Рассматрим некоторые возможные пути улучшения приемистости и характеристики крутящего момента, которые требуют определенных затрат на их реализацию и поэтому до настоящего времени нашли лишь ограниченное применение.

1. Регулирование турбокомпрессора:

изменение положения лопаток соплового аппарата турбины; уменьшение сечения (сужение) газоподводящей спирали турбины; перепуск воздуха или выпускного газа.

2. Переключение выпускных газов с нескольких ветвей тру­бопровода на один сопловой сегмент или турбину только одного турбокомпрессора в случае, когда двигатель оснащен двумя или более турбонаддувочными агрегатами.

3. Настройка впускного трубопровода в сочетании с турбо­наддувом по методу Шера.

4. Применение дополнительного компрессора, приводимого от постороннего источника или двигателя:

последовательное подключение перед компрессором ТК или после него;

параллельное подключение с компрессором ТК; подача па­раллельного воздуха: через инжектор в трубопровод наддувоч­ного воздуха; на рабочее колесо компрессора; в диффузор ком­прессора;

механический компрессор, переключаемый с последователь­ного режима работы на параллельный подвод воздуха.

5. Дополнительный привод турбокомпрессора:

механический от двигателя через обгонную муфту;

от электродвигателя также через обгонную муфту;

масляный гидропривод через колесо Пельтона, расположен­ное на валу турбокомпрессора;

посредством перепуска и подогрева перепускаемого воздуха в камере сгорания.

6. Подвод сжатого воздуха из воздушного аккумулятора: в трубопровод наддувочного воздуха;

во всасывающий трубопровод ТК с обратным клапаном; в ветвь выпускного трубопровода или в один разделенный сопловой сегмент;

непосредственно в цилиндр через управляемый клапан (дозарядка).

Применение этих методов осуществляется в зависимости от специальных требований, т. е. от того, требуется ли помощь при разгоне только через большие интервалы времени или для постоянно изменяющихся рабочих режимов, а также от того, ка­кие дополнительные затраты допустимы.

Для анализа методов улучшения приемистости рассмотрим три случая.

1. Помощь при разгоне применяется в основном только для пуска, т. е. необходима при быстром приеме нагрузки двигателя от режима холостого хода и лишь через определенные промежутки времени.

Прежде всего отметим, что подвод сжатого воздуха — будь это однократный воздушный удар для разгона или непрерывный процесс подачи воздуха,— производимый параллельно турбоком­прессору, т. е. непосредственно в трубопровод наддувочного воз­духа, по-разному сказывается в двухтактном и четырехтактном двигателях. Это нетрудно заметить из различного положения кривых постоянной частоты вращения на расходной характерис­тике.

На рис. 8.19 показана граница помпажа турбокомпрессора и расходная характеристика двухтактного двигателя включая тур­бину, расположенную за ним последовательно (которая не за­висит от частоты вращения двигателя), а на рис. 8.20 — то же для четырехтактного двигателя с линиями постоянных частот вращения п₁, n₂ и n₃.

Отрезки а соответствуют объемным расхо­дам воздуха через турбокомпрессор, отрезки b — объемным рас­ходам постороннего воздуха. А₁ и A₂ — рабочие точки на расход­ной характеристике двигателя: первая при низком, вторая при высоком давлении наддува. В₁ и В₂ — соответствующие, но не всегда реализуемые (из-за помпажа) рабочие точки на характеристике компрессора. Двухтактный двигатель при высокой сте­пени повышения давления (высокое среднее эффективное давле­ние) допускает подачу определенного количества воздуха, соот­ветствующего отрезку b₂ параллельно ТК, в то время как при понижении степени повышения давления вследствие сокращаю­щегося расстояния между расходной линией двигателя и грани­цей помпажа непременно наступит такой режим работы, при ко­тором турбокомпрессор в связи с подачей в двигатель посторон­него воздуха будет работать в области помпажа. У четырехтактных двигателей наблюдается обратная картина. Здесь при низкой степени повышения давления турбокомпрессор допускает подачу сравнительно большого количества параллельного воз­духа, соответствующего отрезку b₁, а при высокой степени по­вышения давления добавление параллельного воздуха привело бы к работе компрессора в области помпажа как раз в диапазоне средних частот вращения двигателя, т. е. там, где подвод параллельного воздуха был бы необходим для улучшения характе­ристики крутящего момента. По этой причине у четырехтактных двигателей для повышения приемистости наиболее целесообраз­ным является подвод воздушного импульса из воздушного аккумулятора непосредственно в трубопровод наддувочного воздуха. В отличие от двухтактного двигателя в данном случае помпажа компрессора можно не опасаться, по­скольку подвод воздуха, как правило, ограничен по времени. При этом рабочий цилиндр двигателя располагает количеством воздуха, соответствующим повышению давления в трубопроводе наддувочного воздуха, т. е. одновременно с подводом воздуха может быть увеличена цикловая подача топлива без опасения дымного выпуска в связи с нехваткой воздуха. Благодаря значи­тельно большей избыточной мощности турбины по сравнению со способом без добавления воздуха (компрессором сжимается только часть общего количества воздуха, протекающего через двигатель и турбину) турбокомпрессор разгоняется заметно быстрее и, по-видимому, этот способ может быть успешно применен на двигателях с высокими средними эффективными давлениями.

