Turbina promjenjive geometrije: princip rada, uređaj, popravka

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-02-19 12:40

Sa razvojem ICE turbina, proizvođači pokušavaju da poboljšaju njihovu konzistentnost sa motorima i efikasnosti. Tehnički najnaprednije serijsko rješenje je promjena geometrije ulaza. Zatim se razmatra dizajn turbina promjenjive geometrije, princip rada i karakteristike održavanja.

Opšte karakteristike

Turbine koje se razmatraju razlikuju se od uobičajenih po mogućnosti prilagođavanja režimu rada motora promjenom A/R omjera, koji određuje propusnost. Ovo je geometrijska karakteristika kućišta, predstavljena omjerom površine poprečnog presjeka kanala i udaljenosti između težišta ovog dijela i centralne ose turbine.

Relevantnost turbopunjača promjenjive geometrije je zbog činjenice da se za velike i niske brzine optimalne vrijednosti ovog parametra značajno razlikuju. Dakle, za malu vrijednost A/R, protokima veliku brzinu, zbog čega se turbina brzo okreće, ali je maksimalni protok mali. Velike vrijednosti ovog parametra, naprotiv, određuju veliki protok i nisku brzinu izduvnih gasova.

Slijedom toga, s pretjerano visokim A/R, turbina neće moći stvoriti pritisak pri malim brzinama, a ako je prenizak, zagušit će motor na vrhu (zbog povratnog pritiska u izduvna grana, performanse će pasti). Stoga se na turbopunjačima fiksne geometrije odabire prosječna A/R vrijednost koja im omogućava rad u cijelom rasponu brzina, dok se princip rada turbina promjenjive geometrije zasniva na održavanju njegove optimalne vrijednosti. Stoga su takve opcije sa niskim pragom pojačanja i minimalnim kašnjenjem veoma efikasne pri velikim brzinama.

Osim glavnog naziva (turbine promjenjive geometrije (VGT, VTG)) ove varijante su poznate kao modeli varijabilne mlaznice (VNT), promjenjivog radnog kola (VVT), turbine sa promjenjivom površinom (VATN).

Turbinu varijabilne geometrije razvio je Garrett. Osim toga, izdavanjem takvih dijelova bave se i drugi proizvođači, uključujući MHI i BorgWarner. Primarni proizvođač varijanti kliznih prstenova je Cummins Turbo Technologies.

Uprkos upotrebi turbina promjenjive geometrije uglavnom na dizel motorima, one su vrlo česte i postaju sve popularnije. Pretpostavlja se da će 2020. takvih modela biti više od 63% globalnog tržišta turbina. Proširenje upotrebe ove tehnologije i njen razvoj prvenstveno je posljedica pooštravanja ekoloških propisa.

Dizajn

Turbinski uređaj promjenjive geometrije razlikuje se od konvencionalnih modela po prisutnosti dodatnog mehanizma u ulaznom dijelu kućišta turbine. Postoji nekoliko opcija za njegov dizajn.

Najčešći tip je klizni prsten sa lopaticama. Ovaj uređaj je predstavljen prstenom s nizom kruto fiksiranih lopatica koje se nalaze oko rotora i kreću se u odnosu na fiksnu ploču. Klizni mehanizam se koristi za sužavanje/proširivanje prolaza za protok gasova.

Zbog činjenice da lopatica klizi u aksijalnom smjeru, ovaj mehanizam je vrlo kompaktan, a minimalan broj slabih tačaka osigurava snagu. Ova opcija je pogodna za velike motore, pa se uglavnom koristi na kamionima i autobusima. Odlikuje se jednostavnošću, visokim performansama na dnu, pouzdanošću.

Druga opcija takođe pretpostavlja prisustvo lopatičnog prstena. Međutim, u ovom slučaju, on je čvrsto pričvršćen na ravnu ploču, a oštrice su postavljene na igle koje osiguravaju njihovu rotaciju u aksijalnom smjeru, s druge strane. Tako se geometrija turbine mijenja pomoću lopatica. Ova opcija ima najbolju efikasnost.

