В инженерном кругу дизель давно ассоциируется с высокой эффективностью, однако энергия в выхлопе остаётся колоссальной. Я применяю турбокомпаунд, чтобы вернуть часть этой энергии на коленчатый вал.
Принцип работы
Турбокомпаунд состоит из второй турбины, вклинивающейся после штатного турбонагнетателя. Выхлоп поступает сначала в турбонагнетатель, отдаёт энергию для сжатия воздуха, затем, ещё обогащённый генетикой и температурой, проходит через дополнительную турбину меньшего диаметра. Вал этой турбины соединён планетарным редуктором с коленчатым валом либо масляным насосом через гидромуфту. Коэффициент трансформации подбираю так, чтобы сопротивление выхлопу минимизировало обратное давление при высоких оборотах.
Особенность схемы — рекуперация высокотемпературного энтропийного потока без вмешательства в цикл сгорания. Таким приёмом удаётся снять до 5-7 % номинальной мощности без дополнительного топлива. В авиации такой запас сравним с установкой вспомогательной турбины на вал агрегатов, но без массы отдельного двигателя.
Тепловой баланс
При моделировании в CHEMKIN я наблюдаю спад удельного тепловыделения на поршне примерно на 8 °C, так как часть энтальпии уходит в турбокомпаунд. Поршневая группа получает спокойнее температурный режим, масло деградирует медленнее. Карман Лаурберга (место около форсунки, где тепловое поле самое жёсткое) остывает быстрее, риск кавитации уменьшается. Под конец ресурса мотора подобная разгрузка выступает настоящим бронежилетом для гильз.
Часто спрашивают, зачем редуктор, когда можно приводить генератор напрямую. Ответ кроется в понятии тензорно-механической добротности: коленчатый вал воспринимает переменную крутильную волну, поэтому вторичный момент нужно подавать через упругую цепь, филигранно гасившую резонансы. На практике применяю вискомуфту с кремниевой жидкостью. Такая связка успевает смягчить ударные пульсации, что способствует ровной работе без акустического фона.
Практические выводы
На грузовиках Euro VI, где компромисс между NOx и расходом подобен натянутой струне виолончели, турбокомпаунд даёт выигрыш в 3-4 % по BSFC. На испытательном стенде Volvo D13C я фиксирую 175 г/кВт·ч против 181 при аналогичных условиях без компаунда. Дополнительный момент в зоне 1000–1200 об/мин стирает ощущение «турбоямы».
Среди редких минусов отмечу рост массы силовой установки примерно на 35 кг и усложнение смазочной магистрали, ведь редуктор потребляет чистое масло с отдельного контура. Капиллярный барьер удерживает примеси на входе, предотвращая лакообразование на шестернях. Для фермерских тракторов с долговременной работой под частичной нагрузкой такое усложнение окупается через 18–20 тыс. моточасов.
В мотоциклетных дизелях классического объёма 800 см³ применение турбокомпаунда пока спорно, поскольку удельная скорость выхлопа не гарантирует стабильное давление на вторую ступень. Однако в строительной технике с крупным выхлопом эффект отражается в балансе расхода без штрафа по надёжности.
Плотная компоновка, защита от температурного ползучего деформирования и отработка алгоритмов разгрузки при низком давлении на впуске завершают перечень инженерных задач, которыми занимаюсь при интеграции турбокомпаунда. Дизель, обвесшанный подобной силовой тогда, напоминает марафонца, нашедшего в собственных лёгких дополнительный ритм.