Размеры воздушного аккумулятора зависят от размеров дви­гателя и его мощности, а также от давления в аккумуляторе; размеры же компрессора, с помощью которого осуществляется непрерывная зарядка аккумулятора, кроме мощности двигателя зависят также и от частоты использования аккумулятора при разгоне. Принимая во внимание размеры компрессора и его мощ­ность — для того чтобы аккумулятор не был слишком большим, воздух в нем должен находиться под высоким давлением, — та­кие устройства для облегчения разгона нельзя использовать слиш­ком часто, а лишь через интервалы в несколько минут. Подвод сжатого воздуха из аккумулятора во всасывающий трубопровод ТК с обратным клапаном сопряжен с большими затратами, в связи с необходимостью обеспечения большего количества воз­духа и применением клапанов во всасывающем трубопроводе компрессора; поэтому он находит применение только на двух­тактных двигателях. Подвод сжатого воздуха из аккумулятора в ветвь выпускного трубопровода или в один разделенный сопло­вой сегмент не столь эффективен, поскольку подводимый воздух используется не непосредственно для сгорания, а для увеличения количества наддувочного воздуха путем повышения мощности турбины.

Подвод сжатого воздуха из аккумулятора непосредственно в цилиндр через управляемый клапан требует больших затрат как на дополнительные устройства на двигателе, так и на полу­чение необходимого высокого давления в аккумуляторе, поэтому он не нашел практического применения.

2. Помощь при разгоне требуется через короткие интервалы времени, т. е. с любой частотой, однако при этом выдвигаются требования обеспечения минимальных габаритных размеров.

Здесь целесообразно применение регулируемого турбоком­прессора, а также способа с переключением потоков выпускных газов. Все эти методы сводятся к тому, что в процессе разгона используется меньшее проходное сечение турбины, чем при нор­мальной работе, вследствие чего при равном расходе в турбине на режиме разгона устанавливается более высокий перепад дав­ления, и ее мощность возрастает.

Поворот лопаток соплового аппарата турбины осуществляется прежде всего с целью улучшения характеристики крутящего момента и лишь затем для повышения приемистости. Насколько стало известно, по крайней мере для осевых турбин, результат от применения регулируемого соплового аппарата оказался зна­чительно хуже, чем ожидалось. Это связано с тем, что лопатки в этом случае крепятся с зазором, чтобы не защемляться в нагре­том состоянии. Лопатки соплового аппарата нагреваются силь­нее, чем кольца, в которых они закреплены. Именно при повер­нутом положении лопаток и низких температурах выпускных газов, т. е. при малом проходном сечении, требуемом для низких частот вращения двигателя, поток в направляющем канале за­метно нарушается из-за утечек газа в зазоры. Вследствие этого к. п. д. существенно уменьшается, что сводит на нет возможный выигрыш в мощности турбины.

У радиальных турбин перспектива применения регулируемых сопловых аппаратов более реальна, так как в этом случае необ­ходимые углы поворота лопаток меньше. Благодаря соответ­ствующим размерам подводящей спирали у радиальных турбин может быть достигнуто правильное набегание потока в колесо и без направляющих лопаток. Однако здесь следует принимать во внимание, что регулируемый сопловой аппарат требует опре­деленных зазоров и поэтому его действенность несколько хуже, чем нерегулируемого аппарата меньшего сечения.

У конструкций, в которых применялся поворот не отдельных лопаток, а нескольких лопаточных групп, успехи также были меньше ожидаемых. Были испробованы и направляющие аппараты, у которых для уменьшения проходного сечения сопло­вого аппарата отдельные сопла полностью перекрывались. Но и эти аппараты не способствовали успеху, так как из-за перекры­тия сопел (парциальный подвод газов к турбине) ухудшался к. п. д. До настоящего времени неизвестно о достаточно успешных результатах использования метода сужения газоподводящей спи­рали на радиальных турбинах для уменьшения входного сече­ния и вместе с тем повышения скорости на входе в рабочее колесо.