Međutim, zbog velikog broja pokretnih dijelova, ovaj dizajn je manje pouzdan, posebno u uvjetima visoke temperature. Označenoproblemi su uzrokovani trenjem metalnih dijelova koji se pri zagrijavanju šire.

Druga opcija je pokretni zid. Na mnogo načina je slična tehnologiji kliznog prstena, međutim u ovom slučaju fiksne oštrice su postavljene na statičnu ploču, a ne na klizni prsten.

Turbopunjač s promjenjivim područjem (PDV) ima lopatice koje se rotiraju oko mjesta ugradnje. Za razliku od sheme s rotirajućim noževima, oni se ne postavljaju duž obima prstena, već u nizu. Budući da ova opcija zahtijeva složen i skup mehanički sistem, razvijene su pojednostavljene verzije.

Jedan je Aisin Seiki turbopunjač s promjenjivim protokom (VFT). Kućište turbine je fiksnom lopaticom podijeljeno na dva kanala i opremljeno je prigušivačem koji raspoređuje protok između njih. Oko rotora je instalirano još nekoliko fiksnih lopatica. Oni pružaju zadržavanje i spajanje protoka.

Druga opcija, nazvana Switchblade shema, bliža je PDV-u, ali umjesto reda lopatica, koristi se jedno sječivo, koje se također rotira oko točke instalacije. Postoje dvije vrste takve konstrukcije. Jedan od njih uključuje ugradnju oštrice u središnji dio tijela. U drugom slučaju, nalazi se u sredini kanala i dijeli ga na dva odjeljka, poput VFT vesla.

Za upravljanje turbinom promjenjive geometrije koriste se pogoni: električni, hidraulični, pneumatski. Turbo punjačem upravlja upravljačka jedinicamotor (ECU, ECU).

Treba napomenuti da ovim turbinama nije potreban premosni ventil, jer je zbog preciznog upravljanja moguće usporiti protok izduvnih gasova na nedekompresivan način i propuštati višak kroz turbinu.

Princip rada

Turbine promjenjive geometrije rade tako što održavaju optimalni A/R i ugao vrtloga promjenom površine poprečnog presjeka ulaza. Zasniva se na činjenici da je brzina strujanja izduvnih gasova obrnuto povezana sa širinom kanala. Stoga se na "dnim" za brzu promociju smanjuje poprečni presjek ulaznog dijela. Sa povećanjem brzine radi povećanja protoka, postepeno se širi.

Mehanizam za promjenu geometrije

Mehanizam za implementaciju ovog procesa određen je dizajnom. U modelima sa rotirajućim lopaticama, to se postiže promjenom njihovog položaja: kako bi se osigurao uski presjek, lopatice su okomite na radijalne linije, a za proširenje kanala one idu u stepenasti položaj.

Turbine sa kliznim prstenom sa pokretnim zidom imaju aksijalno pomeranje prstena, što takođe menja presek kanala.

Princip rada VFT-a je zasnovan na razdvajanju protoka. Njegovo ubrzanje pri malim brzinama vrši se zatvaranjem vanjskog odjeljka kanala s prigušivačem, zbog čega plinovi idu do rotora na najkraći mogući način. Kako se opterećenje povećava, prigušnicapodiže se kako bi omogućio protok kroz oba zaljeva radi proširenja kapaciteta.

Za modele s PDV-om i Switchblade, geometrija se mijenja okretanjem lopatice: pri malim brzinama se podiže, sužavajući prolaz kako bi se ubrzao protok, a pri velikim brzinama je u blizini turbinskog točka, širi se propusnost. Turbine sa prekidačem tipa 2 imaju obrnuti rad lopatica.

Dakle, na "dnom" je u blizini rotora, zbog čega tok ide samo duž vanjskog zida kućišta. Kako se broj okretaja povećava, oštrica se podiže, otvarajući prolaz oko impelera kako bi se povećao protok.

Vozite

Među pogonima, najčešće su pneumatske opcije, gde se mehanizmom upravlja pomoću klipa koji pokreće vazduh unutar cilindra.

