Почему на руднике на высоте 4000 м дизель без турбины теряет треть мощности, а с турбиной почти ничего? Поднимай самосвал в горы, отключай интеркулер, забивай фильтр и следи за плотностью воздуха и дымом.
Мощность дизеля ограничена воздухом: топлива можно впрыснуть сколько угодно, но сгорит только столько, сколько хватит кислорода. На одном валу сидят два колеса. Турбина стоит в потоке горячих выхлопных газов и раскручивается до десятков тысяч оборотов в минуту, а компрессор на другом конце вала сжимает свежий воздух. При сжатии воздух нагревается, поэтому за компрессором ставят интеркулер, радиатор для воздуха. В горах наддув особенно важен: на высоте 4000 м воздух на треть реже, и без турбины двигатель потерял бы треть мощности.
Сначала считаем, насколько реже воздух на высоте, потом как компрессор его сжимает и греет, и наконец, хватает ли его на топливо. Числа под формулами берутся из опыта.
Насколько реже воздух в горах?
Это уравнение состояния газа (см. газовые законы). С высотой падает давление, и хотя температура тоже падает, давление падает быстрее. На 4000 м давление 0,62 бар, мороз около −11 °C, и плотность на треть меньше, чем у моря.
Насколько компрессор сжимает и греет воздух?
πк = p2 / p1: во сколько раз выросло давление. При быстром сжатии воздух греется, а неидеальный компрессор греет его еще сильнее. Чем выше πк, тем горячее воздух и тем нужнее интеркулер.
Хватит ли воздуха на топливо?
Чтобы сжечь 1 кг дизельного топлива полностью, нужно 14,5 кг воздуха. Если воздуха столько и есть, α = 1. Дизелю нужен запас, потому что топливо и воздух перемешиваются не идеально: при α ниже 1,5 появляется сажа.
Двигателю нужно определенное давление во впуске, например 3,2 бар. У моря компрессор получает воздух при 1 бар и сжимает его в 3,3 раза. На 4000 м на входе уже 0,6 бар, и сжать нужно в 5,5 раза. Для этого колесо должно крутиться заметно быстрее.
У каждой турбины есть предел оборотов: дальше лопатки разорвет центробежная сила или компрессор начнет «помпажить», воздух пойдет рывками назад. Когда предел достигнут, блок управления уменьшает подачу топлива, чтобы α не упал ниже 1,5. Двигатель не дымит, но и полной мощности не дает. Это и есть снижение мощности по высоте, которое производитель указывает в паспорте.
Для высокогорных рудников ставят турбокомпрессоры с другим колесом или двухступенчатый наддув: два компрессора друг за другом. Тогда паспортная мощность сохраняется до 3500–4500 м. Дальше помогает только снижение нагрузки.
При покупке самосвалов для высокогорья заказывают исполнение для высоты: другую турбину, топливную карту и систему охлаждения. Иначе на 4000 м машина потеряет до 10–30 % мощности.
Забитый фильтр снижает давление перед компрессором, и турбине приходится крутиться еще быстрее. Датчик разрежения за фильтром подсказывает, когда фильтр пора менять, а не просто по часам.
Треснувший патрубок или ослабленный хомут после интеркулера дает падение давления наддува. Признаки: черный дым, высокая температура выпуска, потеря тяги. Проверяют опрессовкой тракта.
Когда воздуха мало, газы перед турбиной горячее. Датчики температуры выпуска в каждом ряду цилиндров защищают турбину и поршни: выше 650–700 °C двигатель сам снижает мощность.
Турбина крутится на 30–60 тысячах оборотов и раскалена. Если сразу заглушить двигатель, масло в подшипниках закоксуется. Поэтому перед остановкой дают поработать на холостом ходу 3–5 минут.
Вал турбины плавает на масляной пленке. Абразив в масле или задержка подачи масла при пуске за несколько минут портит подшипники. Люфт вала проверяют на каждом серьезном ТО.
Двигатель класса QSK60 на номинальном режиме, 1900 об/мин, нужная подача топлива постоянна. Атмосфера стандартная, без учета погоды. Компрессор с постоянным КПД 0,78, интеркулер снимает 85 % нагрева, наполнение цилиндров постоянное. Предел турбины задан как наибольшая работа сжатия: обычная турбина у моря дает πк до 3,6, высокогорная до 5,4. Мощность считается по сгоревшему топливу, при α ниже 1,6 часть топлива не догорает. Насколько двигатель теряет мощность в реальности, решает производитель: его допустимые кривые обычно осторожнее, с запасом по температуре выпуска и оборотам турбины. Атмосферный дизель показан для сравнения, у него и у моря мощность втрое меньше.