namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»nami-124Research ArticleДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕENGINE DEVELOPMENTПроблемы бензинового двигателя с высоким наддувом: турбо лаг. Часть 1High-pressure gasoline engine problems: turbo lag. Part 1СонкинВ. И.SonkinV. I.

инженер, заведующий научно-исследовательским отделом ДВС с искровым зажиганием центра «Энергоустановки»

г. Москва 125438

engineer, head of the Research department for spark ignition engines of сenter “Power unit”

Moscow 125438

val.sonkin2010@yandex.ruГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»РоссияFederal State Unitary Enterprise “Central Scientific Research Automobile and Automotive Engines Institute” (FSUE “NAMI”)Russian Federation201913072020047081Copyright © Сонкин В.И., 20202020Сонкин В.И.Sonkin V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/124Введение

Введение. Понижение размерности (рабочего объёма) и одновременный наддув бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) для сохранения или улучшения ездовых качеств легкового автомобиля является популярным направлением развития мирового автостроения, направленным на значительное (до 20–30%) снижение расхода топлива и выбросов СО2. Практическая реализация этой концепции требует решения ряда проблем, наиболее трудной из которых является ухудшение ездовых качеств автомобиля из-за турбо лага.

Методология и методы

Методология и методы. Обзор причин и мероприятий, позволяющих минимизировать турбо лаг при понижении размерности ДВС, базируется на сравнительном анализе результатов экспериментальных и расчётных исследований турбо лага, приведённых в зарубежных и отечественных публикациях за последние несколько лет.

Результаты и научная новизна. Впервые обобщены и систематизированы основные причины возникновения турбо лага в бензиновом двигателе при понижении его размерности, а также факторы, позволяющие его устранить или уменьшить. Лучшей комбинацией технологий ДВС, позволяющей уменьшить турбо лаг, остаются непосредственный впрыск бензина и регулируемый клапанный привод. Обе технологии повышают наполнение благодаря охлаждению заряда, первая – за счёт испарения топлива в цилиндре, вторая – вследствие продувки камеры сгорания. Оценена эффективность новых технологий ДВС: разделения периода выпуска, рекомпрессии, переохлаждения наддувочного воздуха. Для экстремального понижения размерности рекомендован комбинированный турбонаддув с механическим или электрическим нагнетателем. Последний совместим с электрификацией силового привода и позволяет ДВС работать практически без турбо лага, с пониженными на 25–33% расходом топлива и выбросами СО2.

Практическая значимость заключается в возможности использования результатов работы при выборе схемы и конструктивных решений для перспективного бензинового двигателя пониженной размерности.

Introduction. A “mega-trend” in the global automotive industry, aimed at the significant (up to 20–30%) lowering of fuel consumption and CO2 emissions is the downsizing and simultaneous boosting of the gasoline internal combustion engine (ICE) to maintain or improve a passenger car rideability. The practical implementation of this concept requires solution of a number of problems the most difficult is the quality deterioration of the vehicle ride caused by the turbo lag.

Methodology and research methods. A review of the reasons and measures undertaken to minimize the turbo lag while lowering the internal combustion engine dimension is based on a comparative analysis of the results of experimental and calculated studies of the turbo lag presented in foreign and domestic publications over the past few years.

Scientific novelty and results. For the first time the main causes of the appearance of a turbo lag in a downsized gasoline engine as well as factors that allow them to be eliminated or reduced have been generalized and systematized. The best combination of ICE technology which permits turbo lag reduction is the one of a direct gasoline injection and the adjustment of a valve actuator. Both technologies increase filling due to the charge cooling, the first – due to the fuel evaporation in the cylinder, the second – due to the combustion chamber purge. The effectiveness of the new ICE technologies was evaluated: exhaust period separation, recompression, charge air supercooling, for extreme downsizing. A combined turbocharger with a mechanical or electric supercharger was recommended for extreme downsizing. The latter was compatible with the electrification of the power drive and allowed the internal combustion engine to operate almost without a turbo lag with reduced fuel consumption by 25–33% and CO2 emissions.

The practical significance of work lies in the possibility of using its results when choosing a circuit and design solutions for a promising low-dimensional gasoline engine.