Položaj lopatica kontroliše membranski aktuator spojen šipkom na kontrolni prsten lopatice, tako da se grlo može stalno mijenjati. Pogon pokreće vreteno u zavisnosti od nivoa vakuuma, suprotstavljajući oprugu. Vakuumska modulacija kontrolira električni ventil koji dovodi linearnu struju ovisno o parametrima vakuuma. Vakuum se može stvoriti pomoću vakuum pumpe kočnice. Struja se napaja iz baterije i modulira ECU.

Glavni nedostatak ovakvih pogona je zbog teškog predviđanja stanja gasa nakon kompresije, posebno kada se zagreje. Stoga savršenijisu hidraulički i električni pogoni.

Hidraulički aktuatori rade na istom principu kao i pneumatski aktuatori, ali se umjesto zraka u cilindru koristi tekućina, koju može predstavljati motorno ulje. Osim toga, ne kompresuje, tako da ovaj sistem pruža bolju kontrolu.

Magnetni ventil koristi pritisak ulja i ECU signal za pomicanje prstena. Hidraulički klip pomiče letvu i zupčanik, koji rotira zupčani zupčanik, zbog čega su lopatice zglobno povezane. Za prijenos položaja oštrice ECU-a, analogni senzor položaja pomiče se duž grebena njegovog pogona. Kada je pritisak ulja nizak, lopatice se otvaraju i zatvaraju kako pritisak ulja raste.

Električni pogon je najprecizniji, jer napon može pružiti vrlo finu kontrolu. Međutim, potrebno je dodatno hlađenje, koje se obezbjeđuje cijevima za rashladnu tekućinu (pneumatske i hidraulične verzije koriste tekućinu za uklanjanje topline).

Selektorski mehanizam služi za pokretanje menjača geometrije.

Neki modeli turbina koriste rotacioni električni pogon sa direktnim koračnim motorom. U ovom slučaju, položaj lopatica kontroliše elektronski povratni ventil kroz mehanizam zupčanika. Za povratnu informaciju od ECU-a, koristi se bregast sa magnetorezitivnim senzorom pričvršćenim na zupčanik.

Ako je potrebno okrenuti noževe, ECU to osiguravasnabdijevanje strujom u određenom rasponu da ih pomjeri u unaprijed određenu poziciju, nakon čega, nakon što dobije signal od senzora, isključuje napajanje povratnog ventila.

Upravljačka jedinica motora

Iz navedenog proizilazi da se princip rada turbina promjenjive geometrije zasniva na optimalnoj koordinaciji dodatnog mehanizma u skladu sa režimom rada motora. Stoga je potrebno njegovo precizno pozicioniranje i stalno praćenje. Stoga se turbinama promjenjive geometrije kontroliraju upravljačke jedinice motora.

Koriste strategije da ili maksimiziraju produktivnost ili poboljšaju ekološke performanse. Postoji nekoliko principa za funkcionisanje BUD-a.

Najčešći od njih uključuje korištenje referentnih informacija zasnovanih na empirijskim podacima i modelima motora. U ovom slučaju, kontroler naprijed bira vrijednosti iz tabele i koristi povratne informacije da smanji greške. To je svestrana tehnologija koja omogućava različite strategije kontrole.

Njegov glavni nedostatak su ograničenja tokom prelaznih stanja (oštra ubrzanja, promene stepena prenosa). Da bi se to eliminisalo, korišteni su višeparametarski, PD- i PID-kontroleri. Potonji se smatraju najperspektivnijim, ali nisu dovoljno precizni u cijelom rasponu opterećenja. Ovo je riješeno primjenom algoritama fuzzy logičkog odlučivanja koristeći MAS.

Postoje dvije tehnologije za pružanje referentnih informacija: prosječni motorni model i umjetnineuronske mreže. Potonji uključuje dvije strategije. Jedan od njih uključuje održavanje pojačanja na datom nivou, drugi - održavanje negativne razlike pritiska. U drugom slučaju, postiže se najbolji ekološki učinak, ali turbina prekoračuje brzinu.