Среди способов регулирования турбокомпрессоров наиболее эффективным представляется перепуск части выпускных газов. При этом способе в отличие от поворачивания направляющих лопаток турбокомпрессор с самого начала рассчитывается на меньший расход. Для этого рабочего режима ТК может быть рас­считан так, чтобы был высокий к. п. д., в то время как при пово­рачивании направляющих лопаток из-за потерь в зазорах опти­мальный режим работы не достигается. Перепуск газа при боль­ших расходах производится для того, чтобы давление наддува и частота вращения компрессора при высоких мощностях не были бы слишком большими. Перепуск (способ с перепуском газа ха­рактеризуется несколько более высоким к. п. д. по сравнению с перепуском воздуха) соответствует некоторому повышению к. п. д. турбокомпрессора при высоких нагрузках, которые тем скорее допустимы, чем меньше двигатель и ТК эксплуатируются па режимах, близких к границе их термической напряженности и чем реже и соответственно короче требуемые рабочие режимы максимальной мощности.

Перепуск выпускного газа или воздуха с целью улучшения характеристики крутящего момента и повышения приемистости двигателей с наддувом (рис. 8.21) описывался в специальной литературе и нашел применение на серийно выпускаемых двигателях [8.10—8.13]. Отметим, что на карбюраторных двигателях с турбонаддувом, предназначенных для гоночных автомобилей, дополнительно к регулированию перепуском применялись дроссельные заслонки, устанавливаемые непосредст­венно перед компрессором и за ним — рис. 8.22 [8.11]. Эти за­слонки при сбросе газа закрывались, сильно снижая мощность, затрачиваемую компрессором, вследствие чего ротор при следующем за этим через короткое время разгоне увеличивал ча­стоту вращения скачком.

Значительно более широкое распространение регулирования перепуском по сравнению с применением регулируемого сопло­вого аппарата — несмотря на то, что последнее давно известно и экспериментально использовалось,—объясняется тем, что регулировка направляющих лопаток или сопряжена со слож­ными конструктивными проблемами, или недостаточно эффек­тивна, или наблюдается то и другое вместе.

Здесь следует упомянуть также о сочетании турбокомпрес­сора и настройки впускного трубопровода; о некоторых резуль­татах подобных испытаний сообщено Шером. Настроен­ный на низкую частоту вращения двигателя впускной трубопро­вод повышает давление наддува и коэффициент наполнения в об­ласти долевых режимов частот вращения, но неэффективен при полной частоте вращения двигателя. Кроме того, он способствует быстрому наполнению при разгоне и может поэтому служить средством повышения приемистости. Схема и некоторые резуль­таты испытаний приведены на рис. 8.23 и 8.24.

В качестве недостатка следует отметить то, что настроенный трубопровод и ресивер должны располагаться непосредственно на двигателе, где условия размещения ограничены. Согласно опытным данным, известным до настоящего времени (рис. 8.24), повышение уровня давления наддува и соответственно коэффи­циента наполнения при средних частотах вращения двигателя (несмотря на среднее эффективное давление, ограниченное при полной частоте вращения двигателя величиной р_e ? 9,6 бар) является незначительным, в связи с этим улучшение протека­ния кривой крутящего момента и приемистости невелико.

Затраты, связанные с реализацией способа переключения вы­пускных газов, который описан в патенте DPS 850965, не столь уж малы. Необходимы дополнительные трубопроводы, клапаны и распределительная автоматика для этих клапанов.

При работе на установившихся режимах с помощью этого способа достигнуты хорошие результаты. Фирмой MAN проводи­лись испытания, при которых после выхода из строя одного тур­бокомпрессора на судовом четырехтактном двигателе, оснащен­ном двумя турбокомпрессорами, двигатель должен отдавать максимально возможную мощность. В этом случае при низких частотах вращения двигателя достигалось отно­сительно высокое среднее эф­фективное давление. При этом вместо переключающих кла­панов использовалось соеди­нение выпускных трубопрово­дов друг с другом посредством соответствующих патрубков. Отключенный турбокомпрес­сор со стороны подвода воз­духа и газа был закрыт диа­фрагмами.

При работе на неустано­вившихся режимах этот спо­соб однажды испытывался одним из лицензиатов фирмы MAN на крупном двухтакт­ном двигателе, однако в прак­тике никогда не применялся. Быстрое переключение было невозможным.

На неустановившихся ре­жимах работы при переклю­чении может произойти рез­кое падение энергии, подводимой к турбокомпрессору, вследствие чего к. п. д. турбокомпрессора сильно уменьшается. При им­пульсном наддуве, широко распространенном на автотранспорт­ных четырехтактных двигателях, этот способ неудобен тем, что в связи с подключением цилиндров только к одному турбоком­прессору или только к одному сопловому сегменту необходимый интервал между выпускными импульсами — у четырехтактных двигателей не менее 240° п. к. в. —нарушается. Из-за этого теряется значительная часть эффекта импульсного наддува, ко­торый наиболее действен на долевых нагрузках и при низких частотах вращения двигателя.

