Магията на турбо технологията: дизел срещу бензин

Дълги години турбокомпресорите бяха екзотично допълнение към двигателя с вътрешно горене, преди да навлязат масово първоначално при дизеловите, а в процеса на даунсайзинг и при бензиновите агрегати. Последната тенденция обаче няма толкова ясни и концентрирани форми – в хибридните модели на японските производители например изцяло се използват двигатели с атмосферно пълнене, работещи по цикъл на

Дълги години турбокомпресорите бяха екзотично допълнение към двигателя с вътрешно горене, преди да навлязат масово първоначално при дизеловите, а в процеса на даунсайзинг и при бензиновите агрегати. Последната тенденция обаче няма толкова ясни и концентрирани форми – в хибридните модели на японските производители например изцяло се използват двигатели с атмосферно пълнене, работещи по цикъл на Аткинсън.

При дизелите обаче, позицията им е напълно и безкомпромисно гарантирана.Принудителното турбокомпресорно пълнене в областта на серийните дизелови двигатели за леки автомобили вижда бял свят през 1977 година благодарение на Mercedes, но товарните возила това се случва значително по-рано. Вярна на своите традиции в дизеловата област, щутгартската компания прави първия си опит да пренесе идеята на икономичния двигател със самозапалване отвъд океана още в края на 70-те години. Да, именно в онова размирно време, в което набралият пълна сила OPEC налага ембарго на част от западния свят, а малко след това увеличава цените на нефта почти четирикратно. През 1979 година иранската ислямска революция става предпоставка за втори петролен шок върху току-що успокоилите се потребители, свикнали да получават евтини петролни продукти в неограничени количества. В резултат и на тези събития Mercedes не само успяват да лансират успешно зад Атлантика своя практичен и надежден дизел от среден клас 300 D Turbodiesel от серията W123 (седан, купе и комби), но поставят началото и на нещо нечувано до този момент – на американския пазар е пусната в продажба дизелова версия на луксозната S-класа (W116) под наименованието 300 SD.

Всичко тече, всичко се променя… Авантюрата на дизеловия двигател в САЩ през 70-те не трае дълго, а дизеловият скандал свързан с желанието на VW да го върне на сцената отвъд Океана окончателно парира възможността му да намери почва там отново. За сметка на това, през 80-те той продължава своята еволюция в Европа, която продължава и до днес, макар и силно компрометирана от същия този скандал. Тук обаче ние говорим за технологични решения, абстрахирайки се от политизирането на проблема. Що се касае до статута на дизеловия мотор, то съществуванието му би било непълно невъзможно без развитието на турботехнологиите през последните десетилетия

Първи беше Opel

Първият далечен исторически опит за демонстрация на потенциала на турбодизеловия двигател е извършен през 1972 година, когато Opel успява да осъществи няколко световни рекорда със своя оборудван с турбодизелов двигател спортен GT. Моторът с вихрова камера и работен обем от 2,1 литра развива максимална мощност от 95 к. с. при 4400 об./мин и позволява на автомобила да достигне максимална скорост от немалките за онези времена 192,72 км/ч. На практика този дизелов двигател е своеобразен праотец на известния 2,3-литров атмосферен агрегат, който впоследствие е използван в модела Rekord, а след това във версия със и без турбо е предлаган и в Omega. Пенсионирането му идва чак през 1994 година, макар че има и кратък гастрол под предния капак на Frontera, който продължава до следващата, 1995 година.По това време развитието на дизеловите двигатели тече все още мудно и в средата на деветдесетте все още могат да бъдат открити атмосферни агрегати като този на Mercedes E300 diesel например. Макар вече да разполага с шест цилиндъра и четирикланова глава, при липсата на турбо динамичните параметри на този мотор са повече от скромни – максимумът на въртящия момент е едва 210 Нм, а мощността достига само 136 к. с. Тези числа още веднъж ни подсещат да не прекаляваме с хвалбите на  „феноменалната еластичност” на дизеловия двигател, правейки некоректен паралел с атмосферен бензинов агрегат. Въртящият момент на атмосферния, 2.0 литров мотор SDI използван за последно в Golf V – модел често срещан по шосетата ни – имаше стойност от едва 140 нютонметра, а модерните турбокомпресорни бензинови двигатели демонстрират неуместността на подобни твърдения.