Malo proizvođača ne razvija ECU za turbo punjače promjenjive geometrije. Ogromnu većinu njih predstavljaju proizvodi proizvođača automobila. Međutim, na tržištu postoje neki vrhunski ECU-ovi treće strane koji su dizajnirani za takve turbo motore.

Opšte odredbe

Glavne karakteristike turbina su protok vazdušne mase i brzina strujanja. Ulazno područje je jedan od ograničavajućih faktora performansi. Opcije varijabilne geometrije vam omogućavaju da promijenite ovu oblast. Dakle, efektivna površina određena je visinom prolaza i uglom lopatica. Prvi indikator je promjenljiv u verzijama sa kliznim prstenom, drugi - u turbinama sa rotirajućim lopaticama.

Dakle, turbo punjači promjenjive geometrije konstantno pružaju potreban poticaj. Kao rezultat toga, motori opremljeni njima nemaju kašnjenje povezano s vremenom okretanja turbine, kao kod konvencionalnih velikih turbopunjača, i ne guše se pri velikim brzinama, kao kod malih.

Konačno, treba napomenuti da iako su turbo punjači promjenjive geometrije dizajnirani da rade bez premosnog ventila, utvrđeno je da daju poboljšanja performansi prvenstveno na niskom kraju i pri visokim okretajima u minuti pri potpuno otvorenomlopatice nisu u stanju da se nose sa velikim protokom mase. Stoga, kako bi se spriječio prekomjerni povratni pritisak, i dalje se preporučuje korištenje wastegate-a.

Za i protiv

Prilagođavanje turbine režimu rada motora obezbeđuje poboljšanje svih pokazatelja u poređenju sa opcijama fiksne geometrije:

• bolji odziv i performanse u cijelom rasponu okretaja;
• ravna krivulja obrtnog momenta srednjeg opsega;
• mogućnost rada motora pri djelomičnom opterećenju na efikasnijoj siromašnoj mješavini zraka/goriva;
• bolja termička efikasnost;
• sprečavanje prekomernog pojačanja pri visokim obrtajima;
• najbolje ekološke performanse;
• manja potrošnja goriva;
• prošireni radni opseg turbine.

Glavni nedostatak turbo punjača varijabilne geometrije je njihov značajno komplikovan dizajn. Zbog prisustva dodatnih pokretnih elemenata i pogona, oni su manje pouzdani, a održavanje i popravak turbina ovog tipa je teži. Osim toga, modifikacije za benzinske motore su vrlo skupe (oko 3 puta skuplje od konvencionalnih). Konačno, ove turbine je teško kombinovati sa motorima koji nisu dizajnirani za njih.

Treba napomenuti da su turbine promjenjive geometrije u pogledu vršnih performansi često inferiorne u odnosu na svoje konvencionalne kolege. To je zbog gubitaka u kućištu i oko nosača pokretnih elemenata. Osim toga, maksimalne performanse naglo opadaju kada se udaljite od optimalne pozicije. Međutim, generalEfikasnost turbo punjača ovog dizajna veća je od one kod varijanti fiksne geometrije zbog većeg radnog raspona.

Primjena i dodatne funkcije

Obim turbina promjenjive geometrije određen je njihovim tipom. Na primjer, motori s rotirajućim noževima se ugrađuju na motore automobila i lakih komercijalnih vozila, a modifikacije s kliznim prstenom se uglavnom koriste na kamionima.

Općenito, turbine promjenjive geometrije se najčešće koriste na dizel motorima. To je zbog niske temperature njihovih izduvnih gasova.

Na putničkim dizel motorima, ovi turbo punjači prvenstveno služe za kompenzaciju gubitka performansi iz sistema recirkulacije izduvnih gasova.

Na kamionima, same turbine mogu poboljšati ekološke performanse kontrolisanjem količine izduvnih gasova koji cirkulišu u usis motora. Tako je korištenjem turbopunjača promjenjive geometrije moguće povećati pritisak u izduvnom razvodniku na vrijednost veću nego u usisnom kako bi se ubrzala recirkulacija. Iako je prekomjerni povratni pritisak štetan za efikasnost goriva, pomaže u smanjenju emisije dušikovih oksida.

