Turbina s promjenjivom geometrijom: princip rada, uređaj, popravak

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-02-19 16:11

Razvojom ICE turbina, proizvođači pokušavaju poboljšati njihovu dosljednost s motorima i učinkovitosti. Tehnički najnaprednije serijsko rješenje je promjena geometrije ulaza. Zatim se razmatra dizajn turbina promjenjive geometrije, princip rada i značajke održavanja.

Opće značajke

Turbine koje se razmatraju razlikuju se od uobičajenih po mogućnosti prilagodbe načinu 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 presjeka i središnje osi turbine.

Relevantnost turbopunjača promjenjive geometrije posljedica je 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 maksimalna propusnost niska. Velike vrijednosti ovog parametra, naprotiv, određuju veliku propusnost i nisku brzinu ispušnih plinova.

Slijedom toga, s pretjerano visokim A / R, turbina neće moći stvarati tlak pri malim brzinama, a ako je prenizak, zagušit će motor na vrhu (zbog povratnog pritiska u ispušni razvodnik, performanse će pasti). Stoga se na turbopunjačima s fiksnom geometrijom odabire prosječna A/R vrijednost koja omogućuje rad u cijelom rasponu brzina, dok se princip rada turbina s promjenjivom geometrijom temelji na održavanju optimalne vrijednosti. Stoga su takve opcije s niskim pragom pojačanja i minimalnim kašnjenjem vrlo učinkovite pri velikim brzinama.

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

Turbinu s promjenjivom geometrijom 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.

Unatoč korištenju turbina s promjenjivom geometrijom uglavnom na dizelskim motorima, one su vrlo česte i postaju sve popularnije. Pretpostavlja se da će 2020. takvih modela biti više od 63% svjetskog tržišta turbina. Širenje korištenja ove tehnologije i njezin razvoj prvenstveno je posljedica pooštravanja ekoloških propisa.

Dizajn

Turbinski uređaj s promjenjivom geometrijom 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 s veslom. Ovaj uređaj je predstavljen prstenom s nizom kruto učvršćenih lopatica koje se nalaze oko rotora i kreću se u odnosu na fiksnu ploču. Klizni mehanizam se koristi za sužavanje/proširivanje prolaza za protok plinova.

Zbog činjenice da prsten lopatice klizi u aksijalnom smjeru, ovaj mehanizam je vrlo kompaktan, a minimalan broj slabih točaka osigurava čvrstoću. Ova je opcija prikladna za velike motore, pa se uglavnom koristi na kamionima i autobusima. Karakterizira ga jednostavnost, visoke performanse na dnu, pouzdanost.

Druga opcija također pretpostavlja prisutnost lopatičnog prstena. Međutim, u ovom slučaju, čvrsto je pričvršćen na ravnu ploču, a lopatice 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 učinkovitost.

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

Druga opcija je pokretni zid. Na mnogo je načina 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 okreću oko točke ugradnje. Za razliku od sheme s rotirajućim noževima, oni se ne postavljaju duž opsega prstena, već u nizu. Budući da ova opcija zahtijeva složen i skup mehanički sustav, razvijene su pojednostavljene verzije.

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

Druga opcija, nazvana shema Switchblade, bliža je PDV-u, ali umjesto reda lopatica koristi se jedna lopatica koja se također rotira oko točke ugradnje. 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. Turbopunjačem upravlja upravljačka jedinicamotor (ECU, ECU).

Treba napomenuti da ove turbine ne zahtijevaju premosni ventil, jer je zbog preciznog upravljanja moguće usporiti protok ispušnih plinova na nedekompresivan način i propuštati višak kroz turbinu.

Načelo rada

Turbine s promjenjivom geometrijom rade održavajući optimalni A/R i kut vrtloga promjenom površine poprečnog presjeka ulaza. Temelji se na činjenici da je brzina protoka ispušnih plinova obrnuto proporcionalna širini kanala. Stoga se na "donjicima" za brzu promociju smanjuje presjek ulaznog dijela. S povećanjem brzine radi povećanja protoka, postupno se širi.

Mehanizam za promjenu geometrije

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

Turbine s kliznim prstenom s pomičnim zidom imaju aksijalno pomicanje prstena, što također mijenja presjek kanala.

Princip rada VFT-a temelji se na razdvajanju protoka. Njegovo ubrzanje pri malim brzinama provodi se zatvaranjem vanjskog odjeljka kanala s prigušivačem, zbog čega plinovi idu do rotora na najkraći mogući način. Kako se opterećenje povećava, prigušnicaraste 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 uz turbinski kotač, šireći se propusnost. Turbine s prekidačem tipa 2 imaju obrnuti rad lopatica.