Днес в Европа на практика не съществуват дизелови двигатели, които да не се възползват от възможностите на турбокомпресора. Фирмите за производство на турбокомпресори като Mitsubishi, BorgWarner, IHI, Honeywell не могат да се оплачат от липса на работа, но това е резултат от натрупани години експертен опит за създаване по-ефективни агрегати с нови конструктивни решения като променливата геометрия например, създали предпоставките за създаване на мощните и икономични дизелови двигатели със системи за директно впръскване common rail. Именно тези технологии направиха възможно немислимото на пръв поглед завръщане на дизеловите двигатели в луксозния клас в края на XX век и навлизането им в нарастващия SUV сегмент, макар че на практика всичко започна още през деветдесетте, когато за първи път в Европа се появиха луксозни дизелови автомобили в лицето на Mercеdes S350 TD и BMW 725 tds, оборудвани съответно с предкамера и вихрова такава.

Механичният компресор все още има своето място под слънцето, благодарение на компании като Volvo и американските производители, но далеч по-ефективни са решенията с електрически компресор, който работи в съчетания с турбокомпресор. В случая сме длъжни да споменем, че възможността за избор на конструктивна схема от страна на производителя се основава не само на технологичното удобство и търсенето на по-подходящи параметри и цена, но и на маркетингови фактори. Въпреки че намаление на разхода на гориво в сравнение със сравним по мощност по-голям атмосферен двигател може да се постигне и с механичен компресор, в това отношение принудителното пълнене с турбокомпресор е недостижимо. Защо е така, ще разберете на следващите редове

Малко теория

Погрешно е да се смята, че увеличаването на ефективността на турбодвигателя се дължи пряко на „усвояването” на енергията на изгорелите газове с помощта на турбокомпресора. Такова твърдение би било валидно например за използваната преди години от Scania система „Тurbocompound”, при която част от енергията на отработилите газове се трансформира в механична енергия и се предава директно на коляновия вал. Подобен ефект на трансформация използва и експерименталната система на BMW Turbosteamer, където акумулираната в отработилите газове и течността в охладителната система топлинна енергия се преобразува в механична с помощта на свързана с коляновия вал парна машина (в първия образец) и парна турбина (във втория).

Трети вариант е използваната във Формула 1 система за използване на част от енергията на отработилите газове за генериране на електричество, което след това се добавя във вид на механична мощност към коляновия вал с помощта на друг, тягов мотор-генератор. Въпросната система, в съчетание с други фактори като струйно запалване със запалителна свещ в отделна предкамера позволяват достигане на ефективност на задвижването от над 50 процента. Само по тези начини  е възможно директно увеличаване на мощността и на КПД на двигателя без нарастване на разхода на гориво. При използването на турбокомпресор, повишаването на КПД става индиректно.Защо е така, може да се онагледи със сравнение между два двигателя – да речем 2,5-литров атмосферен бензинов с мощност от 170 к. с. и турбодвигател със същата мощност и работен обем от 1,6 литра. За да получи еквивалентна максимална мощност, по-малкият като работен обем 1,6-литров мотор ползва еквивалентно количество свеж въздух (сгъстен от турбокомпресора) и съответното еквивалентно количество гориво – т. е. за разлика от системата на Scania и F1 залага на екстензивния подход.

