Проблемы бензинового двигателя с высоким наддувом: турбо лаг. Часть 2

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. Сонкин В.И. Проблемы бензинового двигателя с высоким наддувом: турбо лаг. Часть 1 // Труды НАМИ. – 2019. – № 4 (279). – С. 70–81.

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

3. Sherman D. BorgWarner’s dual-volute turbocharger enables first-ever 4-cylinder power for GM fullsize pickups // Information SAE 2018-09-10. – Р. 1–4.

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

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

6. Ito N., Ohta T., Kono R., Arikawa S., Matsumoto T. Development of a 4-Cylinder Gasoline Engine with a Variable Flow Turbo-charger // SAE Technical Paper. 2007. – № 2007-01-0263. – Р. 1–12.

7. Ханин Н.С., Озимов П.Л. Исследование способов количественного регулирования турбин автомобильных турбокомпрессоров // Труды НАМИ. – 1971. Вып. 127. – С. 3–23.

8. Wurms R., Jung M., Adam S., Dengler S., Heiduk T., Eiser A. Innovative Technologies in Current and Future TFSI Engines from Audi / 20th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology. – 2011.

9. Bassett M., Hall J., Cains T., Underwood M., Wall R., Richards B. Dynamic Downsizing Gasoline Demonstrator // SAE Int. J. Engines. – 10(3):2017. – Р. 1–9. – DOI:10.4271/2017-01-0646.

10. Amann M., Ouwenga D. Engine Parameter Optimization for Improved Engine and Drive Cycle Efficiency for Boosted, GDI Engines with Different Boosting System Architecture // SAE Technical Paper. 2014. – № 2014-01-1204. – Р. 1–10.

11. McBroom S., Smithson R.A., Urista R., Chadwell C. Effects of Variable Speed Supercharging Using a Continuously Variable Planetary on Fuel Economy and Low Speed Torque // SAE Technical Paper. – 2012. № 2012-01-1737. – Р. 1717–1728.

12. Wade R., Murphy S., Cross P., Hansen C. A Variable Displacement Supercharger Performance Evaluation // SAE Technical Paper. – 2017. – № 2017-01-0640. Р. 1–12.

13. Аболтин Э.В., Ванин В.К. Современные направления развития систем наддува автомобильных двигателей // Труды НАМИ. – 2013. – Вып. 253. – C. 70–84.

14. Lumsden G., Nijeweme D.O., Fraser N., Blaxill H. Development of a Turbocharged Direct Injection Downsizing Demonstrator Engine // SAE Technical Paper. 2009. – № 2009-01-1503. – Р. 1–13.

15. Fraser N., Blaxill H., Lumsden G., Bassett M. Challenges for Increased Efficiency through Gasoline Engine Downsizing // SAE Technical Paper. – 2009. – № 200901-1053. – P. 1–18.

16. Millo F., Mallamo F. The Potential of Dual Stage Turbocharging and Miller Cycle for HD Diesel Engines // SAE Technical Paper. – 2005. – № 2005-01-0221. Р. 1–12.

17. Wetzel P.W., Trudeau J.P. New Supercharger for Downsized Engines // MTZ. – 2013. – № 02. – Vol. 74. Р. 12–16.

18. Linsel J., Wanner S. Two-stage Supercharging with a Scroll-type Supercharger and an Exhaust Gas Turbocharger // MTZ. – 2015. – № 11. – Vol. 76. – Р. 18–23.

19. 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.

20. Turner J., Popplewell A., Marshall D., Johnson T., Barker L., King J., Martin J., Lewis A.G.J., Akehurst S., Brace C.J., Copeland C.D. SuperGen on Ultraboost: Variable-Speed Centrifugal Supercharging as an Enabling Technology for Extreme Engine Downsizing // SAE Technical Paper. – 2015. – № 2015-01-1282. – Р. 1602–1615.

21. Boretti A. Super-Turbocharging the Gasoline Engine // SAE Technical Paper. – 2018. – № 2018-280007. – Р. 1–9.

22. Gödeke H., Prevedel K. Hybrid Turbocharger with Innovative Electric Motor // MTZ. – 2014. – Vol. 75. № 03. – Р. 26–31.

23. King J., Fraser A., Morris G., Durrieu D. Electrification of a Downsized Boosted Gasoline Engine // MTZ. – 2012. – Vol. 73. – № 07. – Р. 12–18.

24. Bassett M., Vogler C., Hall J., Taylor J., Cooper A., Reader S., Gray K., Wall R. Analysis of the Hardware Requirements for a Heavily Downsized Gasoline Engine Capable of Whole Map Lambda 1 Operation // SAE Technical Paper. – 2018. – № 2018-01-0975. – Р. 1–10.

25. Birch S. Audi claims first production e-boosting on 2017 SQ7 // Article Automotive Engineering, 06-Mar2016.

26. Fleiss M., Almkvist G., Burenius R., Björkholtz J. The Pneumatic Turbocharger Support System PowerPulse // MTZ. – 2016. – Vol. 76. – № 06. – Р. 10–15.

27. Азаров В.К., Кутенёв В.Ф., Сонкин В.И. Существует ли альтернатива дорогому электромобилю по выбросу вредных веществ и парниковых газов? // Журнал автомобильных инженеров. – 2013. – № 5 (82). – С. 10–14.

28. Cieslar D., Collings N., Dickinson P., Glover K., Darlington A. A Novel System for Reducing TurboLag by Injection of Compressed Gas into the Exhaust Manifold // SAE Technical Paper. – 2013. – № 2013-011310. – Р. 1–8.