ​​схема турбонагнетателя со стороной компрессора (а) или между компрессором и турбиной (b) со стороны блока двигателя / генератора (b), как это используется в F1, например, Renault или Ferrari в сезоне 2014 года. MGU-H принимает или подает энергию в тот же накопитель энергии (ES) гибридного силового агрегата, который включает в себя мотор-генератор на трансмиссии (MGU-K) в дополнение к двигателю внутреннего сгорания (ICE). Подача энергии от ES в основном необходима во время резких ускорений, чтобы избежать турбо-лага и увеличить крутящий момент на низких скоростях.На низких оборотах он также улучшает отношение мощности коленчатого вала двигателя к мощности потока топлива, а также отношение мощности коленчатого вала двигателя плюс мощность вала турбонагнетателя к мощности потока топлива. Подача энергии к ES возможна при высоких скоростях и нагрузках, где в противном случае турбина могла бы быть закрытой, а также во время замедления. Это улучшает соотношение мощности коленчатого вала двигателя и вала турбонагнетателя к мощности потока топлива. Однако в этом случае мощность, подаваемая на вал турбонагнетателя, идет на подзарядку аккумулятора через MHU-H и не поступает непосредственно на колеса.Точно так же мощность, потребляемая от вала турбокомпрессора, вырабатывается при разряде аккумулятора через MHU-H и не влияет на поток мощности на колеса. Поскольку каждое изменение формы энергии, с механической на электрическую, на химическую и наоборот, происходит с КПД менее 100%, чисто механический супер-турбонаддув также имеет преимущества по сравнению с гибридным электрическим супер-турбонаддувом. Эти преимущества рассматриваются здесь для дизельного двигателя, в котором повышение давления не ограничивается детонацией.

Рис.1

Схема турбонагнетателя со стороной компрессора (а) или между компрессором и турбиной (b) со стороны двигателя / генератора, как используется в F1.

2 Предлагаемый супер-турбонагнетатель с широким диапазоном частоты вращения

В предлагаемом нововведении турбонагнетатель увеличенного размера соединен с коленчатым валом через другой механизм изменения передаточного числа. Конструкции да Винчи бесступенчатого вариатора датируются 1490 годом.В 1886 году был подан первый патент на тороидальный вариатор. Конструкция полутороидальной бесступенчатой ​​трансмиссии (CVT), используемая здесь, предлагается во многих статьях, таких как [9]. В этой статье предлагаются геометрические и кинематические величины, силы, крутящий момент и эффективность, контактное давление и смазка полутороидального вариатора. Устройство с регулируемым передаточным числом, аналогичное характеристикам Torotrak V-Charge, может использоваться для запуска турбокомпрессора увеличенного размера в предлагаемом приложении. А 13.В настоящей заявке рассматривается механизм передаточного отношения от 2 до 107,2. CVT должен обеспечивать непрерывное передаточное число переменной скорости от понижающей передачи 1: (2,85) до повышающей передачи (2,85): 1, хотя и имеет тороидальную конструкцию. Конечное передаточное число достигается за счет использования одной или нескольких зубчатых пар с общим передаточным числом 37,6: 1. Этот механизм позволяет передавать на коленчатый вал положительную разницу между работой турбины и компрессора или получать от коленчатого вала отрицательную разницу между работой турбины и компрессора с оптимальной скоростью.Механизм действует в двух направлениях, то есть может передавать мощность на коленчатый вал или от коленчатого вала и турбокомпрессора, и он соединен с валом турбокомпрессора, а не с валом компрессора. Существование продукта — нагнетателя с регулируемой скоростью Torotrack — с бесступенчатой ​​трансмиссией с таким же передаточным числом, как у предлагаемого здесь, является доказательством осуществимости этого устройства.

Рабочая скорость турбонагнетателя — это скорость, которая максимизирует общий выходной крутящий момент на коленчатом валу и общую топливную эффективность. η *, определяемый как отношение мощности на поршневом коленчатом валу, увеличенной мощности от вала турбонагнетателя к мощности потока топлива. .В случае традиционного турбонагнетателя работа турбонагнетателя направлена ​​только на максимальное увеличение работы поршня и КПД η , определяемый как отношение мощности поршневого коленчатого вала к мощности потока топлива.