Практического применения на автомобильных двигателях этот способ не нашел.

3. Помощь при разгоне требуется через короткие промежутки времени, но допустимы определенные габаритные и строительные затраты.

Способы повышения приемистости, находящиеся в постоянной готовности и связанные с увеличением стоимости изготовления, сводятся к тому, что энергия на сжатие наддувочного воздуха берется не только от выпускных газов; но и от других источников энергии, используемых постоянно или время от времени. Такие меры являются особенно необходимыми для двухтактных двига­телей, у которых турбокомпрессор может обеспечивать требуе­мый для продувки положительный перепад давления не на всех рабочих режимах (давление наддува выше, чем давление перед турбиной). Некоторые из применяемых для этого способов рас­сматриваются в связи со специальными: проблемами наддува двух­тактных двигателей. Однако все они могут быть также применены и на четырехтактных двигателях с целью улучшения их приеми­стости и увеличения запаса крутящего момента.

Одним из них является способ последовательного подключе­ния компрессора, приводимого механически от двигателя, к ком­прессору турбонаддувочного агрегата. При слишком малой энер­гии выпускных газов механический компрессор берет на себя сжатие наддувочного воздуха; с возрастанием мощности двига­теля все более увеличивается доля мощности сжатия за счет турбокомпрессора, а доля механического компрессора, сокра­щается.

Изящным решением, реализация которого, правда, также тре­бует определенных дополнительных расходов, является привод вала турбокомпрессора от вала двигателя через передачу и ме­ханизм свободного хода. Примерами применения такой конструк­ции могут служить двухтактные тепловозные двигатели фирмы «Дженерал моторе ЕМD» типа 567 и 645.

На рис. 8.25 показан внешний вид двигателя типа 567, а на рис. 8.26 — разрез турбокомпрессора этого двигателя.

На режимах малой мощности двигателя, при которых энер­гии выпускных газов недостаточно, вал турбокомпрессора при­водится от двигателя. С увеличением мощности двигателя мощ­ность газовой турбины непрерывно возрастает, обеспечивая все большую долю потребной мощности нагнетателя до тех пор, пока одной газовой турбины не будет достаточно для покрытия мощ­ности нагнетателя. В этом случае механический привод отклю­чается с помощью механизма свободного хода.

Посредством перепуска части нагнетаемого компрессором воз­духа, минуя двигатель, к турбине и нагревания этого перепуск­ного воздуха до температуры выпускных газов турбокомпрес­сор независимо от частоты вращения двигателя можно поддержи­вать в рабочей точке, соответствующем режиму полной мощности, т. е. обеспечивать высокое давление наддува во всей рабочей области. Так как для достижения требуемых температур нагрев от выпускных газов за турбиной (в теплообменнике) недостаточен, то подвод теплоты к перепускному воздуху осуществляется в специальной камере сгорания. В связи с тем, что линия расхода у двухтактных двигателей не зависит от частоты вращения дви­гателя (т. е. большие количества воздуха подаются на двигатель при низких частотах вращения), можно отказаться от перепуска и ограничиться нагреванием.

С помощью прикидочного расчета легко убедиться в том, что применение перепуска воздуха ведет к заметному увеличению расхода топлива. Предположим, что на режиме полной нагрузки расход воздуха на двигатель составляет 6 кг/(кВт•ч) (автомобиль­ный дизель). При вдвое меньшей частоте вращения и прежнем давлении наддува через двигатель должно проходить ~60% от этого расхода (в случае перекрытия клапанов при низкой частоте вращения двигателя через него будет проходить относительно большая доля), а 40%, т. е. ~2,4 кг/(кВт•ч), должно перепу­скаться. Для нагревания этих 2,4 кг на 550° С потребуется ~350 ккал, или 35 г топлива на каждый выработанный двига­телем кВт•ч. При расходе топлива, равном 220 г/(кВт•ч) [162 г/(л. с. ч) ], это означает дополнительный расход 16%. Это, естественно, существенное повышение расхода топлива, если оно имеет место в широком диапазоне рабочих режимов, т. е. если двигатель часто работает на долевых частотах враще­ния. Возрастание расхода топлива было бы несколько меньше, если при частичных нагрузках обходиться низким давлением наддува. Несмотря на ухудшение топливной экономичности, в настоящее время находят применение такие способы с пере­пуском воздуха и дополнительной камерой сгорания.