3.2. Електронні системи газообміну – есго
Мікропроцесорне керування параметрами газообміну є також важливим для оптимізації показників двигуна як і керування параметрами паливоподачі й набуло широкого поширення. Впливаючи на процес газообміну можна:
здійснити керування потужністю двигуна;
підвищити граничні значення потужності двигуна;
поліпшити економічні і екологічні показники двигуна;
підвищити ефективність гальмування автомобіля.
Найчастіше для автоматизації керування потужністю в двигунах з іскровим запаленням використовують дросельні заслінки з електромеханічним або електропневматичним приводом. Управляти потужністю двигунів можна також, міняючи величину ходу впускних клапанів або відключаючи наповнення (і подачу палива) в окремих циліндрах. Останні два способи дозволяють одночасно поліпшити економічні, а іноді, і екологічні показники двигуна.
Ефективним способом підвищення потужності двигунів є використання наддуву. Підвищити граничні потужністні показники двигуна і впливати на формування його швидкісних характеристик можна керуючи фазами газорозподілу, законами підйому клапанів і газодинамічними процесами у впускних і випускних трубопроводах. Всі ці способи знаходять застосування в сучасних автомобілях.
У двигунах з іскровим запаленням для спрямованої дії на процес згорання керують інтенсивністю і напрямом вихрового руху заряду, який виникає в процесі впускання. Це керування здійснюють за допомогою поворотних заслінок, які розміщують в каналах перед впускними клапанами. Впливати на інтенсивність руху заряду в циліндрі можна і, керуючи підйомом впускних клапанів. Дроселювання свіжого заряду зміною підйому клапанів, крім того, дозволяє понизити втрати на газообмін і, отже, додатково підвищити паливну економічність двигуна. Для зменшення токсичних викидів, перш за все оксидів азоту, як в дизелях, так і в двигунах з іскровим запаленням використовують рециркуляцію відпрацьованих газів (ВГ), тобто добавку до свіжого заряду певної кількості відпрацьованих газів.
Поліпшити гальмівні якості автомобіля можна збільшуючи опір випуску відпрацьованих газів. Це можна зробити за допомогою дросельної заслінки, встановленій у випускній системі або змінюючи підйом випускного клапана.
Розглянемо детальніше деякі системи керування газообміном.
3.2.1. Електронні системи наддуву
Система турбонаддуву вирішальним чином впливає на характеристики двигунів, особливо високофорсованих. Поліпшення наповнення циліндрів при турбонаддуві обмежене інерційністю і низькою ефективністю турбокомпресорів на низьких частотах обертання двигунів. Підвищення ефективності турбокомпресора на низьких частотах обертання за рахунок зміни конструкції і поліпшення його параметрів неминуче приводить до зайвого тиску наддуву при повній потужності, з можливою появою помпажу. Тому для подолання недоліків некерованих систем наддуву останнім часом все ширше стали застосовуватися керовані системи.
У системах з приводними об'ємними нагнітачами типу Рут застосовують керування через муфту в приводі, що включається після досягнення частоти обертання, з якою ефективність нагнітача стає достатньо високою. Це релейне, в найраціональнішому варіанті – електронне керування.
Керування турбокомпресором поворотом лопаток турбіни на частотах її обертання близько 70 000 об/хв нікому ще не вдалося довести до широкого застосування.
Відомі декілька варіантів керування турбокомпресором:
зміна геометрії нерухомого соплового апарату турбіни (або прохідного перетину на вході в турбіну), наприклад, за рахунок повороту лопаток, напрямних, або переміщення нерухомого кільця вздовж напрямних лопаток;
передача надмірної потужності турбіни при великих навантаженнях двигуна на колінчастий вал (так звані комбіновані двигуни);
наявність двох турбін, одна з яких приводить компресор, а інша – в необхідних випадках, може з'єднатися з колінчастим валом. Але всі ці системи керованого наддуву дуже складні і малонадійні.
Простіші системи керування за рахунок перепускання газів мимо турбіни, яка показана далі на схемі з комплексним використанням електронних систем на двигуні (рис. 3.24).
B системі використано виконавчий електропневматичний клапан, що складається з керуючого електромагнітного клапана і пневматичного мембранного приводу, з тарілчастим клапаном в обхідному каналі турбіни. Електромагнітний клапан з’єднує робочу камеру пневмоприводу або з атмосферою, або з розрідженням, створюваним вакуумним електронасосом. Якщо електропневматичний клапан закриває обхідний канал, то всі гази йдуть через турбіну і їх енергія максимально використовується для наддуву двигуна. У міру відкриття клапана все більша частина відпрацьованих газів проходить мимо турбіни. Частота обертання турбокомпресора, а, отже, і тиск наддувного повітря, що створюється турбокомпресором, залежать від положення перепускного клапана.