В настоящей работе рассматривается дизельный, а не бензиновый двигатель, как в ссылках [1–4] (или [8]). Турбина может рекуперировать намного больше энергии, чем энергия, необходимая для компрессора, и вносить вклад в общий выходной крутящий момент на коленчатом валу с разницей между работой турбины и компрессора.Точно так же, когда компрессору требуется больше энергии, чем энергия, доступная в турбине, именно эта разница обеспечивается коленчатым валом. Эффективность механизма только весит на разнице между работой компрессора и турбины. При работе турбокомпрессора на более высокой скорости, чем уравновешивающая скорость, компрессор выполняет больше работы, давление на впуске увеличивается, больше воздуха задерживается внутри цилиндра, больше топлива впрыскивается при сгорании, больше работы совершается поршнями, и больше работы совершается выхлопными газами, расширяющимися через турбину.Это увеличивает общий крутящий момент и общую эффективность преобразования топлива.

На рис. 2 представлена ​​схема турбонагнетателя со стороной компрессора CVT для механического соединения с желобными шестернями коленчатого вала (a, b), рассматриваемыми в настоящем исследовании. Здесь рассматриваются варианты компрессора со стороны вариатора для механического соединения с коленчатым валом через двойной тороидальный вариатор и 3 пары шестерен или один тороидальный вариатор с 1 парой зубчатых колес к / от коленчатого вала. Бесступенчатая трансмиссия состоит из входного и выходного диска (дисков) и приводных роликов, передаточное число которых равно отношению радиусов входного и выходного контакта.Также может быть добавлено сцепление, чтобы обеспечить сбалансированную работу турбокомпрессора, отделенную от скорости двигателя, если / когда это будет сочтено целесообразным. Конструкции бесступенчатой ​​трансмиссии (а) и (b) — это только две из множества возможностей, которые необходимо дополнительно изучить в механической конструкции вала трансмиссии от / до коленчатого вала.

Фиг.2

Схема турбокомпрессора со стороной вариатора компрессора для механического соединения с коленчатым валом через двойной тороидальный вариатор, тороидальный и 3 зубчатые пары (а) или одиночный тороидальный вариатор с 1 зубчатой ​​парой (б).

Механическая система имеет недостатки в упаковке и гибкости по сравнению с электрической системой. Однако его преимущества заключаются в полной механической интеграции, увеличивающей выходную мощность коленчатого вала.

CVT должен обеспечивать непрерывное передаточное число переменной скорости от понижающей передачи 1: (2,85) до повышающей передачи (2,85): 1 посредством тороидальной конструкции, такой как предложенная на рисунке 1 (b). Если r ₁ — радиус контакта на входном диске, а r ₂ — радиус контакта на выходном диске, (симметричный) тороидальный вариатор работает от r ₂ / r ₁ = 2.85 по r ₁ / r ₂ = 2,85. Поскольку поток мощности через вариатор ограничен, конструкция двойного тороидального вариатора, показанная на Рисунке 1 (а), типичная для трансмиссий двигателя или гоночного механического маховика KERS, не требуется. При изменении r ₁ / r ₂ изменяется относительная скорость турбокомпрессора и компрессора, и, таким образом, наддув и мощность на коленчатый вал или от него.

3 Вычислительный метод

Моделирование рабочих характеристик двигателя (например, хорошо известные из справочников [10, 11], лидеры отрасли в этой области) позволяют рассчитать работу двигателя для заданной геометрии при различных условиях эксплуатации.Точность моделирования повышается за счет применения передового опыта и обширных проверок по сравнению с экспериментами. Настоящее моделирование выполнено для шестицилиндрового дизельного двигателя TDI V с соотношением диаметр цилиндра / ход поршня 0,829, отношение длины шатуна к ходу хода 1,896, степень сжатия 18,5: 1, максимальное отношение давлений через компрессор 4,0, рабочий объем 3,8 литра. Этот двигатель предназначен для гоночных автомобилей, а не для легковых автомобилей.

