Turbina s spremenljivo geometrijo: princip delovanja, naprava, popravilo

2024 Avtor: Erin Ralphs | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-02-19 18:23

Z razvojem ICE turbin poskušajo proizvajalci izboljšati njihovo skladnost z motorji in učinkovitostjo. Tehnično najbolj napredna serijska rešitev je sprememba geometrije dovoda. Nato se upošteva zasnova turbin s spremenljivo geometrijo, načelo delovanja in značilnosti vzdrževanja.

Splošne funkcije

Obravnavane turbine se od običajnih razlikujejo po sposobnosti prilagajanja načinu delovanja motorja s spreminjanjem razmerja A/R, ki določa pretok. To je geometrijska značilnost ohišja, ki jo predstavlja razmerje med površino prečnega prereza kanala in razdaljo med težiščem tega preseka in osrednjo osjo turbine.

Pomen turbopolnilnikov s spremenljivo geometrijo je posledica dejstva, da se za visoke in nizke hitrosti optimalne vrednosti tega parametra bistveno razlikujejo. Torej, za majhno vrednost A/R, pretokima visoko hitrost, zaradi česar se turbina hitro vrti, vendar je največji pretok nizek. Velike vrednosti tega parametra, nasprotno, določajo velik pretok in nizko hitrost izpušnih plinov.

Posledično pri previsokem A/R turbina ne bo mogla ustvariti tlaka pri nizkih vrtljajih, in če je prenizek, bo zadušila motor na vrhu (zaradi protitlaka v izpušni kolektor, zmogljivost bo padla). Zato je pri turbopolnilnikih s fiksno geometrijo izbrana povprečna vrednost A / R, ki omogoča delovanje v celotnem območju hitrosti, medtem ko princip delovanja turbin s spremenljivo geometrijo temelji na ohranjanju optimalne vrednosti. Zato so takšne možnosti z nizkim pragom povečanja in minimalnim zamikom zelo učinkovite pri visokih hitrostih.

Poleg glavnega imena (turbine s spremenljivo geometrijo (VGT, VTG)) so te različice znane kot modeli s spremenljivo šobo (VNT), spremenljivim rotorjem (VVT), turbinsko šobo s spremenljivo površino (VATN).

Turbino s spremenljivo geometrijo je razvil Garrett. Poleg tega se s izdajo takšnih delov ukvarjajo tudi drugi proizvajalci, vključno z MHI in BorgWarner. Primarni proizvajalec različic drsnih obročev je Cummins Turbo Technologies.

Kljub uporabi turbin s spremenljivo geometrijo predvsem pri dizelskih motorjih, so zelo pogoste in postajajo vse bolj priljubljene. Predvideva se, da bo leta 2020 takih modelov zasedlo več kot 63% svetovnega trga turbin. Širitev uporabe te tehnologije in njen razvoj je predvsem posledica zaostrovanja okoljskih predpisov.

Oblikovanje

Turbinska naprava s spremenljivo geometrijo se od običajnih modelov razlikuje po prisotnosti dodatnega mehanizma v vstopnem delu ohišja turbine. Obstaja več možnosti za njegovo oblikovanje.

Najpogostejša vrsta je drsni obroč za veslo. To napravo predstavlja obroč s številnimi togo pritrjenimi rezili, ki se nahajajo okoli rotorja in se premikajo glede na fiksno ploščo. Drsni mehanizem se uporablja za zožitev/razširitev prehoda za pretok plinov.

Zaradi dejstva, da obroč vesla drsi v aksialni smeri, je ta mehanizem zelo kompakten, minimalno število šibkih točk pa zagotavlja trdnost. Ta možnost je primerna za velike motorje, zato se uporablja predvsem na tovornjakih in avtobusih. Odlikuje ga preprostost, visoka zmogljivost na dnu, zanesljivost.

Druga možnost predvideva tudi prisotnost krilnega obroča. Vendar je v tem primeru togo pritrjen na ravno ploščo, rezila pa so nameščena na zatiče, ki zagotavljajo njihovo vrtenje v aksialni smeri, na drugi strani le-te. Tako se geometrija turbine spreminja s pomočjo lopatic. Ta možnost ima najboljšo učinkovitost.

