Компаундный и турбокомпаундный двигатель

1. Компаундный и турбокомпаундный двигатель.

2. Компаунд-машина – паровая машина двойного расширения пара. Компаунд-машина имеет два (или более) рабочих цилиндра разного диаметра. Свежий пар из котла поступает в меньший цилиндр высокого давления. Если же речь идет о поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС), то рабочее тело – продукты сгорания топлива – образуется непосредственно в цилиндре. Отработав там (первое расширение), рабочее тело переходит в больший цилиндр низкого давления, где совершает второе расширение. При такой схеме работы полнее используется энергия рабочего тела и, соответственно, повышается КПД двигателя. Упрощенная схема паровой компаунд-машины тройного расширения: Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через двигатель, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

3. Существенным недостатком компаунд-машины является невозможность трогания паровоза при остановке в мертво точке поршня в цилиндре высокого давления. Для преодоления этого недостатка паровозы с компаунд-машиной оснащались сложными приборами трогания, кратковременно пускавшими свежий пар одновременно в оба цилиндра. • Цилиндры высокого и низкого давления располагались параллельно один под другим снаружи рамы и работали на общий ползун. Такую схему имели паровозы американской постройки серий В и Х; • Один из первых паровозов с паровой машиной нового типа – цилиндры высокого давления расположены над цилиндрами низкого давления. (Паровоз B, с паровой машиной системы Воклена – гл. инженер завода Балдвин). • В начале 1900 –х паровозы подвергли модернизации: на них установили пароперегреватели, а паровую машину компаунд заменили простой. Таким паровозам присвоили обозначение Х. Компаунды конструктивно имели несколько вариантов:

4. Цилиндры располагались последовательно на общем длинном штоке (тандем-машина). Подобную схему имели российские паровозы серий Р и П. • Имел четырёхцилиндровую паровую тандем-компаунд (по два цилиндра, расположенных друг за другом, с каждой стороны), что было неудобно при ремонте. Паровоз Р (Рыбинская) – серия русских товарных паровозов. • Имел четырёхцилиндровую паровую машину тандем-компаунд, то есть по два цилиндра (высокого и низкого давления). С каждой стороны, расположенные друг за другом. Из-за сложности паровой машины широкого распространения данные паровозы не получили. Паровоз П (пассажирский) – серия российских быстроходных пассажирских паровозов типа 2-2-0.

5. Система де Глена – дополнительные цилиндры располагались внутри рамы и работали на коленчатую ось. По такой схеме выпускались паровозы серии У, а также опытный чехословацкий паровоз 18-01. • Паровая машина компаунд имела четыре цилиндра. Цилиндры высокого давления располагались снаружи рамы и были связаны со средней движущей осью, а цилиндры низкого давления располагались внутри рамы и приводили в движение первую коленчатую ось (система де Глена). Паровоз У (Уральский) – пассажирский паровоз. Отличительной особенностью паровоза было наличие трёхцилиндровой машины компаунд — впервые на советских железных дорогах. Паровоз 18-01 (паровоз «Друг»).

6. Компаундный двигатель внутреннего сгорания. • Компаундный пятитактный двигатель внутреннего сгорания «Ilmor Engineering»

7. Однако возможность использования компаундного двигателя не ограничивается только паровозами. Так выставке «Engine EXPO 2009» британская фирма «Ilmor Engineering» показала публике образец пятитактного ДВС, который можно применить на автомобиле. Герхард Шмитц, авто идеи, использовал в одном моторе четырех- и двухтактную схему. Три цилиндра 5-тактного двигателя внутреннего сгорания имеют разный внутренний диаметр. Меньшие (высокого давления) – первый и третий – работают по обычному четырехтактному циклу. Средний (низкого давления) использует остаточное расширение отработавших газов из меньших цилиндров в двухтактном режиме. • Как работает компаундный ДВС: в течение первых трех тактов смесь, как в обычном четырехтактном ДВС, всасывается, сжимается и совершает рабочий ход в малых цилиндрах. Во время 4-го такта отработавшие газы перемещаются из малых цилиндров в больший и сжимаются. Остаточное расширение газов в большем цилиндре обусловливает пятый, рабочий такт.

8. Преимущества и недостатки: Плюсы: • повышение КПД мотора за счет более полного использования энергии, содержащейся в рабочем теле (паре или газах); • Уменьшение температуры и давления отработавшего рабочего тела. Что позволяет уменьшить конденсатор на поровой машине или упростить глушитель на ДВС, а, следовательно, сделать эти элементы конструкции дешевле. Минусы: • существенное усложнение конструкции; • Возможное уменьшение удельной мощности (зависит от конкретной конструкции) из-за внедрения дополнительны цилиндров в равнении с двигателем однократного расширения.

9. Турбокомпаундный двигатель (ТКД) • Двигатель внутреннего сгорания. В котором работа газов происходит не только в цилиндро-поршневой группе, но и в силовой турбине, связанной с коленчатым валом.

