Турбонаддув дизельного двигателя

Есть причина, по которой дизели обычно используют сложные турбонаддувы вместо двойных турбин.

Почему настоящий двойной турбонаддув не используются на дизельных двигателях

В автомобилестроении и на вторичном рынке автомобилей, в последнее время заметна тененция отсутствия силовых агрегатов с двойным турбонаддувом (Twin Turbo). Однако, когда мы смотрим в сторону двигателей с искровым зажиганием, установки с двойным турбонаддувом, получили довольно неплохое распространение, в то время как в турбодизелях такие системы встречаются только в условиях OEM производства и крайне редко в высокоэффективных дизельных силовых установках.

Для уточнения, я говорю о "настоящем" двойном турбонаддуве, точно так же, как и в случае с двойными турбинами на двигателях с искровым зажиганием. Я не говорю о комбинированном турбонаддуве, который в дизельном мире часто называют двойным турбонаддувом. Я определяю двойной турбонаддув как - два турбонагнетателя с одинаковыми характеристиками, приводимые в движение половиной объема двигателя при подаче общего объема.

Турбокомпаунд или двойной турбонаддув

Турбокомпаунд (Compound turbos) определяем как турбонагнетатель с приводом от одного коллектора, который затем подает свои выхлопные газы в более крупный атмосферный турбонагнетатель. Этот атмосферный турбозаборник всасывает воздух из атмосферы, нагнетая холодную струю в впускное отверстие коллектора турбокомпрессора, что добавляет дополнительное сжатие к новому атмосферному состоянию с более высоким давлением, создаваемому атмосферным турбонагнетателем. Это определение турбокомпаунда может показаться сложным, но оно объясняет процесс прямолинейно.

Если вы когда-либо видели установку с турбокомпаундом, вы всегда сможете отличить её от двойного турбонаддува. Почему на дизельных двигателях чаще используют турбокомпаун вместо Twin Turbo? Сначала нам нужно вернуться к основам конструкции двигателя и расходу воздушного потока. Вообще, дизельные двигатели, как правило, не развивают высоких оборотов. За всё время моей работы в качестве моториста я не встречал дизельного двигателя на малотоннажном грузовике, у которого на тахометре красная линия была бы выше 5000 оборотов в минуту. В дополнение к этому, турбодизели средней производительности не развивают выше 4000 оборотов в минуту. Это означает, что даже имея приличный рабочий объем, дизельному двигателю потребуется значительное увеличение плотности воздуха, чтобы создать такой расход воздушного потока, который позволит достич соответствующего соотношения компонентов топливо-воздушной смеси для получения колесной мощности.

В основе наддува лежит принцип увеличения плотности воздуха, при котором мы уплотняем только воздух, который требуется двигателю в его состоянии без наддува. Хорошим примером будет сравнение двигателей Cummins объемом 5,9 л (дизельный) и 6,0 л LS (бензиновый). В этом примере мы будем использовать один и тот же показатель мощности на единицу рабочего объёма двигателя (объемный КПД), чтобы продемонстрировать разницу в оборотах между двумя размерами двигателя с разным показателем куб.фт/мин. Попытка развить 500 л.с. при 3000 об/мин двигателем Cummins объемом 5,9 л. значительно отличается от 500 л.с. при 7000 об/мин на двигателе Cummins 6,0 л. LS.

5,9-литровый Cummins при 3000 об/мин и 80% объемного КПД потребляет 249,31 куб.м., в то же время 6,0 л. LS при 7000 об/мин и 80% объемного КПД попросит уже 593,29 куб.м. Оба двигателя работают на 20% меньше, чем требуется, из-за проблем с газораспределением и скоростью порта.

Как только мы узнаем уровень потребления двигателя в состоянии без наддува, можно начать вычислять величину давления наддува, которое потребуется для достижения мощности 500 л.с. Одна вещь, которую следует отметить в отношении наддува, заключается в том, что он умножает куб.фт/мин в состоянии без наддува на коэффициент плотности (КП).

В демонстрационных целях оба двигателя втягивают воздух при температуре 37°C/100°F. Воздух весит 0,0709 фунта на кубический фут. Дизельный двигатель в среднем развивает 8 л.с. на 1 фунт потребляемого воздуха. С помощью этого мы можем взять 500 л.с. и разделить на 8, что даст нам 62,5 фунта в минуту. Затем делим это на вес воздуха на кубический фут 62,5/0,0709=881,52 куб.фт/мин. Это то, что двигатель должен потреблять при более низком соотношении компонентов топливно-воздушной смеси, чтобы производить 500 л.с. в турбодизельном двигателе, независимо от выбранного турбодизеля. Затем мы берем это число и делим его на куб.фт/мин в безнаддувном состоянии двигателя. В этом примере это будет: 881,52/249,31 куб.фт/мин, что даст нам коэффициент плотности 3,535.

Затем мы рассчитываем целевое значение коэфициента плотности бензинового двигателя с искровым зажиганием объемом 6,0 л для выработки 500 л.с. при 7000 об/мин на 80% мощности. Закономерно, что искровое зажигание на топливе на основе бензина составляет 10 л.с. на 1 фунт воздуха, так что это даст нам 50 фунтов воздуха в минуту (500/10). Снова делим это на вес воздуха на кубический фут: 50 фунтов/0,0709=705,218 куб.фт/мин. Чтобы найти КП, мы делим это число на куб.фт/мин в состоянии без наддува: 705,218/593,29=1,18 КП.