Vendar je zaradi velikega števila gibljivih delov ta zasnova manj zanesljiva, zlasti pri visokih temperaturah. Označenotežave povzroča trenje kovinskih delov, ki se pri segrevanju razširijo.

Druga možnost je premikajoča se stena. V mnogih pogledih je podobna tehnologiji drsnih obročev, vendar so v tem primeru fiksna rezila nameščena na statično ploščo in ne na drsni obroč.

Turbopolnilnik s spremenljivo površino (DDV) ima rezila, ki se vrtijo okoli mesta namestitve. Za razliko od sheme z vrtljivimi rezili so nameščeni ne vzdolž oboda obroča, ampak v vrsti. Ker ta možnost zahteva zapleten in drag mehanski sistem, so bile razvite poenostavljene različice.

Eden je Aisin Seiki turbopolnilnik s spremenljivim pretokom (VFT). Ohišje turbine je s fiksno lopatico razdeljeno na dva kanala in je opremljeno z loputo, ki razporeja tok med njima. Okoli rotorja je nameščenih še nekaj fiksnih rezil. Zagotavljajo zadrževanje in združitev toka.

Druga možnost, imenovana shema Switchblade, je bližje DDV-ju, vendar se namesto vrste rezil uporablja eno rezilo, ki se prav tako vrti okoli točke namestitve. Obstajata dve vrsti takšne konstrukcije. Eden od njih vključuje namestitev rezila v osrednji del telesa. V drugem primeru je na sredini kanala in ga razdeli na dva predelka, kot veslo VFT.

Za krmiljenje turbine s spremenljivo geometrijo se uporabljajo pogoni: električni, hidravlični, pnevmatski. Turbo polnilnik krmili krmilna enotamotor (ECU, ECU).

Upoštevati je treba, da te turbine ne potrebujejo obvodnega ventila, saj je zaradi natančnega nadzora mogoče na nedekompresiven način upočasniti pretok izpušnih plinov in presežek prepustiti skozi turbino.

Načelo delovanja

Turbine s spremenljivo geometrijo delujejo tako, da ohranjajo optimalni A/R in vrtinčni kot s spreminjanjem površine prečnega prereza dovoda. Temelji na dejstvu, da je hitrost pretoka izpušnih plinov obratno sorazmerna s širino kanala. Zato se na "spodnjih" za hitro promocijo zmanjša prerez vhodnega dela. S povečanjem hitrosti za povečanje pretoka se postopoma širi.

Mehanizem za spreminjanje geometrije

Mehanizem za izvedbo tega procesa je določen z zasnovo. Pri modelih z vrtljivimi lopaticami se to doseže s spreminjanjem njihovega položaja: za zagotovitev ozkega prereza so rezila pravokotna na radialne črte, za razširitev kanala pa gredo v stopničasti položaj.

Turbine z drsnim obročem s premično steno imajo aksialno gibanje obroča, ki spreminja tudi prerez kanala.

Načelo delovanja VFT temelji na ločevanju toka. Njegovo pospeševanje pri nizkih hitrostih se izvaja z zapiranjem zunanjega predela kanala z loputo, zaradi česar plini gredo do rotorja po najkrajši možni poti. Ko se obremenitev poveča, blažilnikdvigne, da omogoči pretok skozi oba ležišča za razširitev zmogljivosti.

Pri modelih DDV in Switchblade se geometrija spremeni z obračanjem rezila: pri nizkih hitrostih se dvigne, zoži prehod za pospešitev pretoka, pri visokih hitrostih pa je poleg turbinskega kolesa in se razširi pretočnost. Turbine s preklopnimi lopaticami tipa 2 imajo obratno delovanje lopatic.

Torej, na "spodnjih" je v bližini rotorja, zaradi česar tok poteka le vzdolž zunanje stene ohišja. Ko se vrtljaji povečajo, se rezilo dvigne in odpre prehod okoli rotorja, da se poveča pretok.

Drive

Med pogoni so najpogostejše pnevmatske možnosti, kjer mehanizem krmili bat, ki premika zrak znotraj cilindra.