бензиновый двигательпониженная размерностьтурбо лагвысокий наддувтурбонаддувмеханический наддувэлектрический наддувнепосредственный впрыскзадержка откликарасход топливаgasoline enginedownsizingturbo laghigh boostturbochargingsuperchargingelectric boostdirect injectionresponse delayfuel consumptionReferencesJoshi A. Review of Vehicle Engine Efficiency and Emissions // SAE Technical Paper. – 2019. – № 2019-010314. – P. 1–28.Joshi A. Review of Vehicle Engine Efficiency and Emissions. SAE Technical Paper, 2019, no. 2019-010314, pp. 1–28.Кутенёв В.Ф., Сонкин В.И. Анализ тенденций развития электрического привода легковых автомобилей // Труды НАМИ. – 2018. – № 2 (273). – С. 6–15.Kutenev V.F., Sonkin V.I. [Analysis of vehicles electrical drive development trends]. Trudy NAMI, 2018, no. 2 (273), pp. 6–15. (In Russian)Сонкин В.И. Бензиновый двигатель пониженной размерности – современная концепция // Труды НАМИ. – 2015. – № 261. – С. 68–84.Sonkin V.I. [Downsizing gazoline engine – modern concept]. Trudy NAMI, 2015, no. 261, pp. 68–84. (In Russian)Isenstadt A., German J., Dorobantu M., Boggs D., Watson T. Downsized, boosted gasoline engines // International Council on Clean Transportation Working Paper. 2016-21. – 2016. – P. 1–23.Isenstadt A., German J., Dorobantu M., Boggs D., Watson T. Downsized, boosted gasoline engines. International Council on Clean Transportation Working Paper, 2016-21, 2016, pp. 1–23.Кутенёв В.Ф., Сонкин В.И. Бензиновые двигатели: тенденции развития // Труды НАМИ. – 2017. – № 1 (268). – С. 6–21.Kutenev V.F., Sonkin V.I. [Gasoline engines: development trends]. Trudy NAMI, 2017, no. 1 (268), pp. 6–21. (In Russian)Fraser N., Blaxill H., Lumsden G., Bassett M. Challenges for Increased Efficiency through Gasoline Engine Downsizing // SAE Technical Paper. – 2009. № 2009-01-1053. – P. 1–18.Fraser N., Blaxill H., Lumsden G., Bassett M. Challenges for Increased Efficiency through Gasoline Engine Downsizing. SAE Technical Paper, 2009, no. 2009-011053, pp. 1–18.Turner J.W.G., Popplewell A., Patel R., Johnson T.R., Darnton N.J., Richardson S., Bredda S.W., Tudor R.J., Bithell C.I., Jackson R., Remmert S.M., Cracknell R.F., Fernandes J.X., Lewis A.G.J., Akehurst S., Brace C.J., Copeland C., Martinez-Botas R., Romagnoli A., Burluka A.A. Ultra Boost for Economy: Extending the Limits of Extreme Engine Downsizing // SAE Technical Paper. – 2014. – № 2014-01-1185. – P. 387–417.Turner J.W.G., Popplewell A., Patel R., Johnson T.R., Darnton N.J., Richardson S., Bredda S.W., Tudor R.J., Bithell C.I., Jackson R., Remmert S.M., Cracknell R.F., Fernandes J.X., Lewis A.G.J., Akehurst S., Brace C.J., Copeland C., Martinez-Botas R., Romagnoli A., Burluka A.A. Ultra Boost for Economy: Extending the Limits of Extreme Engine Downsizing. SAE Technical Paper, 2014, no. 2014-01-1185, pp. 387–417.Shahed S.M., Bauer K.-H. Parametric Studies of the Impact of Turbocharging on Gasoline Engine Downsizing // SAE Technical Paper. – 2009. – № 2009-01-1472. – P. 1–12.Shahed S.M., Bauer K.-H. Parametric Studies of the Impact of Turbocharging on Gasoline Engine Downsizing. SAE Technical Paper, 2009, no. 2009-01-1472, pp. 1–12.Сонкин В.И. Проблемы бензинового двигателя с высоким наддувом: аномальное сгорание // Труды НАМИ. – 2017. – № 3 (270). – С. 16–31.Sonkin V.I. [Problems of the gasoline engine with high supercharging: abnormal combustion]. Trudy NAMI, 2017, no. 3 (270), pp. 16–31. (In Russian)Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф., Зайченко Е.Н., Аршинов Л.С. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. – М.: Машиностроение, 1991. – 336 с.Khanin N.S., Aboltin E.V., Lyamtsev B.F., Zaychenko E.N., Arshinov L.S. [Turbocharged vehicle engines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1991. 336 p. (In Russian)Lang O., Geiger J., Habermann K., Wittler M. Boosting and Direct Injection – Synergies for Future Gasoline Engines // SAE Technical Paper. – 2005. № 2005-01-1144. – P. 1–9.Lang O., Geiger J., Habermann K., Wittler M. Boosting and Direct Injection – Synergies for Future Gasoline Engines. SAE Technical Paper, 2005, no. 2005-011144, pp. 1–9.Petitjean D., Bernardini L., Middlemass C., Shahed S.M. Advanced Gasoline Engine Turbocharging Technology for Fuel Economy Improvements // SAE Technical Paper. – 2004. – № 2004-01-0988. – P. 1–11.Petitjean D., Bernardini L., Middlemass C., Shahed S.M. Advanced Gasoline Engine Turbocharging Technology for Fuel Economy Improvements. SAE Technical Paper, 2004, no. 2004-01-0988, pp. 1–11.Park S., Matsumoto T., Oda N. Numerical Analysis of Turbocharger Response Delay Mechanism // SAE Technical Paper. – 2010. – № 2010-01-1226. – P. 1–12.Park S., Matsumoto T., Oda N. Numerical Analysis of Turbocharger Response Delay Mechanism. SAE Technical Paper, 2010, no. 2010-01-1226, pp. 1–12.Lefebvre A., Guilain S. Modelling and Measurement of the Transient Response of a Turbocharged SI Engine // SAE Technical Paper. – 2005. – № 2005-01-0691. – P. 1–15.Lefebvre A., Guilain S. Modelling and Measurement of the Transient Response of a Turbocharged SI Engine. SAE Technical Paper, 2005, no. 2005-01-0691, pp. 1–15.Nguyen-Schafer H. Rotordynamics of Automotive Turbochargers. – Springer, 2015. – 362 p.Nguyen-Schafer H. Rotordynamics of Automotive Turbochargers. Springer, 2015. 362 p.Аболтин Э.В., Марченко С.А., Суворова Н.Я. Турбокомпрессор с газовой смазкой подшипников // Автомобильная промышленность. – 1995. – С. 14–16.Aboltin E.V., Marchenko S.A., Suvorova N.Ya. [Gas turbocharged bearings]. Avtomobil’naya promyshlennost’, 1995, pp. 14–16. (In Russian)Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. – McGraw-Hill, Inc., 1988. – 930 p.Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, Inc., 1988. 930 p.Catalog der “Automibil Revue”. – Berne, 2018. 698 p.Catalog der “Automibil Revue”. Berne, 2018. 698 p.Сонкин В.И. Аэродинамика впускных каналов: винтовые каналы. Часть 2 // Труды НАМИ. – 2016. № 4 (267). – С. 85–96.Sonkin V.I. [Aerodynamics of intake ports: helical ports. Part 2]. Trudy NAMI, 2016, no. 4 (267), pp. 85–96. (In Russian)Сонкин В.И., Артёмов А.А., Бажинов А.А., Миронычев М.А. Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском: требования к ключевым системам // Приводная техника. – 2006. – № 4. – С. 9–25.Sonkin V.I., Artemov A.A., Bazhinov A.A., Mironychev M.A. [Direct injection gasoline engine: key systems requirements]. Privodnaya tekhnika, 2006, no. 4, pp. 9–25. (In Russian)Anderson R.W., Yang J., Brehob D.D., Vallance J.K., Whiteaker R.M. Understanding the Thermodynamics of Direct Injection Spark Ignition (DISI) Combustion Systems: an Analytical and Experimental Investigation // SAE Technical Paper. – 1996. – № 962018. – P. 1–12.Anderson R.W., Yang J., Brehob D.D., Vallance J.K., Whiteaker R.M. Understanding the Thermodynamics of Direct Injection Spark Ignition (DISI) Combustion Systems: an Analytical and Experimental Investigation. SAE Technical Paper, 1996, no. 962018, pp. 1–12.Lecointe B., Monnier G. Downsizing a Gasoline Engine Using Turbocharging with Direct Injection // SAE Technical Paper. – 2003. – № 2003-01-0542. – P. 1–12.Lecointe B., Monnier G. Downsizing a Gasoline Engine Using Turbocharging with Direct Injection. SAE Technical Paper, 2003, no. 2003-01-0542, pp. 1–12.Ranini A., Monnier G. Turbocharging a Gasoline Direct Injection Engine // SAE Technical Paper. – 2001. № 2001-01-0736. – P. 3–11.Ranini A., Monnier G. Turbocharging a Gasoline Direct Injection Engine. SAE Technical Paper, 2001, no. 2001-01-0736, pp. 3–11.