Очевидно, що для виключення зайвого тиску наддуву і небезпеки помпажу на режимах великих навантажень двигуна енергія відпрацьованих газів, перепущених через обхідний канал турбіни, повністю втрачається. Росте при цьому і температура газів на виході з двигуна. Це істотний недолік перепускних електронних систем керування турбокомпресора.
З'явилися повідомлення про застосування у високофорсованих двигунах раціональнішої системи керування турбокомпресором за рахунок використання безпосередньо в турбокомпресорі вбудованої електричної машини. Зручно називати такий агрегат електротурбокомпресором. Схема електронної системи наддуву двигуна з електротурбокомпресором показана на рис. 3.23.
Рис. 3.23. Схема електронної системи наддуву двигуна з електротурбокомпресором
Здвоєні потовщені лінії – зв'язки механічні; здвоєні тонкі – газові; одиночні потовщені – електричні; одиночні тонкі – інформаційні.
Нова система турбонаддуву в простому варіанті використовує вбудовану в турбокомпресор електричну машину, частіше всього змінного струму, як електродвигун, що живиться для керування частотою обертання від інвертора, який створює змінний електричний струм регульованих частоти і напруги. Інвертор живиться від генератора, пов'язаного безпосередньо з колінчастим валом двигуна і/або від акумуляторної батареї автомобіля.
У процесах пуску, розгону, вільного ходу і малих навантаженнях електродвигун, створюючи додатковий крутний момент, на валу турбокомпресора, розганяє його до досягнення оптимального по витраті палива двигуном тиску наддуву. На режимах максимальної потужності додатковий крутний момент від електродвигуна не потрібний, і він може бути відключений від електричної мережі (разом з інвертором).
Очевидно, що для використання такого варіанту електротурбокомпресора необхідно, щоб генератор двигуна мав потужність, достатню для роботи електродвигуна. При цьому слід враховувати, що максимальна потужність від електродвигуна потрібна короткочасно на перехідних режимах. Вона може бути одержана від генератора і акумуляторної батареї включених паралельно. Крім того, в результаті додаткового електроприводу підвищується тиск наддуву і витрата повітря двигуном. А відповідно, і потужність, що розвивається турбіною. Тому необхідна добавка електричної потужності складає тільки близько половини від потрібної для бажаного розкручування ротора турбокомпресора. Тривало необхідна потужність електродвигуна складає 0,9 – 1,5 % від потужності двигуна. Відповідно на цю величину потрібно збільшити і потужність генератора (або встановити на двигун додатковий генератор).
Описаний варіант застосування електротурбокомпресора передбачає вибір його параметрів з умов досягнення оптимального тиску наддуву при повному навантаженні двигуна, тобто при неповному використанні енергії відпрацьованих газів. Раціональніший варіант, в якому на всіх режимах роботи двигуна максимально використовується ця енергія. Для цього електродвигун турбокомпресора повинен бути воротним і при великих навантаженнях двигуна, коли потужність турбіни більше необхідної для створення оптимального тиску наддуву, він переводиться в режим генератора. Цей генератор через оборотний інвертор передає електричну енергію воротному в електродвигун генератору двигуна. Мікроконтролер, регулюючи потужність, що відбирається воротним електродвигуном турбокомпресора і передається в мережу автомобіля, акумуляторну батарею і понад це через воротний генератор – на вал двигуна, знижує частоту обертання турбокомпресора до рівня, що забезпечує оптимальний наддув.
Відзначимо, що така система турбонаддуву дає додаткові чинники на користь створення об'єднаної електричної машини двигуна, що суміщає функції стартера, генератора і двигуна. Це може дозволити удосконалити конструкцію двигуна і електричну систему автомобіля.
Для двигунів транспортних засобів з електричними передачами, включаючи гібридні електромобілі, ще доцільніший оборотний електродвигун турбокомпресора. Надмірна потужність турбіни, що перевищує необхідну для забезпечення оптимального тиску наддуву, може безпосередньо додаватися до потужності головного генератора, що приводиться двигуном.
Ефективність системи наддуву з електротурбокомпресором визначається перевищенням зростання потужності двигуна в результаті збільшення індикаторного КПД при оптимізації наддуву над витратами енергії на додатковий електропривід компресора. Відбирана від генератора турбіни електрична потужність, безумовно, покращує це співвідношення, але головне в новій системі наддуву – зниження витрати палива двигуном на всіх режимах його роботи.
Для двигунів кар'єрних самоскидів особливо великої вантажопідйомності при використанні тільки режиму двигуна двигун-генератора зниження питомої витрати палива в порівнянні з нерегульованим вільним турбокомпресором склало 1,5–5,7 г/кВтгод. При використанні як режиму двигуна, так і генераторного режимів двигун-генератора – 2,5–7,3 г/кВтгод. Зниження середньоексплуатаційних витрат палива склало відповідно 3,2 і 5 г/кВтгод. Час виходу двигуна з вільного ходу на номінальну частоту обертання і повну потужність при використанні двигун-генератора в турбокомпресорі скорочується на 30 – 35 %.