Položaj lopatic nadzoruje membranski aktuator, ki je povezan s palico na krmilni obroč lopatice, tako da se lahko grlo nenehno spreminja. Aktuator poganja steblo glede na nivo vakuuma in nasprotuje vzmetu. Vakuumska modulacija krmili električni ventil, ki dovaja linearni tok, odvisno od parametrov vakuuma. Vakuum lahko ustvari vakuumska črpalka za ojačevalnik zavor. Tok se napaja iz baterije in modulira ECU.

Glavna pomanjkljivost takih pogonov je težko predvideti stanje plina po stiskanju, zlasti pri segrevanju. Zato bolj popolnso hidravlični in električni pogoni.

Hidravlični aktuatorji delujejo po enakem principu kot pnevmatski pogoni, vendar se namesto zraka v cilindru uporablja tekočina, ki jo lahko predstavlja motorno olje. Poleg tega se ne stisne, zato ta sistem zagotavlja boljši nadzor.

Magnetni ventil uporablja tlak olja in signal ECU za premikanje obroča. Hidravlični bat premika zobnik in zobnik, ki vrti zobati zobnik, zaradi česar so rezila vrtljivo povezana. Za prenos položaja rezila ECU se analogni senzor položaja premika vzdolž odmika njegovega pogona. Ko je tlak olja nizek, se lopatice odprejo in zaprejo, ko se tlak olja poveča.

Električni pogon je najbolj natančen, saj lahko napetost zagotavlja zelo fino krmiljenje. Vendar pa zahteva dodatno hlajenje, ki ga zagotavljajo cevi za hladilno tekočino (pnevmatske in hidravlične različice uporabljajo tekočino za odvajanje toplote).

Izbirni mehanizem služi za pogon menjalnika geometrije.

Nekateri modeli turbin uporabljajo rotacijski električni pogon z neposrednim koračnim motorjem. V tem primeru položaj rezil nadzira elektronski povratni ventil skozi mehanizem zobnika. Za povratne informacije iz ECU se uporablja odmikač z magnetouporovnim senzorjem, ki je pritrjen na prestavo.

Če je potrebno obrniti rezila, poskrbi ECUdovajanje toka v določenem razponu, da jih premakne v vnaprej določen položaj, potem ko prejme signal od senzorja, izklopi povratni ventil.

Krmilna enota motorja

Iz navedenega sledi, da princip delovanja turbin s spremenljivo geometrijo temelji na optimalni koordinaciji dodatnega mehanizma v skladu z načinom delovanja motorja. Zato je potrebno njegovo natančno pozicioniranje in stalno spremljanje. Zato turbine s spremenljivo geometrijo krmilijo krmilne enote motorja.

Uporabljajo strategije za povečanje produktivnosti ali izboljšanje okoljske učinkovitosti. Obstaja več načel za delovanje BUD.

Najpogostejša od teh vključuje uporabo referenčnih informacij, ki temeljijo na empiričnih podatkih in modelih motorja. V tem primeru krmilnik za naprej izbere vrednosti iz tabele in uporabi povratne informacije za zmanjšanje napak. To je vsestranska tehnologija, ki omogoča različne strategije nadzora.

Njegova glavna pomanjkljivost so omejitve med prehodnimi dogodki (ostro pospeševanje, menjava prestav). Za odpravo tega so bili uporabljeni večparametrični, PD- in PID-krmilniki. Slednji veljajo za najbolj obetavne, vendar niso dovolj natančni v celotnem obsegu obremenitev. To je bilo rešeno z uporabo algoritmov odločanja mehke logike z uporabo MAS.

Obstajata dve tehnologiji za zagotavljanje referenčnih informacij: povprečni model motorja in umetnanevronske mreže. Slednji vključuje dve strategiji. Eden od njih vključuje ohranjanje povečanja na dani ravni, drugi - vzdrževanje negativne razlike tlaka. V drugem primeru je dosežena najboljša okoljska učinkovitost, vendar turbina prehitri.

Malo proizvajalcev razvija ECU-je za turbopolnilnike s spremenljivo geometrijo. Veliko večino jih predstavljajo izdelki avtomobilskih proizvajalcev. Vendar pa je na trgu nekaj vrhunskih ECU drugih proizvajalcev, ki so zasnovani za takšne turbo motorje.

