Mercedes и Scania и развитието на турбокомпресорите в дизеловите двигатели
VW притежава 71 процента от производителя на камиони и автобуси Scania, а MAN 17 процента. Същевременно VW притежава 75 процента от MAN. Епопеята по придобиването на контрола върху Scania е една дълга история, но тя има и своите дълбоки технологични подбуди.
По-рано в поредицата споменахме, че една от причините Saab да бъде толкова ревностен привърженик на турбо технологиите е връзката му със Scania. Защото именно тази шведска фирма е сред първопроходците в турботехнологиите и в авангарда на тяхното развитие. Така че време е да поговорим за симбиозата между дизеловия двигател и турбокомпресора и да разкажем за някои от съществените разлики между турбодизела и бензиновия турбо мотор
Turbodiesel
Съвременните турбокомпресорни двигатели са част от висшето технологично общество, които след дълго лутане в определен момент успяват да намерят своя спокоен пристан при дизеловите двигатели. Последните ги приемат гостоприемно, с отворени обятия като единствена възможност за запазване на своята конкуретноспособност пред бензиновите съперници. Механичните компресори се превръщат в изключителен приоритет на бензиновите мотори и макар да намират все повече общи допирни точки с турбокомпресорите дори извън сферата на отявлено спортните автомобили, позицията на последните при дизеловите двигатели 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, а както вече споменахме, при 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 самозапалаване отвъд океана оща в края на 70-те години. Да, именно в онова размирно време, в което набралият пълна сила OPEC налага стресиращо ембарго на самодоволния Запад, 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 300SD.
Всичко тече, всичко се променя... Авантюрата на дизеловия двигател в САЩ през 70-те не трае дълго и днес почти всички автомобили по магистралите на необятната страна се задвижват от бензинови агрегати. За сметка на това, през 80-те той продължава своята еволюция в Европа, за да достигне днешния си статут. Статут, напълно невъзможен без развитието на турботехнологиите през последните две десетилетия.
Първият далечен исторически опит за демострация 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 бе използван в модела Rekord, а след това във версия с и без турбо бе предлаган и в Omega. Пенсионирането му дойде чак през 1994 година, макар че имаше и кратък гастрол под предния капак на Frontera, който продължи до следващата, 1995 година.
По това вреем 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 имаше стойност от едва 140 нютонметра, а последните образци на 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. Производствените обеми на специализирани в производството на газотурбинни агрегати фирми като Mitsubishi, BorgWarner, IHI, Honeywell нарастват със сериозни темпове, отблагодарявайки им се за разработката на съвременни технологии като турбокомпресорите с променлива геометрия например, създали предпоставките за създаване на мощните и суперикономични дизелови двигатели със системи за директно впръскване „помпа-дюза” и Common Rail. Именно тези технологии направиха възможно немислимото на пръв поглед завръщане на дизеловите двигатели в луксозния клас, макар че на практика всичко започна още през деветдесетте, когато за първи път в Европа се появявиха луксозни дизелови автомобили в лицето на Mercеdes S350 TD и BMW 725 tds, оборудвани съответно с предкамера и вихрова такава.
Ясно е, че принудителното пълнене с турбокомпресор вече трябва да се разглежда като неизменна част от дизеловия мотор, но не бива да се счита априори, че извличането на по-висока мощност е единствената цел на неговото прилагане или пък че дизелите имат своего рода монопол върху него. Времената, в които туркомпресорите се считаха едва ли не за привилегия само на спортните и състезателни автомобили също заминаха окончателно в историята.
Механичният компресор също не изпуска фронта благодарение на компании като Volvo и американските производители. 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 по-нататък в нашия разказ.
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. Подобно твърдение би било валидно например за използваната от Scania система „Тurbocompound”, при която част от енергията на отработилите газове (които както се оказва, съвсем не са свършили цялата си работа) се трансформира в механична енергия и се предава директно на коляновия вал. Подобен ефект на трансформация ползва и все още 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). Само по този начин е възможно директно увеличаване на мощността, респ. на КПД без нарастване на разхода на гориво. При използването на турбокомпресор, повишаването на КПД става индиректно.
Начинът, по който става това, 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 1,8 литра. За да получи еквивалентна максимална мощност, по-малкият като работен обем 1,8-литров мотор ползва еквивалентно количество свеж въздух (сгъстен от турбокомпресора) и съответното еквивалентно количество гориво – т. е. за разлика от системата на Scania 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 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 съпротивление, 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.
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.
Появата на свързани с високата компресия проблеми като склонноста 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. 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 2.0 TFSI на Audi, при който същия показател възлиза на над 10:1. Разбира се, своя принос имат 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. Щастливият кръг се затваря.
В бензиновия двигател проблемът с дроселовата клапа се решава с помощта на байпасни тръбопроводи, а в по-модерните машини компактни байпасни устройства, които при преминаване от голямо към малки натоварвания карат въздуха да циркулира около компресора, намалявайки склонноста на 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.
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 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 новия агрегат 1.5 TSI на VW, при който за първи път тази технология се използва в едросериен бензинов мотор. Междувременно тези системи са толкова съвършени, че повечето агрегати с VNT нямат нужда от отделни байпасни клапани.
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 турбокомпресори, 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%.
Предственият още през 1990 година двигател DTC 11 с работем 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 съеднение се съгласуват с честотата на въртене на коляновия вал. Хидравличната връзка с коляновия вал обаче не е единствената алтернатива за предавне на въртящия момент към коляновия вал - в момента се извършват експерименти, при които на вала на втората турбина се поставя генератор, който привежда в движение електродвигател свързан с въпросния вал.
Именно 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.
(следва)
Текст: Георги Колев