Проблемы бензинового двигателя с высоким наддувом: турбо лаг. Часть 1

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. 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.

1. Joshi A. Review of Vehicle Engine Efficiency and Emissions // SAE Technical Paper. – 2019. – № 2019-010314. – P. 1–28.

2. Кутенёв В.Ф., Сонкин В.И. Анализ тенденций развития электрического привода легковых автомобилей // Труды НАМИ. – 2018. – № 2 (273). – С. 6–15.

3. Сонкин В.И. Бензиновый двигатель пониженной размерности – современная концепция // Труды НАМИ. – 2015. – № 261. – С. 68–84.

4. 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.

5. Кутенёв В.Ф., Сонкин В.И. Бензиновые двигатели: тенденции развития // Труды НАМИ. – 2017. – № 1 (268). – С. 6–21.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Сонкин В.И. Проблемы бензинового двигателя с высоким наддувом: аномальное сгорание // Труды НАМИ. – 2017. – № 3 (270). – С. 16–31.

10. Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф., Зайченко Е.Н., Аршинов Л.С. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. – М.: Машиностроение, 1991. – 336 с.

11. 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.

12. 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.

13. Park S., Matsumoto T., Oda N. Numerical Analysis of Turbocharger Response Delay Mechanism // SAE Technical Paper. – 2010. – № 2010-01-1226. – P. 1–12.

14. 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.

15. Nguyen-Schafer H. Rotordynamics of Automotive Turbochargers. – Springer, 2015. – 362 p.

16. Аболтин Э.В., Марченко С.А., Суворова Н.Я. Турбокомпрессор с газовой смазкой подшипников // Автомобильная промышленность. – 1995. – С. 14–16.

17. Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. – McGraw-Hill, Inc., 1988. – 930 p.

18. Catalog der “Automibil Revue”. – Berne, 2018. 698 p.

19. Сонкин В.И. Аэродинамика впускных каналов: винтовые каналы. Часть 2 // Труды НАМИ. – 2016. № 4 (267). – С. 85–96.

20. 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.

21. 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.

22. Lecointe B., Monnier G. Downsizing a Gasoline Engine Using Turbocharging with Direct Injection // SAE Technical Paper. – 2003. – № 2003-01-0542. – P. 1–12.

23. Ranini A., Monnier G. Turbocharging a Gasoline Direct Injection Engine // SAE Technical Paper. – 2001. № 2001-01-0736. – P. 3–11.

24. Сонкин В.И. Регулируемый клапанный привод автомобильного двигателя. – М.: Машиностроение, 2015. – 124 с.

25. 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.

26. 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.

27. Schutting E., Hirschl G., Danninger A. Thermodynamics of the BMW Three-Cylinder Engine // MTZ. – 2013. – Vol. 74. – № 05. – P. 4–9.

28. 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.

29. 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.

30. Dingelstadt R., Wieske P., Eilemann A., Stehlig J. Refrigerant-based Charge Air Subcooling // MTZ. 2015. – Vol. 76. – № 10. – P. 36–40.

31. 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.

32. Roth D., Keller P., Sisson J. Valve-Event Modulated Boost System // SAE Technical Paper. – 2010. – № 201001-1222. – P. 1–16.