Турбокомпаунд: второй вдох дизеля
При измерении расхода топлива грузового дизеля видно, что около сорока процентов химической энергии удаляется в атмосферу вместе с выхлопом. Горячий поток проходит через турбину наддува, однако даже после неё остаётся температурный потенциал выше 300 °C. Турбокомпаунд извлекает вторую порцию работы из этого остаточного жара.
Энергетический баланс
По сути турбокомпаунд представляет вторую турбину, соединённую с коленвалом через планетарный редуктор и вискомуфту. Выхлоп, потерявший давление в первой крыльчатке, проходит через дополнительную ступень и вращает её со скоростью выше 60 000 об/мин. Передаточное число редуктора подбираю так, чтобы на коленвале появился крутящий момент в диапазоне 100-300 Н·м при высоких оборотах двигателя.
На шоссе такой прирост момента снижает открытие дросселя топливной рейки, расход падает на пять-шесть процентов. Флот дальнобойщиков получает солидную экономию солярки без вмешательства в рабочий цикл цилиндра.
Механика узла
Компоновка узла сложнее, чем кажется. Турбина компаунда нагревается сильнее обычной, поэтому материал крыльчатки — инконель 713C с лимитом ползучести свыше 880 °C. Вал опирается на керамические шарикоподшипники, их теплопроводность невелика, что уменьшает тепловой поток к маслу.
Вискомуфта, заполненная силиконовой жидкостью, отделяет резкие пульсации от коленвала. Упругое скольжение по масляному слою сглаживает пики момента, продлевает ресурс зубчатого зацепления. Без муфты дрожание создало бы звенящий резонанс при 1400 об/мин.
Расчёт эффективности
При серийных испытаниях на стенде 12-литровый рядный шестицилиндровый агрегатагат с турбокомпаундом показал удельный расход 189 г/кВт·ч против 203 г/кВт·ч у базовой версии. Дополнительное сопротивление выпуску измерил прибором λ-back-pressure, рост составил 12 кПа, что не выходит за пределы карты газообмена.
Во время скоростного режима на трассе температура выпускных клапанов упала на 25 °C благодаря сниженной цикловой массе топлива. Обратная сторона — повышение температуры масла на пять градусов, из-за рекуперации энергии. Пришлось усилить теплообменник.
Акустические исследование выявило снижение «свистящего» компонента выхлопа на четыре децибела, поскольку давление за турбиной падает медленнее. Зато появляется барабанный баритон редуктора, тон которого глушится фторполимерным слоем на крышке шестерён.
На легковых дизелях компаунд встречается редко: экономический выигрыш нивелируют масса и инерция узла. Во внедорожной технике с постоянной высокой нагрузкой, наоборот, система быстро окупает себя: примерно через 4000 моточасов.
В новом нормативе CO2 Phase 2 для тягачей каждый грамм ценен. Турбокомпаунд даёт лёгкое дыхание инженеру: без увеличения степени сжатия и давления впрыска удаётся опуститься ниже целевого коридора.
При индивидуальном тюнинге грешат снятием узла из-за видимой простоты. Я сталкивался с жалобами на повышенный расход, недоумение сменяется внезапным уважением к скромному корпусу между турбиной и глушителем.
Турбокомпаунд напоминает маятник района Тягуаров: взмах — и тепло превращается в крутящий момент. Пока дизелю приходится бороться за каждый процент КПД, лишний взмах вовсе не лишний.