Сонкин В.И. Регулируемый клапанный привод автомобильного двигателя. – М.: Машиностроение, 2015. – 124 с.Sonkin V.I. [Adjustable valve drive of an automobile engine]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2015. 124 p. (In Russian)Kleeberg H., Tomazic D., Lang O., Habermann K. Future Potential and Development Methods for High Output Turbocharged Direct Injected Gasoline Engines // SAE Technical Paper. – 2006. – № 2006-01-0046. – P. 1–8.Kleeberg H., Tomazic D., Lang O., Habermann K. Future Potential and Development Methods for High Output Turbocharged Direct Injected Gasoline Engines. SAE Technical Paper, 2006, no. 2006-01-0046, pp. 1–8.Martin S., Beidl C., Mueller R. Responsiveness of a 30 Bar BMEP 3-Cylinder Engine: Opportunities and Limits of Turbocharged Downsizing // SAE Technical Paper. – 2014. – № 2014-01-1646. – P. 1–12.Martin S., Beidl C., Mueller R. Responsiveness of a 30 Bar BMEP 3-Cylinder Engine: Opportunities and Limits of Turbocharged Downsizing. SAE Technical Paper, 2014, no. 2014-01-1646, pp. 1–12.Schutting E., Hirschl G., Danninger A. Thermodynamics of the BMW Three-Cylinder Engine // MTZ. – 2013. – Vol. 74. – № 05. – P. 4–9.Schutting E., Hirschl G., Danninger A. Thermodynamics of the BMW Three-Cylinder Engine. MTZ, 2013, vol. 74, no. 05, pp. 4–9.Shinagawa T., Kudo M., Matsubara W., Kawai T. The New Toyota 1.2-Liter ESTEC Turbocharged Direct Injection Gasoline Engine // SAE Technical Paper. 2015. – № 2015-01-1268. – P. 1–10.Shinagawa T., Kudo M., Matsubara W., Kawai T. The New Toyota 1.2-Liter ESTEC Turbocharged Direct Injection Gasoline Engine. SAE Technical Paper, 2015, no. 2015-01-1268, pp. 1–10.Wolany A., Glahn C., Berner H.-J., Bargende M. Investigation of the Gas Exchange (Scavenging) on a Single-Scroll Turbocharged Four Cylinder GDI Engine // SAE Technical Paper. – 2016. – № 2016-01-1024. – P. 1–9.Wolany A., Glahn C., Berner H.-J., Bargende M. Investigation of the Gas Exchange (Scavenging) on a Single-Scroll Turbocharged Four Cylinder GDI Engine. SAE Technical Paper, 2016, no. 2016-01-1024, pp. 1–9.Dingelstadt R., Wieske P., Eilemann A., Stehlig J. Refrigerant-based Charge Air Subcooling // MTZ. 2015. – Vol. 76. – № 10. – P. 36–40.Dingelstadt R., Wieske P., Eilemann A., Stehlig J. Refrigerant-based Charge Air Subcooling. MTZ, 2015, vol. 76, no. 10, pp. 36–40.Möller C.E., Johansson P., Grandin B., Lindström F. Divided Exhaust Period – A Gas Exchange System for Turbocharged SI Engines // SAE Technical Paper. – 2005. – № 2005-01-1150. – P. 1–15.Möller C.E., Johansson P., Grandin B., Lindström F. Divided Exhaust Period – A Gas Exchange System for Turbocharged SI Engines. SAE Technical Paper, 2005, no. 2005-01-1150, pp. 1–15.Roth D., Keller P., Sisson J. Valve-Event Modulated Boost System // SAE Technical Paper. – 2010. – № 201001-1222. – P. 1–16.Roth D., Keller P., Sisson J. Valve-Event Modulated Boost System. SAE Technical Paper, 2010, no. 201001-1222, pp. 1–16.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.