При температуре воздуха 137°C/100°F видно, как дизелю с более низкими оборотами и небольшим рабочим объемом потребуется гораздо более высокое давление наддува, чтобы достичь целевого значения мощности.

Чтобы рассчитать давление наддува, необходимое для достижения целевого коэффициента плотности каждой системы, нам нужно выполнить некоторые дополнительные расчеты для турбонаддува. Мы можем использовать рассчитанное значение КП, чтобы найти коэффициент давления (КД), необходимый для достижения этого коэффициента плотности за гораздо более короткий промежуток времени. Для бензинового двигателя с искровым зажиганием при КП=1,18, вероятно, потребуется КД=1,2-1,5. Используя 1,2 х атмосферного давления (мы используем давление воздуха на уровне моря равное 14,7 psi), затем вычтите атмосферное давление 14,7 и получим 2,94 фунтов на кв.дюйм (1,2*14,7-14,7). При КД=1,5 мы получим уже 7,35 фунтов на кв.дюйм (1,5*14,7-14,7).

При таких соотношениях давления турбонагнетатели работают не "на все деньги". Большинство турбонагнетателей могут поддерживать эти низкие давления даже при работе на высоких оборотах ротора в течение всего срока жизни (ресурса) мотора установленного производителем. Моторам на вторичном рынке не потребуется большого количества энергии выхлопа для поддержания такого низкого давления наддува (не забываем, что турбина получает энергию из выхлопа), что даёт нам надёжный, долговечный, и при соответствующих размерах, отзывчивый турбонагнетатель.

Дизель с низкими оборотами, который должен работать с более высоким коэффициентом плотности, также будет работать с более высоким коэффициентом давления. С повышением давления наддува происходит повышение температуры на выходе компрессора, что, в свою очередь, может повысить КД, необходимый еще выше, чтобы компенсировать потери в КП. Существует высокая вероятность того, что для достижения целевого показателя на дизельном двигателе потребуется КД от 3,7 до 4,0. Это составляет 39,69-44,1 фунтов на кв.дюйм. Теперь мы начинаем понимать, почему настоящие Twin Turbo встречаются нечасто.

При запуске двух турбин на таком силовом агрегате мы получаем проблему получения двух турбокомпрессоров меньшего размера для поддержания на каждом из них 36-44 фунтов на кв.дюйм, при питании из общей камеры при 3000 об/мин. Выхлопные газы дизельного топлива имеют низкую энергию из-за эффективности процесса сгорания и типа топлива. Мы могли бы рассмотреть два турбонаддува с комбинированным потоком равным 62,5 фунтов/мин, но теперь турбины будут недостаточного размера, когда дело касается их подшипникового узла. Это приводит к высокой циклической усталости и частоте отказов в этих небольших турбинах, при доведении их до высоких давлений наддува, для которых они никогда не предназначались. Скорости вращения вала становятся экстремальными, циклическая усталость возрастает, и нам все еще приходится подавать турбинам достаточно энергии для поддержания этого давления, когда мы могли бы запустить один турбокомпрессор подходящего размера с более надежной системой подшипников, а также с меньшей скоростью вращения вала на роторе. Турбонаддув будет вращаться аналогично, потому что в Twin Turbo каждый турбонаддув считает, что он питается половиной объема двигателя, поэтому крутящий момент на обороты в минуту при правильно выбранном турбонагнетателе останется одинаковым.

Что мы, вероятно, обнаружили бы, так это то, что одна турбина с большей площадью поверхности будет работать с большим числом оборотов двигателя, чем две маленьке турбинки в двойном турбонаддуве. Это то, что я заметил, когда смотрел на общий прирост в зависимости от размера турбинного колеса и объемного КПД двигателя на турбодизелях.

Я могу конкретно рассказать о некоторых реальных вариантах использования дизельных двигателей с параллельными турбинами, но сначала следует внимательно изучить, где, как и в каких условиях они работают. Двигатель QSK 95L Cummins использует четыре турбокомпрессора со скоростью 125 фунтов/мин при 36-44 фунтах на кв.дюйм для получения необходимой мощности при сохранении необходимого комбинированного расхода. Турбины чрезвычайно велики для надежности при высоких давлениях наддува. Если бы турбины были меньше, есть большая вероятность, что Cummins увеличил бы объем двигателя, чтобы снизить целевое рабочее давление наддува.

Глядя на двигатели Duramax Pro Mod, у них есть турбины меньшего размера для двухтурбинной установки, но каждый из них также оснащаетсян закисью азота. Они используют закись азота для того, чтобы держать турбины в постоянной готовнисти, а также для увеличения содержания кислорода на протяжении всего заезда, пока они не свернут с трассы. При возникновении проблемм с системами закиси азота, двигатели уже не в состоянии раскрутить двойные турбины.

Проблемы с закисью азота могут быть устранены за счет использования сложного турбонаддува, но это может увеличить вес, ограничения в компановке системы в моторном отсеке или просто выглядеть как нечто совсем не "крутое/другое". Мне нравятся все новые разработки и идеи в дизельном моторостроении, и мне всегда интересно посмотреть на то, что люди сами придумают и изобретают, но "настоящий" Twin Turbo очень маловероятен.

Перевод статьи с сайта underhoodservice.com