Splošne določbe

Glavni značilnosti turbin sta pretok zračne mase in hitrost pretoka. Vhodno območje je eden od dejavnikov, ki omejujejo zmogljivost. Možnosti spremenljive geometrije vam omogočajo spreminjanje tega območja. Torej je efektivna površina določena z višino prehoda in kotom rezil. Prvi indikator je zamenljiv v različicah z drsnim obročem, drugi - pri turbinah z vrtljivimi lopaticami.

Tako turbopolnilniki s spremenljivo geometrijo nenehno zagotavljajo potrebno povečanje. Posledično motorji, opremljeni z njimi, nimajo zamika, povezanega s časom vrtenja turbine, kot pri običajnih velikih turbopolnilnikih, in se ne dušijo pri visokih hitrostih, kot pri majhnih.

Nazadnje je treba omeniti, da čeprav so turbopolnilniki s spremenljivo geometrijo zasnovani tako, da delujejo brez obvodnega ventila, je bilo ugotovljeno, da zagotavljajo izboljšanje učinkovitosti predvsem pri nizkem koncu in pri visokih vrtljajih pri popolnoma odprtemrezila niso sposobna obvladati velikega masnega pretoka. Zato je za preprečevanje prekomernega protitlaka še vedno priporočljiva uporaba wastegate.

Prednosti in slabosti

Prilagoditev turbine na način delovanja motorja zagotavlja izboljšanje vseh kazalnikov v primerjavi z možnostmi fiksne geometrije:

• boljša odzivnost in zmogljivost v celotnem območju vrtljajev;
• plošča krivulja navora srednjega razreda;
• zmožnost delovanja motorja pri delni obremenitvi na učinkovitejšo mešanico zraka in goriva;
• boljša toplotna učinkovitost;
• preprečevanje prekomernega povečanja pri visokih vrtljajih;
• najboljša okoljska učinkovitost;
• manjša poraba goriva;
• razširjeno območje delovanja turbine.

Glavna pomanjkljivost turbopolnilnikov s spremenljivo geometrijo je njihova precej zapletena zasnova. Zaradi prisotnosti dodatnih gibljivih elementov in pogonov so manj zanesljivi, vzdrževanje in popravilo tovrstnih turbin pa je težje. Poleg tega so modifikacije za bencinske motorje zelo drage (približno 3-krat dražje od običajnih). Končno je te turbine težko kombinirati z motorji, ki niso zasnovani zanje.

Opozoriti je treba, da so turbine s spremenljivo geometrijo v smislu največje zmogljivosti pogosto slabše od svojih običajnih kolegov. To je posledica izgub v ohišju in okoli nosilcev gibljivih elementov. Poleg tega največja zmogljivost močno pade, ko se odmaknete od optimalnega položaja. Vendar pa generalUčinkovitost turbopolnilnikov te zasnove je višja kot pri različicah s fiksno geometrijo zaradi večjega območja delovanja.

Aplikacija in dodatne funkcije

Obseg turbin s spremenljivo geometrijo je določen z njihovim tipom. Na primer, motorji z vrtljivimi lopaticami so nameščeni na motorje avtomobilov in lahkih gospodarskih vozil, modifikacije z drsnim obročem pa se uporabljajo predvsem na tovornjakih.

Na splošno se pri dizelskih motorjih najpogosteje uporabljajo turbine s spremenljivo geometrijo. To je posledica nizke temperature njihovih izpušnih plinov.

Pri potniških dizelskih motorjih ti turbopolnilniki služijo predvsem za kompenzacijo izgube zmogljivosti zaradi sistema za recirkulacijo izpušnih plinov.

Pri tovornjakih lahko turbine same izboljšajo okoljsko učinkovitost z nadzorom količine izpušnih plinov, ki krožijo v sesalni sistem motorja. Tako je z uporabo turbopolnilnikov spremenljive geometrije mogoče povečati tlak v izpušnem kolektorju na vrednost, ki je večja kot v sesalni cevi, da se pospeši recirkulacija. Čeprav je prevelik protitlak škodljiv za učinkovitost porabe goriva, pomaga zmanjšati emisije dušikovih oksidov.