Критическим аспектом моделирования, в остальном довольно простым, является моделирование горения.Сгорание здесь моделируется с помощью функции дизельного топлива Wiebe, состоящей из табличных параметров в зависимости от скорости и нагрузки. Скорость горения задается с помощью трехчленной функции Вибе. Константы Вибе должны соответствовать скорости тепловыделения, рассчитанной на основе измеренного давления в цилиндре. Константы Вибе включают в себя: задержку зажигания (задержка в градусах угла поворота коленчатого вала между началом впрыска и началом сгорания), предварительно смешанная фракция (фракция топлива, которая смешивается до начала сгорания и сгорает предварительно смешанной), хвостовую фракцию (долю топлива, которая ожоги за пределами основного диффузионного ожога), продолжительность предварительно смешанного ожога (продолжительность в градусах угла поворота кривошипа для предварительного ожога), основная длительность (продолжительность в градусах угла поворота кривошипа основного диффузионного ожога) и, наконец, продолжительность хвостового ожога (продолжительность в градусах угла поворота кривошипа хвостового ожога) изгиб).Модель также требует указания предварительно смешанной экспоненты, главной экспоненты и хвостовой экспоненты. Функция Wiebe для дизельного двигателя представлена ​​в виде таблицы для воспроизведения экспериментальной скорости тепловыделения, рассчитанной на основе давления в цилиндре для базового дизельного двигателя, который работает с другим турбонагнетателем и другими наддувами. Поскольку предполагается, что температура и давление внутри цилиндра увеличатся, это в конечном итоге приведет к более высокой скорости сгорания. Модель аппроксимирует одним эквивалентным событием впрыска тепловыделение более сложного впрыска, состоящего из нескольких фаз, поскольку стратегия впрыска в современных дизельных двигателях с прямым впрыском основана на последовательности событий впрыска.Дальнейшее улучшение точности моделирования возможно только после экспериментов с двигателем.

4 Результаты

Здесь представлены моделирование двигателя с воспламенением от сжатия, работающего с валом турбонагнетателя, соединенным с коленчатым валом с помощью механизма изменения передаточного числа. Турбокомпрессор намеренно увеличен в размерах, а также увеличены размеры портов, диаметров клапанов и подъемников. Турбокомпрессор предназначен для использования с максимальной скоростью x рабочий объем, который на 30% больше нынешнего 3.8 литров × 4500 об. / Мин. Предполагается, что эффективность механизма с изменяемым передаточным числом, обеспечивающего передаточное число от 13,3 до 107,2, составляет 90%.

На рисунке 3 представлены карты турбины и компрессора. a) и b) карты компрессора, c) и d) карты турбины. Значения скорректированы на 298 К и 100 кПа. Уменьшенные значения соответствуют формулам:

р п M р е d ты c е d знак равно р п M а c т ты а л Т я п л е т — т о т а л м ˙ р е d ты c е d знак равно м ˙ а c т ты а л ⋅ Т я п л е т — т о т а л п я п л е т — т о т а л

Фиг.3

Карта компрессора. Скорость (a) и эффективность (b) в зависимости от степени давления и скорректированного массового расхода. Линии скорости компрессора от 8 644 до 102 000 об / мин. Карта турбины. Скорость (c) и эффективность (d) в зависимости от степени давления и скорректированного массового расхода.

С частотой вращения турбонагнетателя, давлением P, температурой T и массовым расходом. Турбокомпрессор имеет области оптимальной работы, области, где он работает менее эффективно, и области, где он не может работать. Соединение коленчатого вала с помощью механизма переменного передаточного числа позволяет искать оптимальную рабочую точку, изменяя передаточное число и, следовательно, скорость турбокомпрессора в дополнение к другим типичным параметрам управления традиционного турбокомпрессора.

На рис. 4 представлена ​​созданная модель. Вал турбины и компрессора через шестерни соединены с коленчатым валом двигателя. Передаточное число задано различным для каждой частоты вращения двигателя и нагрузки, но одинаково для турбины и компрессора. На максимальной скорости компрессор работает в зоне между линией помпажа с левой стороны и линией дроссельной заслонки с правой стороны для всех массовых расходов во всем диапазоне скоростей двигателя. Компрессорная система, включающая вариатор и шестерню, соединяющую вал с коленчатым валом, выбирается таким образом, чтобы расчетные рабочие точки не выходили за пределы линий помпажа и дросселирования.