Osim toga, mehanizam se može modificirati kako bi se smanjila efikasnost turbine u datom položaju. Ovo se koristi za povećanje temperature izduvnih gasova kako bi se očistio filter čestica oksidacijom zaglavljenih čestica ugljika zagrijavanjem.

Podacifunkcije zahtijevaju hidraulički ili električni pogon.

Zapažene prednosti turbina promjenjive geometrije u odnosu na konvencionalne čine ih najboljom opcijom za sportske motore. Međutim, oni su izuzetno rijetki na benzinskim motorima. Poznato je samo nekoliko sportskih automobila opremljenih njima (trenutno Porsche 718, 911 Turbo i Suzuki Swift Sport). Prema jednom menadžeru BorgWarner, to je zbog veoma visokih troškova proizvodnje takvih turbina, zbog potrebe da se koriste specijalizovani materijali otporni na toplotu za interakciju sa visokotemperaturnim izduvnim gasovima benzinskih motora (izduvni gasovi dizela imaju mnogo nižu temperature, pa su im turbine jeftinije).

Prvi VGT-ovi korišćeni na benzinskim motorima napravljeni su od konvencionalnih materijala, tako da su se morali koristiti složeni sistemi za hlađenje da bi se obezbedio prihvatljiv radni vek. Dakle, na Hondi Legend iz 1988., takva turbina je kombinirana s vodenim hlađenim međuhladnjakom. Osim toga, ovaj tip motora ima širi raspon protoka izduvnih gasova, što zahtijeva mogućnost upravljanja većim rasponom masenog protoka.

Proizvođači postižu potrebne nivoe performansi, odziva, efikasnosti i ekološke prihvatljivosti na najisplativiji način. Izuzetak su izolirani slučajevi kada konačni trošak nije prioritet. U ovom kontekstu, ovo je, na primjer, postizanje rekordne izvedbe na Koenigsegg One: 1 ili prilagođavanje Porschea 911 Turbo civilnomoperacija.

Uopšteno govoreći, velika većina automobila sa turbo punjačem opremljena je konvencionalnim turbo punjačima. Za sportske motore visokih performansi često se koriste opcije twin-scroll. Iako su ovi turbo punjači inferiorni u odnosu na VGT, oni nude iste prednosti u odnosu na konvencionalne turbine, samo u manjoj mjeri, a opet imaju gotovo isti jednostavan dizajn kao potonje. Što se tiče podešavanja, upotreba turbo punjača varijabilne geometrije, pored visoke cene, ograničena je i složenošću njihovog podešavanja.

Za benzinske motore, studija H. Ishihara, K. Adachi i S. Kono rangirala je turbinu promjenjivog protoka (VFT) kao najoptimalniji VGT. Zahvaljujući samo jednom pokretnom elementu, smanjuju se troškovi proizvodnje i povećava termička stabilnost. Osim toga, takva turbina radi prema jednostavnom ECU algoritmu, sličnom opcijama fiksne geometrije opremljenim premosnim ventilom. Posebno dobri rezultati su postignuti kada se takva turbina kombinuje sa iVTEC. Međutim, za sisteme sa prisilnom indukcijom, uočeno je povećanje temperature izduvnih gasova za 50-100 °C, što utiče na ekološke performanse. Ovaj problem je riješen korištenjem vodeno hlađenog aluminijskog razdjelnika.

BorgWarnerovo rješenje za benzinske motore bilo je kombiniranje twin scroll tehnologije i dizajna promjenjive geometrije u dvostruku scroll turbinu varijabilne geometrije predstavljenu na SEMA 2015.isti dizajn kao i dvostruka scroll turbina, ovaj turbopunjač ima dvostruki ulaz i dvostruki monolitni turbinski točak, te je u kombinaciji sa dvostrukim scroll razdjelnikom, sekvenciranjem kako bi se eliminisalo pulsiranje izduvnih gasova za gušći protok.