Poleg tega je mogoče mehanizem spremeniti za zmanjšanje učinkovitosti turbine v danem položaju. To se uporablja za zvišanje temperature izpušnih plinov, da se filter za delce očisti z oksidacijo zagozdenih ogljikovih delcev s segrevanjem.

Podatkifunkcije zahtevajo hidravlični ali električni pogon.

Opomene prednosti turbin s spremenljivo geometrijo pred običajnimi so najboljša možnost za športne motorje. Vendar pa so pri bencinskih motorjih izjemno redki. Znanih je le nekaj športnih avtomobilov, opremljenih z njimi (trenutno Porsche 718, 911 Turbo in Suzuki Swift Sport). Po mnenju enega vodje BorgWarnerja je to posledica zelo visokih stroškov proizvodnje takšnih turbin, zaradi potrebe po uporabi specializiranih toplotno odpornih materialov za interakcijo z visokotemperaturnimi izpušnimi plini bencinskih motorjev (dizelski izpušni plini imajo veliko nižje temperature, zato so turbine zanje cenejše).

Prvi VGT, uporabljeni pri bencinskih motorjih, so bili izdelani iz običajnih materialov, zato je bilo treba uporabiti kompleksne hladilne sisteme, da bi zagotovili sprejemljivo življenjsko dobo. Tako je bila pri Hondi Legend iz leta 1988 takšna turbina kombinirana z vodno hlajenim hladilnikom polnilnega zraka. Poleg tega ima ta tip motorja širše območje pretoka izpušnih plinov, zato zahteva sposobnost obvladovanja večjega obsega masnega pretoka.

Proizvajalci dosegajo zahtevane ravni zmogljivosti, odzivnosti, učinkovitosti in okolju prijaznosti na stroškovno najbolj učinkovit način. Izjema so posamezni primeri, ko končni stroški niso prednostni. V tem kontekstu je to na primer doseganje rekordne zmogljivosti na Koenigsegg One: 1 ali prilagoditev Porscheja 911 Turbo civilnemuoperacija.

Na splošno je velika večina avtomobilov s turbopolnilnikom opremljenih z običajnimi turbopolnilniki. Za visoko zmogljive športne motorje se pogosto uporabljajo možnosti z dvojnim pomikom. Čeprav so ti turbopolnilniki slabši od VGT, ponujajo enake prednosti pred običajnimi turbinami, le v manjši meri, a imajo skoraj enako preprosto zasnovo kot slednje. Kar zadeva uglaševanje, je uporaba turbopolnilnikov s spremenljivo geometrijo poleg visokih stroškov omejena tudi s kompleksnostjo njihove nastavitve.

Za bencinske motorje je študija H. Ishihara, K. Adachi in S. Kono razvrstila turbino s spremenljivim pretokom (VFT) kot najbolj optimalno VGT. Zahvaljujoč samo enemu gibljivemu elementu se zmanjšajo proizvodni stroški in poveča toplotna stabilnost. Poleg tega taka turbina deluje v skladu s preprostim algoritmom ECU, podobno kot možnosti s fiksno geometrijo, opremljene z obvodnim ventilom. Še posebej dobri rezultati so bili doseženi, če je taka turbina kombinirana z iVTEC. Vendar pa pri sistemih s prisilno indukcijo opazimo povečanje temperature izpušnih plinov za 50-100 °C, kar vpliva na okoljsko učinkovitost. Ta problem je bil rešen z uporabo vodno hlajenega aluminijastega razdelilnika.

BorgWarnerjeva rešitev za bencinske motorje je bila združiti tehnologijo twin scroll in zasnovo spremenljive geometrije v turbino s spremenljivo geometrijo z dvojnim pomikom, ki je bila predstavljena na SEMA 2015. Njenaenak dizajn kot dvojna spiralna turbina, ta turbopolnilnik ima dvojni dovod in dvojno monolitno turbinsko kolo ter je kombiniran z dvojnim vrtljivim razdelilnikom, zaporedje za odpravo pulziranja izpušnih plinov za gostejši pretok.