Виртуальные модели двигателей разработаны с использованием программного обеспечения GT-SUITE [11, 17]. GT-SUITE — это один из ведущих в отрасли инструментов моделирования характеристик двигателя, применяемый производителями оригинального оборудования (OEM), исследовательскими центрами и академическими учреждениями и предлагаемый на многих курсах бакалавриата и магистратуры по автомобильной инженерии. Этот конкретный инструмент существует уже 3 десятилетия. Почти 800 из множества опубликованных статей, посвященных разработке, проверке и применению моделей GT-SUITE разработчиками, перечислены в [17].Рисунок 4 позволяет оценить детали модели. В дополнение к элементам потока, в которых решается зависимое от времени уравнение сохранения массы, импульса, энергии и частиц, на эскизе также показаны специальные элементы, такие как цилиндры двигателя и форсунки, а также элементы компрессора и турбины, имеющие более сложное определение. . Следует отметить, что компрессор и турбины связаны с коленчатым валом отдельными механическими звеньями. Это требует ручной постобработки результатов, чтобы уменьшить механические потери турбонагнетателя, пропорциональные полезной мощности, подаваемой на турбонагнетатель или от него.Более подробную информацию о моделировании можно найти в [11] и [17].

Кинематическое передаточное число и механический КПД, которые представляют собой потери на трение в зубчатом соединении между коленчатым валом и валом турбокомпрессора, предписываются для каждой рабочей точки нагрузки (BMEP) x скорости. Механический КПД трения также определяется для вала как отношение выходной мощности к входной мощности. Этот параметр также предписывается для каждой рабочей точки нагрузка × скорость.

Аналогично тому, что было сделано в [8], настройка модели не позволяет напрямую рассчитать поток мощности к / от коленчатого вала, поскольку только разница между мощностью турбины и компрессора проходит через вариатор и зубчатая пара до коленвала.В [8] только разница между мощностью турбины и компрессора передавалась на MGU-H для зарядки или разрядки батареи. Общая мощность на коленчатом валу, а также вклад поршней и турбонагнетателя корректируются во время постобработки. Если P _t — полная мощность турбины, а P _c полная мощность компрессора, тогда Δ P _{t , c} = (P _t −P _c )> 0, то мощность, передаваемая на коленчатый вал, составляет Δ P _{t , c} ⋅ η _CVT , где η _CVT , КПД вариатора и зубчатой ​​пары.И наоборот, когда Δ P _{t , c} = (P _t −P _c ) <0, то мощность, потребляемая от коленчатого вала, составляет Δ P _{t , c} / η _CVT .

На Рисунке 5 представлены предварительные результаты работы. a) и b) — это соотношение давлений в компрессоре и турбине, а c) и d) — это соотношение скоростей турбокомпрессор / двигатель и частота вращения турбонагнетателя.e) и f) — отношение мощности турбонагнетателя к общей мощности и общей эффективности преобразования топлива η *, отношение мощности на коленчатом валу и валу турбонагнетателя к мощности потока топлива в зависимости от среднего эффективного давления и скорости в тормозной системе.

Фиг.5

Предварительные результаты расчетов, различные рабочие характеристики двигателя в зависимости от частоты вращения двигателя в об / мин и среднего эффективного давления в тормозной системе в барах. Соотношение давлений в компрессоре (а) и турбине (б).Отношение частоты вращения турбокомпрессора к коленчатому валу двигателя (c) и частота вращения турбонагнетателя (d). Отношение мощности турбонагнетателя к мощности коленчатого вала (e) и общий КПД двигателя η * (отношение мощности на коленчатом валу плюс мощность на валу турбонагнетателя к мощности потока топлива) (f).

Максимальная частота вращения турбокомпрессора 150 000 об / мин. При средней нагрузке на любой скорости обеспечивается очень высокий коэффициент давлений около 4, при этом это отношение лишь минимально снижает, увеличивая скорость двигателя выше 3000 об / мин.При высокой нагрузке максимальная частота вращения турбокомпрессора разрешена выше 1500 об / мин. Только в диапазоне низких нагрузок частота вращения турбокомпрессора может быть чрезмерной.

Это результат предписанного минимального передаточного числа 13,3, так как турбокомпрессор, отсоединенный от механизма, мог бы лучше работать ниже этого передаточного числа. Более широкое передаточное число или сцепление могут решить эту проблему.