10. Большое распространение получили турбокомпаундные двигатели большой размерности. Сначала корабельные, а затем и авиационные моторы (например, на самолетах «Boeing B-29» и «Douglas DC-7»). • Однако турбокомпаундный силовой агрегат дает экономию топлива, а также имеет лучшие показатели надежности и долговечности в сравнении с классическим поршневым двигателем. Если КПД бензинового двигателя составляет около 30 - 35 %, а дизеля с турбонаддувом – 40 %, то КПД турбокомпаундного мотора может достигать 46 %. Экономичность, надежность и долговечность играют важную роль для коммерческого автотранспорта, поэтому с начала 90-х годов XX века начались попытки внедрения силовой турбины в дизельный двигатель на грузовиках.

11. Устройство и принцип работы • Турбокомпаунд преобразует энергию, которая в противном случае и ушла бы в атмосферу, в работу за счет силовой турбины, приводимой в действие выхлопными газами. Это типичный пример утилизации остаточной энергии отработавших газов. Устройство турбокомпаундного двигателя «Scania»

12. Турбокомпаундный двигатель – это частный случай компаундного двигателя. В последнем дополнительная работа извлекается при расширении отработавших газов в цилиндре низкого давления. • Как правило, современный дизель включает две турбины. Это газовая и компрессорная (по сути, центробежный компрессор) турбины турбонаддува посаженные на один вал. При компаундировании двигателя добавляется третья – силовая турбина (компаунда). Она также вращается отработавшими газами со скоростью до 55000 об/мин. Чтобы передать такое быстрое вращательное движение на коленчатый вал, создавав тем самым полезную прибавку крутящего момента, необходимо уменьшить скорость вращения до примерно 2000 об/мин за счет шестерней и гидромуфты. Гидравлическая муфта не увеличивает передаваемый момент, но ее пробуксовка позволяет плавно согласовать различные частоты вращения (при их резком изменении) маховика и силовой турбины.

13. Схема работы турбокомпаундного двигателя

14. Рассмотрим, как работает турбокомпаундный двигатель: • Выхлопные газы с температурой 600 – 700 °C поступают в газовую турбину наддува, раскручивая её до 55000 – 100000 об/мин. • Газовая турбина через вал передает вращение на центробежный компрессор турбонаддува, который нагнетает воздух во впускной трубопровод для приготовления горючей смеси. • Выхлопные газы покидают турбонаддув, потеряв там около 100 °C. • Отработавшие газы, сохраняя высокую температуру, поступают в силовую турбину турбокомпаунда, раскручивая её примерно до 55000 об/мин. • Вращение силовой турбины передается через понижающую передачу и гидравлическую муфту на коленчатый вал и маховик двигателя. • Температура газов на выходе из турбокомпаунда также снижается примерно на 100 °C. Выхлопные газы отводятся через выпускную систему.

15. Турбокомпаундный дизель На автомобилях турбокомпаунд появился в 1991 году, когда фирма «Scania» представила автомобильный шестицилиндровый дизель «DTC11», оснащенный силовой турбиной. Данный двигатель имел рабочий объем 11 литров и развивал мощность 400 л.с. Также он был на пару сотен килограммов легче 14-литровой «восьмерки» аналогичный мощности без турбокомпаунда. Инженеры «Scania»предвещали этому мотору прекрасное будущее, но как оказалось двигатель «DTC11» работал слишком «жестко». Кроме того, он показал недостаточную топливную экономичность. В результате спрос на данный двигатель был недостаточным (выпущено всего 1500 шт.), поэтому его производство было свернуто. Это неудача привела к тому, что появления нового шведского шестицилиндрового турбокомпаундного двигателя «Scania DT 12 02» затянулось. Чтобы не потерять провал, «Scania» в 1998 году запустила в опутную эксплуатацию 25 грузовиков с турбокомпаундом. Отзывы водителей – самые хорошие. Новый мотор работает очень тихо, а также экономичность на высоком уровне.

16. Максимальная мощность «Scania DT 12 02»достигает 470 л. с. при рабочем объеме 12 л, что на 50 сил больше, чем у аналога без турбокомпаунда. Но силовая турбина – только одна особенность нового мотора. Второе новшество – это необычные насос - форсунки HPI (High Pressure Injection), созданные в сотрудничеству с фирмой «Cummins». В насос – форсунках HPI управление впрыском осуществляется гидравлически, с помощью самого топлива. Чем больше дизельного топлива под давлением 18 атмосфер поступит в насос – форсунку по управляющему каналу, тем раньше начнется впрыск (его давление – 1500 атмосфер, а в будущем – до 2400). Также «Scania» разработала новый электронный блок управления двигателем.

17. Преимущества и недостатки Плюсы: • рост эффективного КПД двигателя, а, следовательно, низкий удельный расход топлива; • вращение коленчатого вала дополняется постоянного передачей усилия от силовой турбины, что сглаживает пульсацию нагрузки, вызванную периодическими тактами сгорания в цилиндрах; • разгрузка поршневой части двигателя приводит к улучшению показателей надежности и долговечности. Минусы: • усложнение конструкции; • усложнение обслуживания; • как следствие, увеличение стоимости.

18. Спасибо за внимание!