Razlika je v prisotnosti lopute v vstopnem delu, ki glede na obremenitev razporeja tok med rotorje. Pri nizkih vrtljajih gredo vsi izpušni plini v majhen del rotorja, velik del pa je blokiran, kar zagotavlja še hitrejše vrtenje kot običajna turbina z dvojnim vrtenjem. Ko se obremenitev poveča, se loputa postopoma premakne v srednji položaj in enakomerno porazdeli tok pri visokih hitrostih, kot pri standardni izvedbi z dvojnim pomikom. To pomeni, da je po mehanizmu spreminjanja geometrije taka turbina blizu VFT.

Tako ta tehnologija, tako kot tehnologija spremenljive geometrije, zagotavlja spremembo razmerja A/R glede na obremenitev, prilagaja turbino načinu delovanja motorja, kar širi območje delovanja. Hkrati je obravnavana zasnova veliko enostavnejša in cenejša, saj se tukaj uporablja samo en premikajoči se element, ki deluje po preprostem algoritmu, toplotno odporni materiali pa niso potrebni. Slednje je posledica znižanja temperature zaradi izgube toplote na stenah dvojnega ohišja turbine. Treba je opozoriti, da so se podobne rešitve že srečale (na primer hitri kolutni ventil), vendar iz nekega razloga ta tehnologija ni pridobila popularnosti.

Vzdrževanje inpopravilo

Glavna vzdrževalna operacija turbin je čiščenje. Potreba po njem je posledica njihove interakcije z izpušnimi plini, ki jih predstavljajo produkti zgorevanja goriva in olj. Vendar pa je čiščenje redko potrebno. Intenzivna kontaminacija kaže na okvaro, ki jo lahko povzroči previsok pritisk, obraba tesnil ali puš rotorjev, pa tudi batnega prostora, zamašitev prezračevanja.

Turbine s spremenljivo geometrijo so bolj občutljive na onesnaženje kot običajne turbine. To je posledica dejstva, da kopičenje saj v vodilni lopatici naprave za spreminjanje geometrije vodi do njenega zagozdenja ali izgube mobilnosti. Posledično je delovanje turbopolnilnika moteno.

V najpreprostejšem primeru se čiščenje izvede s posebno tekočino, vendar je pogosto potrebno ročno delo. Turbino je treba najprej razstaviti. Ko odstranjujete mehanizem za spreminjanje geometrije, pazite, da ne odrežete pritrdilnih vijakov. Naknadno vrtanje njihovih drobcev lahko povzroči poškodbe lukenj. Zato je čiščenje turbine s spremenljivo geometrijo nekoliko težavno.

Poleg tega je treba upoštevati, da lahko neprevidno ravnanje s kartušo poškoduje ali deformira lopatice rotorja. Če ga po čiščenju razstavite, ga bo treba uravnotežiti, vendar notranjost kartuše običajno ni očiščena.

Oljne saje na kolesih kažejo na obrabo batnih obročev ali skupine ventilov, pa tudi na tesnila rotorja v kartuši. Čiščenje brezodpravljanje teh okvar motorja ali popravilo turbine je nepraktično.

Po zamenjavi kartuše za turbopolnilnike zadevnega tipa je potrebna nastavitev geometrije. Za to se uporabljajo vztrajni in grobi nastavitveni vijaki. Treba je opozoriti, da nekaterih modelov prve generacije proizvajalci sprva niso konfigurirali, zaradi česar se njihova zmogljivost na "dno" zmanjša za 15-25%. To še posebej velja za Garrettove turbine. Navodila za nastavitev turbine s spremenljivo geometrijo najdete na spletu.

CV

Turbopolnilniki s spremenljivo geometrijo predstavljajo najvišjo stopnjo v razvoju serijskih turbin za motorje z notranjim zgorevanjem. Dodaten mehanizem v vstopnem delu poskrbi, da se turbina s prilagoditvijo konfiguracije prilagodi načinu delovanja motorja. To izboljša zmogljivost, ekonomičnost in prijaznost do okolja. Vendar je zasnova VGT zapletena in bencinski modeli so zelo dragi.