Введение
Термин турбодизель, также записанный как турбодизель и турбодизель, относится к любому дизельному двигателю, оснащенному турбонагнетателем. Как и в случае с другими типами двигателей, турбонаддув дизельного двигателя может значительно повысить его эффективность и мощность, особенно при использовании в сочетании с интеркулером. Турбонаддув дизельных двигателей начался в 1920-х годах с больших морских и стационарных двигателей. Грузовики с турбодизельными двигателями стали доступны в середине 1950-х годов, за ними последовали легковые автомобили в конце 1970-х годов. С 1990-х годов коэффициент сжатия турбодизельных двигателей снижается.
The term turbo diesel, also written as turbodiesel and turbo diesel, refers to any diesel engine equipped with a turbocharger. As with other engine types, turbocharging a diesel engine can significantly increase its efficiency and power output, especially when used in combination with an intercooler. Turbocharging of diesel engines began in the 1920s with large marine and stationary engines. Trucks became available with turbo diesel engines in the mid 1950s, followed by passenger cars in the late 1970s. Since the 1990s, the compression ratio of turbo diesel engines has been dropping.
История
Турбокомпрессор был изобретен в начале 20-го века Альфредом Бюхи, швейцарским инженером и руководителем исследований дизельных двигателей в компании Gebrüder Sulzer. Первоначально турбокомпрессор предназначался для использования в дизельных двигателях, поскольку в патенте Бючи 1905 года отмечалось повышение эффективности, которое турбокомпрессор мог бы принести дизельным двигателям. Однако первые серийные турбонаддувные двигатели были изготовлены только в 1925 году, 10-цилиндровые турбодизельные морские двигатели, используемые немецкими пассажирскими кораблями Preussen и немецким шахтёром Hansestadt Danzig. В 1925 году Бюхи изобрел последовательное турбонаддув, что, по словам Гельмута Пучера (2012), знаменует собой начало современной технологии турбонаддувов. К концу 1920-х годов несколько производителей производили большие турбодизели для морского и стационарного использования, такие как Sulzer Bros., MAN, Daimler Benz и Paxman. Последующие усовершенствования в технологии сделали возможным использование турбокомпрессоров на небольших двигателях, которые работали на более высоких скоростях двигателя, поэтому турбодизельные локомотивы начали появляться в конце 1940-х годов. В 1951 году MAN построил прототип двигателя K6V 30/45 м. H. A., мощностью 1 МВт, который имел, для своего времени, исключительно низкий расход топлива всего в 0,7%, что эквивалентно эффективности 45,7%. Это стало возможным благодаря передовой конструкции турбокомпрессора, состоящего из пятиступенчатого осевого компрессора в сочетании с девятиступенчатым радиальным компрессором и интеркулером. Использование турбодизельных двигателей в дорожных транспортных средствах началось с грузовиков в начале 1950-х годов. Прототип грузовика MAN MK26 был представлен в 1951 году, а затем в 1954 году была выпущена серийная модель MAN 750TL1 с турбодизелем. В 1954 году был представлен грузовик Volvo Titan Turbo. К концу 1960-х годов спрос на все более мощные грузовые двигатели привел к появлению турбодизелей, производимых компаниями Cummins, Detroit Diesel, Scania AB и Caterpillar Inc. В 1952 году Cummins Diesel Special стал первым автомобилем с турбонаддувом, участвовавшим в гонке Indianapolis 500 и занявшим поул-позицию. В 1960-х и 1970-х годах несколько компаний проводили исследования по созданию небольших турбодизельных двигателей для легковых автомобилей. Rover построил прототип 2.5 L четырехцилиндрового турбодизельного двигателя в 1963 году, а Mercedes Benz использовал пятицилиндровый турбодизельный двигатель с интеркулированием в экспериментальном автомобиле Mercedes Benz C111 IID 1976 года. Первым турбодизельным автомобилем был седан Mercedes Benz 300SD (W116), который продавался в Соединенных Штатах с середины 1978 года и оснащался пятицилиндровым двигателем OM617. Год спустя Peugeot 604 D Turbo стал первым дизельным автомобилем с турбонаддувом, проданным в Европе. Автомобили с турбодизелем начали широко производиться и продаваться в Европе в конце 1980-х и начале 1990-х годов, тенденция, которая продолжается и по сей день. С 1990-х годов коэффициент сжатия турбодизельных двигателей снижается из-за лучшей удельной мощности и лучшего поведения выхлопных газов турбонаддувных двигателей с более низким коэффициентом сжатия. Двигатели с косвенным впрыском, используемые для коэффициентов сжатия 18,5 или более. После внедрения двигателей общего рельсового состава в конце 1990-х годов коэффициенты сжатия снизились до диапазона от 16,5 до 18,5. Некоторые дизельные двигатели, построенные с 2016 года в соответствии с нормами выхлопных газов Euro 6, имеют коэффициент сжатия 14,0.