С традиционным турбонагнетателем максимальный крутящий момент составляет около 3000 об / мин, при очень плохих характеристиках ниже этой частоты вращения двигателя, а максимальная мощность составляет 4500 об / мин.Увеличиваются и максимальный крутящий момент, и максимальная мощность. Широко распространена область с КПД выше 40%, от 15 до 40 бар и от 2000 до 4000 об / мин. При максимальной нагрузке считается λ 1,4.

При частоте вращения выше 4000 об / мин эффективность снижается в основном из-за зависимости трения от скорости и усложнения процесса сгорания (4500 об / мин — это технологический предел сгорания дизельного топлива с диффузионным регулированием). Ниже 2000 об / мин эффективность снижается, поскольку выхлопные газы не поддерживают более высокие скорости компрессора.Однако КПД по-прежнему выше, чем можно было бы достичь без подачи энергии на вал турбонагнетателя. При частичной нагрузке турбокомпрессор продолжает получать энергию на низких скоростях — средних и высоких нагрузках, а на высоких скоростях — средних и высоких нагрузках турбокомпрессор обычно выдает энергию. Турбонагнетатель вносит значительный вклад в общую мощность двигателя, особенно при высоких скоростях и нагрузках. Для конкретного двигателя и турбонагнетателя дополнительная мощность турбонагнетателя может приближаться к 10% мощности коленчатого вала двигателя.На низких скоростях мощность турбонагнетателя отрицательная, требуя почти 20% мощности коленчатого вала двигателя. Минимальное значение λ для полной нагрузки составляет 1,4. λ увеличивается до 6,5–7, снижая нагрузку до 1 бар BMEP. Поскольку карта соотношения скоростей не полностью оптимизирована, дальнейшие улучшения в общей карте эффективности преобразования топлива все еще возможны.

Не показан в статье, предлагаемый двигатель с автономным турбонагнетателем увеличенного размера (не соединенным с коленчатым валом через шестерню и вариатор) имеет очень низкий крутящий момент и очень низкую эффективность преобразования топлива в диапазоне низких скоростей.В предлагаемом устройстве крутящий момент на низкой скорости увеличивается до значений средней скорости, рис. 5f, в то время как эффективность лишь незначительно снижается при снижении скорости с 2000 до 1000 об / мин.

На рис. 6, наконец, представлена ​​мощность, подаваемая на коленчатый вал от вала турбонагнетателя (положительное значение для работы турбины больше, чем для работы компрессора) плюс отношение радиусов впуска к выпускному в вариаторе. Мощность максимальная при высоких скоростях и нагрузках и минимальная при низкой скорости и средних и высоких нагрузках. Передаточное число CVT максимально при низкой скорости и средних и высоких нагрузках и минимально при низких нагрузках.Он также уменьшается за счет увеличения скорости. Эти данные являются рабочими входными данными, необходимыми для проверки механической правильности конструкции вариатора.

Фиг.6

Предварительные результаты расчетов в зависимости от частоты вращения двигателя в об / мин и среднего эффективного давления в тормозной системе в барах. Мощность на валу турбокомпрессора (а) и передаточное число (или отношение радиусов впуска к выпускному) на вариаторе (b).

5 Обсуждение и заключение

Здесь предлагается супертурбонагнетатель, соединяющий вал турбонагнетателя с коленчатым валом через вариатор и шестерню.Этот супертурбонагнетатель отличается от системы VanDyne, где вал турбонагнетателя соединен с коленчатым валом через шестерню, или нагнетателя с регулируемой скоростью Torotrak, где вариатор и шестерня соединяются с коленчатым валом только валом компрессора.

Предлагаемое нововведение позволяет достичь максимального среднего эффективного давления в тормозах 40 бар в дизельном двигателе на обедненной смеси с минимальным давлением λ 1.4. Нововведение обеспечивает высокий наддув на любой скорости, а также высокую эффективность преобразования топлива, превышающую 40%, на большей части графика нагрузки x скорости, отсутствие турбо-лага и снижение потерь тепла выхлопных газов.

Инновация включает теоретически готовые компоненты (конечно, турбокомпрессор, более сомнительно устройство с регулируемым передаточным числом).

Результаты расчетов должны быть проверены во время экспериментов с двигателем.

