Я часто слышу вопрос: зачем крепить к турбодизелю ещё один турбонагнетатель, связанный через редуктор с коленвалом? Ответ скрыт в балансе энергии, покидающей цилиндры вместе с газами температурой свыше 650 °C.
Принцип отбора энергии
Классический турбонаддув задействует турбину с сопловым аппаратом, вращая компрессор. Газовый поток после колеса турбины сохраняет внушительный энтальпийный градиент. Турбокомпаунд берёт в работу остаточную эксергию. Кулачковая либо планетарная редукция снижает обороты до комфортных для коленвала значений, удерживая КПД трансмиссии на уровне 97 %.
В отличие от системы double-stage, турбокомпаунд не поднимает давление наддува, он возвращает в коленвал чистую механическую мощность. Выхлоп при этом не сталкивается с чрезмерным противодавлением, поскольку турбина турбокомпаунда работает в расширенной зоне статического давления.
Термодинамический выигрыш
Надбавка к крутящему моменту достигает 6–10 %. Удельный расход топлива падает на 3–5 % без изменения геометрии поршневой группы. Число удельной эксергии гравитации (Eₑ/Eₘ) сдвигается на 0,8–1,2 кДж/г благодаря утилизации теплоты.
При расчёте теплового баланса я учитываю необратимые потери в выпускном тракте: вязкостные, турбулентные, акустические. В классической схеме такие джоули улетают в атмосферу. Турбокомпаунд переводит часть потока в полезную работу, снижая долю энтропийных потерь. В дизеле Euro VI рекуперация поддерживает температуру выхлопа выше 260 °C, улучшая дожигание сажевых частиц в ловушке DOC+DPF без лишних порций топлива.
Тонкая инженерная настройка
Главная сложность прямоучится в согласовании жёсткости муфты свободного хода с собственными колебаниями коленвала. Чрезмерно жёсткая передача ведёт к биению, а избыточно мягкая съедает КПД. Я выбираю срединное значение, опираясь на карту скорости изменения момента (dm/dt) на разных режимах.
Дополнительная турбина вызывает повышение температурного фона подкапотного пространства, поэтому компоновка включается в цифровой двойник силового агрегата ещё на этапе CAD. Расчёт тепловых потоков сопрягается с опровержением кавитационного износа за счёт оптимизации контура охлаждения корпуса турбины.
Рассмотрим редкий приём — применение дифференциального редуктора с эпициклической ступенью. Такой узел одновременно смягчает пульсации крутящего момента и даёт возможность отключать турбокомпаунд посредством тормозной ленты при малой нагрузке. Вдобавок устраняется потребность во фрикционной муфте.
На практике выгода выходит за пределы экономии солярки. Жаровая волна покидает тракт с меньшей энтальпией, снижая термическую нагрузку на клапаны, седла и крыльчатку основного турбоагрегата. Срок службы мотора до капитального ремонта растёт.
Ещё одно часто упускаемое следствие — тише проходит выпускной такт. Дополнительная ступень глушит удар фронта давления, поэтому шум дизеля на холостом ходе снижается почти на 2 дБА, а вибрация на рулевой колонке — на 4 %.
Турбокомпаунд превращает ранее бесполезный жар в тягу, укрепляя позиции высокооборотного дизеля без штрафа по экологическим нормативам.