Индиректните ползи за по-малкия като кубатура турбодвигател са намаленото триене, намаленото тегло и инерционни загуби, както и подобрената термодинамична и химическа ефективност поради по-малкото разсейване на топлина в сравнение с равностойния като мощностни характеристики атмосферен агрегат – вследствие на повишеното налягане в горивните камери, основните компоненти на горивния процес се намират по-близо и произвеждат по-ефективна реакция помежду си. По-ниски са и помпените загуби, тъй като във всмукателните колектори вече няма ниско налягане зад дроселовата клапа създаваща помпени загуби, а налягане което прилага и известна степен на натиск върху буталото. Задържането на фазите на припокриване на всмукателните и изпускателните клапани спомага за по-доброто очистване на цилиндрите от продуктите на горенето. Високата ефективност на атмосферни бензинови агрегати като последните поколение мотори на Toyota се дължат най-вече на работата по цикъл на Аткинсън, процесите на мощно турбулентно завихряне и впръскването с два инжектора позволяващо работа с относително бедни смеси. За съжаление проблемите с доста флуктуиращата ефективност в зависимост от режима на работа при частично притворена дроселова клапа си остават при двата типа агрегати. Тук на помощ идват по-добрите характеристики на даусайзинг турбо двигателите с по-високо нарастване на въртящия момент още при ниски оборотни режими, възможност за по-ранно преминаване на по-висока предавка и работа в по-ефективни режими.

Другояче казано – турбодвигателите се отличават с по-изгодно отношение между пълната мощност на двигателя и мощността, необходима за покриване на загубите от триене, пълнене и задвижване на спомагателните агрегати от сравнимите като мощност атмосферни мотори. Пример за високоефективен бензинов турбокомпресорен агрегат от близкото минало е двигателят на Opel Calibra Turbo, чийто КПД достигаше 37%. На теория (при оптимални условия и режим на пълно натоварване) съществува потенциал от няколко процента по отношение на увеличаването на КПД, а съвременните разработки демонстрират, че практиката може да приближи значително до тази теория, елиминирайки пропуските на бензиновите турбодвигатели от близкото минало. При тях ниската геометрична степен на сгъстяване (при наличие на компресор и високо налягане в цилиндъра ефективната степен на сгъстяване е по-висока) водеше до ниска ефективност в режимите на ниско натоварване, преди турбината да достигне оптимални работни обороти и да създаде достатъчно високо налягане в цилиндрите

Прочети още:
Как ще оцелее дизелът при навлизането на Евро 7?

Външно и вътрешно сгъстяване

Появата на свързани с високата компресия проблеми като склонността към детонации на горивата при модерните бензинови двигатели се компенсира с прилагането на директно впръскване (намаляващо температурата в цилиндрите) и прецизен електронен контрол на детонациите, които се потискат в зародиш чрез намаляване на степента на налягане на компресора и промяна на ъгъла на изпреварване на запалването. Още по-драстични са решенията в двигателя VC-Turbo на Nissan/Infiniti с променлива степен на сгъстяване и експерименталната машина на BMW с впръскване на емулсия от вода и гориво при високи натоварвания, позволяваща използване на степен на сгъстяване на турбо мотор от над 11:1. В първобитните времена на турботехниката тези топлинни проблеми се решаваха с помощта на обогатяване на горивната смес (вътрешно охлаждане) при големи натоварвания, което от своя страна увеличаваше сериозно разхода на гориво. За илюстрация на развитието в тази насока може да се посочат турбодвигателя на Audi Quattro от 1980 г. с неговата геометрична степен на сгъстяване от едва 7:1 и модерният агрегат EA 888 на Audi, който вече е в своето четвърто поколение, при който същия показател възлиза на над 10:1. Разбира се, своя принос за това има промяната на горивния процес със значително завихряне, интегрираните изпускателни колектори, двуструйният турбокомпресор, както и  устойчивите химически структури на съвременните високооктанови бензини

Турокомпресорът в дизеловия и бензиновия двигател

Поради своя принцип на работа, дизеловия двигател не се сблъсква с явление като детонацията, създаващо проблеми на бензиновия му събрат. Напротив, микроклиматът в горивните камери за него е дори по-благоприятен, тъй като дизеловото гориво се самозапалва и изгаря по-качествено при условия на високо налягане и температура. Тъй като дизеловият двигател работи с бедни смеси, респ. с излишък от въздух, мощността му зависи от подаденото количество гориво. Нещо повече – подаването на допълнително количество въздух в определени режими на натоварване без пропорционално увеличаване на количеството гориво също носи ползи за дизеловия двигател, който ще изгаря горивото по-прецизно и ще отделя по-малко сажди – типичен пример за това бе т. нар. „Umweltdiesel” на VW от 1989 г. Разширяването на границата на появата на сажди ще доведе косвено и до повишаване на мощността поради по-ефективното изгаряне.Тъй като турбокомпресорът практически също работи в режим с излишък на въздух, той и дизеловият двигател са сякаш създадени един за друг.