Razlika je u prisutnosti klapne u ulaznom dijelu, koja u zavisnosti od opterećenja raspoređuje protok između radnih kola. Pri malim brzinama, svi izduvni plinovi idu u mali dio rotora, a veliki dio je blokiran, što omogućava čak i brže okretanje od konvencionalne turbine s dva spirala. Kako se opterećenje povećava, klapna se postupno pomiče u srednji položaj i ravnomjerno raspoređuje protok pri velikim brzinama, kao u standardnom dizajnu s dva pomicanja. Odnosno, u smislu mehanizma za promjenu geometrije, takva turbina je bliska VFT-u.

Dakle, ova tehnologija, kao i tehnologija varijabilne geometrije, omogućava promjenu A/R omjera u zavisnosti od opterećenja, prilagođavajući turbinu režimu rada motora, čime se proširuje radni opseg. U isto vrijeme, razmatrani dizajn je mnogo jednostavniji i jeftiniji, jer se ovdje koristi samo jedan pokretni element, koji radi prema jednostavnom algoritmu, a materijali otporni na toplinu nisu potrebni. Potonje je zbog smanjenja temperature zbog gubitka topline na zidovima dvostrukog kućišta turbine. Treba napomenuti da su se slična rješenja susretala i ranije (na primjer, brzi zavojni ventil), ali iz nekog razloga ova tehnologija nije stekla popularnost.

Održavanje ipopravka

Glavna operacija održavanja turbina je čišćenje. Potreba za tim je zbog njihove interakcije s izduvnim plinovima, koje predstavljaju produkti sagorijevanja goriva i ulja. Međutim, čišćenje je rijetko potrebno. Intenzivna kontaminacija ukazuje na kvar, koji može biti uzrokovan prekomjernim pritiskom, habanjem zaptivki ili čahure impelera, kao i odjeljka za klip, začepljenjem odzračnika.

Turbine promjenjive geometrije su osjetljivije na onečišćenje od konvencionalnih turbina. To je zbog činjenice da nakupljanje čađi u vodećoj lopatici uređaja za promjenu geometrije dovodi do njegovog uklinjavanja ili gubitka pokretljivosti. Kao rezultat toga, funkcionisanje turbo punjača je poremećeno.

U najjednostavnijem slučaju čišćenje se vrši upotrebom posebne tečnosti, ali je često potreban ručni rad. Turbina se prvo mora rastaviti. Prilikom odvajanja mehanizma za promjenu geometrije, pazite da ne izrežete montažne vijke. Naknadno bušenje njihovih fragmenata može dovesti do oštećenja rupa. Stoga je čišćenje turbine promjenjive geometrije pomalo teško.

Osim toga, mora se imati na umu da nepažljivo rukovanje kertridžom može oštetiti ili deformirati lopatice rotora. Ako se demontira nakon čišćenja, biće potrebno balansiranje, ali unutrašnjost kertridža se obično ne čisti.

Uljna čađ na točkovima ukazuje na istrošenost klipnih prstenova ili grupe ventila, kao i zaptivke rotora u kertridžu. Čišćenje bezotklanjanje ovih kvarova motora ili popravak turbine je nepraktično.

Nakon zamjene uloška za turbo punjače dotičnog tipa, potrebno je podešavanje geometrije. Za to se koriste uporni i grubi vijci za podešavanje. Treba napomenuti da proizvođači nisu inicijalno konfigurirali neke modele prve generacije, zbog čega su njihove performanse na "dno" smanjene za 15-25%. To posebno vrijedi za Garrett turbine. Uputstva se mogu naći na internetu o tome kako podesiti turbinu promjenjive geometrije.

CV

Turbo punjači promjenjive geometrije predstavljaju najviši stupanj u razvoju serijskih turbina za motore s unutrašnjim sagorijevanjem. Dodatni mehanizam u ulaznom dijelu osigurava da se turbina prilagođava režimu rada motora podešavanjem konfiguracije. Ovo poboljšava performanse, ekonomičnost i ekološku prihvatljivost. Međutim, dizajn VGT-a je složen i benzinski modeli su veoma skupi.