Что касается выхлопного тепла блока двигателя-генератора типа F1 (MGU-H), соединяющего вал турбонагнетателя с тяговым аккумулятором, таким как [8], то предлагаемая конструкция имеет значительное преимущество в передаче энергии на коленчатый вал, а не на аккумулятор, тем самым увеличивая мощность двигателя в остальном не изменилась.С точки зрения эффективности чисто механическое соединение лучше, чем преобразование механической энергии в электрическую, затем химическую, затем обратно в электрическую и, наконец, в механическую энергию, как в MGU-H в стиле F1. Предлагаемое нововведение превосходит MGU-H типа F1 [8] как по мощности двигателя, так и по эффективности преобразования топлива и не требует гибридной электрической силовой передачи.

Этот результат мотивирует дальнейшие исследования механизма, который может значительно улучшить традиционные силовые агрегаты на базе дизельных двигателей.

Утверждение об электрическом MGU-H в стиле F1 следует из того факта, что предложенный механизм передает или получает энергию непосредственно от коленчатого вала или к нему без какого-либо преобразования энергии. В MGU-H типа F1 турбокомпрессор подает или получает энергию от или к накопителю энергии, батарее, с преобразованием механической энергии в электрическую, а затем в химическую энергию или преобразованием химической энергии в электрическую, а затем в механическую. энергия, с эффективностью каждого процесса преобразования энергии все, кроме единства.Кроме того, в то время как в предлагаемом устройстве турбонагнетатель передает дополнительную энергию, в конечном итоге доступную для коленчатого вала, и, следовательно, увеличивает чистую выходную мощность двигателя, в MGU-H типа F1 дополнительная мощность турбонагнетателя направляется в накопитель энергии, который может быть разряжен путем подачи энергия поступает в турбонагнетатель, когда баланс энергии восстанавливается, или на колеса через MGU-K системы рекуперации кинетической энергии, в этом случае снова возникают проблемы с преобразованием энергии. Хотя турбокомпрессор увеличенного размера имеет смысл с предлагаемым механическим соединением вала турбокомпрессора с коленчатым валом, нет никаких оснований использовать турбокомпрессоры увеличенного размера с электрическим MGU-H.

С максимальной эффективностью преобразования топлива в диапазоне от 40% для легковых автомобилей и выше 50% для грузовиков большой грузоподъемности и незначительными потерями эффективности в большей части диапазона нагрузок традиционные силовые агрегаты с дизельными двигателями превосходят всех других конкурентов. для экономии топлива по сравнению с реальными условиями вождения, с возможностью использования механической или электрической системы рекуперации кинетической энергии, необходимой для тяжелых городских условий вождения, характеризующихся частыми запусками и остановками [12].

Что касается выбросов оксидов азота, ахиллова пята дизельного двигателя, работающего на обедненной смеси, все еще не имеющего дополнительной обработки, которая может конкурировать с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором стехиометрического бензина, следует отметить, что следует сравнивать различные альтернативы массового транспорта все соответствующие критерии, экологические, экономические и рабочие характеристики, на протяжении всего жизненного цикла транспортного средства, включая производство, эксплуатацию, техническое обслуживание и утилизацию, а также с помощью объективных испытаний [13].

В дополнение к дальнейшему развитию доочистки, производство оксидов азота также может быть уменьшено за счет использования прямого впрыска воды [14–16] в дополнение к рециркуляции выхлопных газов, поскольку эта мера может не только снизить тенденция к детонации и ограничению потерь тепла в бензиновых двигателях, а также к снижению температуры дымовых газов там, где / когда это необходимо, в дизельном топливе с обедненным сжиганием.

Эта статья — лишь еще один пример того, что еще есть значительные запасы для улучшения двигателя внутреннего сгорания.Если политически будущее двигателя внутреннего сгорания находится под угрозой [13], поскольку электромобиль предлагается для массовой мобильности до того, как будут решены проблемы с аккумулятором и производство возобновляемой электроэнергии, технически все еще нет лучшего варианта, чем внутренний двигатель внутреннего сгорания, при этом все еще возможны значительные улучшения в конструкции двигателя внутреннего сгорания и в гибридизации трансмиссии.