Поради липсата на дроселова клапа, цялото доставено от компресора количество въздух отива направо в цилиндрите, а двигателят разполага с обилно количество отработили газове в целия диапазон на натоварване и оборотни режими. Същите биват използвани изключително за задвижване на турбината, благодарение на което тя реагира максимално адекватно на условията и изискванията. За съжаление това води и до образуване на много азотни окиси, но това е друга тема. В бензиновия двигател проблемът с дроселовата клапа се решава с помощта на байпасни тръбопроводи, а в по-модерните машини, с компактни байпасни устройства, които при преминаване от голямо към малки натоварвания карат въздуха да циркулира около компресора, намалявайки вероятността турбината да намалява оборотите си в резултат от увеличеното налягане между нея и дроселовата клапа. Благодарение на гореспоменатите фактори и обилното количество въздух, температурата на газовете при дизеловите мотори е значително по-ниска, а количеството им по-голямо, което от своя страна позволи ранното и масово навлизане на турбокомпресорите с променлива геометрия именно при този тип двигатели. По същите причини в тях се използват и системи за каскадно пълнене, докато при бензиновите турбодупката се покрива от механичен компресор или електрически

Количеството отработили газове в режим на частично натоварване при бензиновият мотор намалява значително, а при резки натоварвания термичното натоварване на лопатките на турбината се увеличава сериозно. Поради тази огромна разлика в количеството газове при ниско и високо натоварване, настройката на компресора на бензиновия мотор прилича на изпълнение на широк шпагат. Спасението е в съвременните компресори със системи за прецизно регулиране на налягането, малка инертна маса, разделяне на влиянието на пулсациите в двуструйни компресори (twin scroll) и ефективни междинни охладители. Самите двигатели на свой ред използват висока геометрична степен на сгъстяване в горивните камери. Турбокомпресорите с променлива геометрия при дизелите вече са по-скоро правило, отколкото изключение, а при бензиновите – по скоро рядкост с изключение на Porsche 911 Тurbo и 1.5 TSI (EA 211 evo) на VW, при който за първи път тази технология се използва в едросериен бензинов мотор. Последният обаче работи с доста поносими температури на отработилите газове, близки до тези на дизелов двигател, най-вече заради цикъла на Милър, по който този двигател е настроен да работи

Turbocompound

Дизеловите двигатели за товарни автомобили отдавна се ползват от предимствата на турботехнологите. Шведският производител Scania е сред пионерите в тази област и първият, създал комбинация от турбини, при която част от енергията на отработилите газове се трансформира в механична енергия и се предава директно на коляновия вал на двигателя.Принципът на т. нар. turbocompound-системa не е нов – още през 1950 година той се използва при някои авиационни, а по-късно и при корабни двигатели. Измерванията показват, че този принцип позволява усвояване на голяма част от енергията на отработилите газове, вследствие на което КПД на двигателя достига фантастичните 46%.Представеният още през 1990 година двигател DTC 11 с работен обем от 11 литра постига максимален въртящ момент от 1750 Нм и го задържа постоянен в интервала от 1200 до 1425 об./мин. Системата ползва две турбини Holset, като по-малката задвижва компресора. Газовете са достатъчни за да приведат в движение голямата, последователно свързана турбина до 55 000 оборота, които първоначално се намаляват с помощта на планетарна предавка, а след това чрез хидравлично съединени се съгласуват с честотата на въртене на коляновия вал. Но, както показват гореспоменатите технологии във Формула 1, хидравличната връзка с коляновия вал не е единствената алтернатива  за предаване на въртящия момент към коляновия вал. Широкото електрифициране на задвижващите системи в наши дни може да позволи използването на турбини за задвижване на генератор и складиране на енергията в батерия. Това е още един начин за директно повишаване на ефективността на двигателите. Но и още една предпоставка те да стават по-скъпи.

Източник: AMS.bg

Свързани публикации

Оставете коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителни полета са маркирани с *