Research into smaller turbo diesel engines for passenger cars was undertaken by several companies through the 1960s and 1970s. Rover built a prototype 2.5 L four cylinder turbo diesel in 1963, and Mercedes Benz used a five cylinder intercooled turbo diesel engine in the 1976 Mercedes Benz C111 IID experimental vehicle. The first turbo diesel production car was the Mercedes Benz 300SD (W116) saloon, which was sold in the United States from mid 1978 and powered by the OM617 five cylinder engine. A year later, the Peugeot 604 D Turbo became the first turbo diesel car to be sold in Europe. Turbo diesel cars began to be widely built and sold in Europe during the late 1980s and early 1990s, a trend that has continued to the present day. Since the 1990s, the compression ratio of turbo diesel engines has been dropping, due to better specific power and better exhaust emission behaviour of turbocharged engines with a lower compression ratio. Indirect injected engines used to have compression ratios of 18.5 or higher. Following the introduction of common rail engines in the late 1990s, compression ratios decreased to the range of 16.5 to 18.5. Some diesel engines built since 2016 to comply with the Euro 6 exhaust emissions regulations have a compression ratio of 14.0.
Характеристики
Турбонаддув может значительно увеличить мощность дизельного двигателя, приблизив соотношение пиковой мощности к весу к соотношению эквивалентного бензинового двигателя. Улучшение мощности, экономии топлива, а также шума, вибрации и резкости как малого, так и большого объема турбодизелей за последнее десятилетие способствовало их широкому распространению на некоторых рынках, особенно в Европе, где они (на 2014 год) составляют более 50% новых регистраций автомобилей. Турбодизельные двигатели обычно считаются более гибкими для автомобильных применений, чем дизельные двигатели с естественной аспирацией. Турбодизели могут быть спроектированы так, чтобы иметь более приемлемое распределение крутящего момента в диапазоне скоростей, или, если они построены для коммерческого использования, могут быть спроектированы для улучшения выходной крутящего момента при заданной скорости в зависимости от конкретного использования. Дизельные двигатели с естественной аспирацией почти без исключения имеют меньшую мощность, чем бензиновые двигатели той же мощности, в то же время требуя более прочных (и, следовательно, более тяжелых) внутренних компонентов, таких как поршни и коленчатый вал, чтобы выдержать большие нагрузки из-за гораздо более высокого коэффициента сжатия дизельного двигателя. Эти факторы приводят к тому, что дизельные двигатели с естественной аспирацией имеют плохое соотношение мощности и веса. Турбокомпрессорные агрегаты имеют очень небольшой вес, но могут значительно повысить мощность, крутящий момент и эффективность. Встроенный турбокомпрессор может привести соотношение мощности и веса дизельного двигателя до того же уровня, что и эквивалентный бензиновый агрегат, что делает турбодизели желательными для автомобильного использования, где производители стремятся к сопоставимым выходам мощности и управляемости качества по всей их диапазоне, независимо от типа выбранного силового агрегата.