BMEP

среднее эффективное давление тормоза

Вариатор

Бесступенчатая трансмиссия

ЛЕД

двигатель внутреннего сгорания

KERS

система рекуперации кинетической энергии

МГУ-Н

Мотор-генератор тепла выхлопных газов

МГУ-К

мотор-генератор кинетической энергии

η

мощность на коленчатом валу vs.мощность потока топлива

η *

Зависимость мощности от коленчатого вала и вала турбонагнетателя от мощности потока топлива

λ

относительное соотношение воздух-топливо

Ссылки

[1] VanDyne, E.A. и Вагнер Р., Компания Woodward Governor Company, 2008. Презентация супертурбокомпрессора.На конференции DEER, Детройт (Мичиган), август. energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f8/deer08_vandyne.pdf Поиск в Google Scholar

[2] Ван Дайн, Э. и Гендрон, Т.А., Woodward Governor Company, 2009. Супер-турбонагнетатель. Патент США 7,490,594. Поиск в Google Scholar

[3] Chadwell, C.J. and Walls, M., 2010. Анализ уменьшенного двигателя с наддувом с использованием 1-D моделирования CFD. Технический документ SAE № 2010-01-1231. Искать в Google Scholar

[4] Riley, M.B., VanDyne, E.и Браун, Дж. У., Vandyne Superturbo, Inc., 2015. Супертурбонагнетатель с высокоскоростным тяговым приводом и бесступенчатой ​​трансмиссией. Патент США 9, 217, 363. Искать в Google Scholar

[5] www.enginelabs.com/news/inside-look-variable-speed-supercharging-technology/ Искать в Google Scholar

[6] Cross, D. и Brockbank, C., 2009. Механическая гибридная система, включающая маховик и вариатор для автоспорта и основных автомобильных приложений, технический документ SAE No.2009-01-1312. 10.4271 / 2009-01-1312 Искать в Google Scholar

[7] www.nissan-global.com/PDF/tcvt_e.pdf Искать в Google Scholar

[8] Boretti, A., 2017. F1 style MGU-H применяется к турбокомпрессору бензинового гибридного легкового электромобиля, Нелинейная инженерия, 10.1515 / nleng-2016-0069. Искать в Google Scholar

[9] Карбоне, Г., Мангиаларди, Л. и Мантриота, Г., 2004. Сравнение характеристик полнотороидальных и полутороидальных тяговых приводов. Теория механизмов и машин, 39 (9): 921–942.10.1016 / j.mechmachtheory.2004.04.003 Поиск в Google Scholar

[10] www.software.ricardo.com/Products/WAVE Поиск в Google Scholar

[11] www.gtisoft.com/gt-suite-applications/ propulsion-systems / gt-power-engine-Simulation-software / Поиск в Google Scholar

[12] Боретти, А., 2010, Сравнение топливной экономичности высокоэффективных дизельных и водородных двигателей, приводящих в движение компактный автомобиль с кинетической системой на основе маховика. системы рекуперации энергии, Международный журнал водородной энергетики 35 (16): 8417–8424.10.1016 / j.ijhydene.2010.05.031 Поиск в Google Scholar

[13] Боретти А., 2017, Будущее двигателя внутреннего сгорания после «дизельных ворот», Технический доклад SAE № 2017-28-1933. Поиск в Google Scholar

[14] Boretti, A. (2011), Стехиометрические измерения с закачкой воды, Международный журнал по водородной энергии 36: 4469–4473.10.1016 / j.ijhydene.2010.11.117 Поиск в Google Scholar

[ 15] Боретти А., Осман А. и Арис И. (2011), Прямой впрыск водорода, кислорода и воды в новый двухтактный двигатель, International Journal of Hydrogen Energy 36: 10100–10106.10.1016 / j.ijhydene.2011.05.033 Искать в Google Scholar

[16] Боретти А. (2013), Впрыск воды в двигатели с искровым зажиганием с прямым впрыском, с турбонаддувом, Applied Thermal Engineering, 52 (1): 62–68.10.1016 /j.applthermaleng.2012.11.016 Искать в Google Scholar

[17] Gamma Technologies LLC, «GT-SUITE Publications». https://www.gtisoft.com/gt-suite/publications, 2015 (по состоянию на 15 октября 2015 г.). Искать в Google Scholar

Поступила: 20.11.2016

Принято к печати: 2017-8-10

Опубликовано в сети: 16.09.2017

Напечатано в печати: 2018-3-26

© 2017 Walter de Gruyter GmbH, Берлин / Бостон

Эта статья распространяется в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution, которая разрешает неограниченное некоммерческое использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.