Dakle, na "dnom" je uz rotor, zbog čega protok ide samo uz vanjsku stijenku kućišta. Kako se broj okretaja povećava, oštrica se podiže, otvarajući prolaz oko impelera radi povećanja protoka.

Vozite

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

Položaj lopatica kontrolira membranski aktuator spojen šipkom na kontrolni prsten lopatice, tako da se grlo može stalno mijenjati. Pogon pokreće vreteno ovisno o razini vakuuma, suprotstavljajući oprugu. Vakuumska modulacija kontrolira električni ventil koji dovodi linearnu struju ovisno o parametrima vakuuma. Vakuum se može stvoriti vakuumskom pumpom za pojačanje kočnica. Struja se napaja iz baterije i modulira ECU.

Glavni nedostatak ovakvih pogona je zbog teško predvidljivog stanja plina nakon kompresije, posebno kada se zagrije. Stoga savršenijisu hidraulički i električni pogoni.

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

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

Električni pogon je najprecizniji, jer napon može pružiti vrlo finu kontrolu. Međutim, zahtijeva dodatno hlađenje, koje osiguravaju cijevi rashladne tekućine (pneumatske i hidraulične verzije koriste tekućinu za uklanjanje topline).

Mehanizam selektora služi za pokretanje mjenjača geometrije.

Neki modeli turbina koriste rotacijski električni pogon s izravnim koračnim motorom. U ovom slučaju, položaj lopatica kontrolira elektronički povratni ventil kroz mehanizam zupčanika. Za povratnu informaciju od ECU-a koristi se bregast s magnetootpornim senzorom pričvršćenim na zupčanik.

Ako je potrebno okrenuti oštrice, to osigurava ECUopskrba strujom u određenom rasponu kako bi se pomaknuli u unaprijed određeni položaj, nakon čega, primivši signal od senzora, isključuje napon povratnog ventila.

Upravljačka jedinica motora

Iz navedenog proizlazi da se princip rada turbina promjenjive geometrije temelji na optimalnoj koordinaciji dodatnog mehanizma u skladu s načinom rada motora. Stoga je potrebno njegovo precizno pozicioniranje i stalno praćenje. Stoga turbinama promjenjive geometrije upravljaju upravljačke jedinice motora.

Koriste strategije kako bi povećali produktivnost ili poboljšali ekološki učinak. Postoji nekoliko principa za funkcioniranje BUD-a.

Najčešći od njih uključuje korištenje referentnih informacija temeljenih na empirijskim podacima i modelima motora. U ovom slučaju, kontroler za prosljeđivanje odabira vrijednosti iz tablice i koristi povratne informacije za smanjenje pogrešaka. To je svestrana tehnologija koja omogućuje različite strategije kontrole.

Njegov glavni nedostatak su ograničenja tijekom prolaznih pojava (oštra ubrzanja, promjene stupnjeva prijenosa). Da bi se to otklonilo, korišteni su višeparametarski, PD- i PID-regulatori. Potonji se smatraju najperspektivnijim, ali nisu dovoljno točni u cijelom rasponu opterećenja. To je riješeno primjenom algoritama odlučivanja neizrazite logike pomoću MAS-a.

Postoje dvije tehnologije za pružanje referentnih informacija: prosječni motorni model i umjetnineuronske mreže. Potonji uključuje dvije strategije. Jedan od njih uključuje održavanje pojačanja na zadanoj razini, drugi - održavanje negativne razlike tlaka. U drugom slučaju postiže se najbolja ekološka učinkovitost, ali turbina prekoračuje brzinu.

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

Opće odredbe

Glavne karakteristike turbina su protok mase zraka i brzina strujanja. Područje ulaza jedan je od čimbenika koji ograničavaju performanse. Opcije varijabilne geometrije omogućuju vam promjenu ovog područja. Dakle, efektivna površina određena je visinom prolaza i kutom lopatica. Prvi indikator je promjenjiv u verzijama s kliznim prstenom, drugi - u turbinama s rotirajućim lopaticama.

Dakle, turbo punjači s promjenjivom geometrijom neprestano 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 s promjenjivom geometrijom dizajnirani za rad bez premosnog ventila, utvrđeno je da osiguravaju poboljšanje performansi prvenstveno pri niskom kraju i pri visokim okretajima u minuti pri potpuno otvorenomoštrice nisu u stanju nositi se s velikim protokom mase. Stoga, kako bi se spriječio prekomjerni protutlak, i dalje se preporučuje korištenje wastegate-a.

Za i protiv

Prilagodba turbine na način rada motora osigurava poboljšanje svih pokazatelja u usporedbi s opcijama fiksne geometrije:

• bolji odziv i performanse u cijelom rasponu okretaja;
• ravna krivulja momenta srednjeg raspona;
• sposobnost rada motora pri djelomičnom opterećenju na učinkovitijoj siromašnoj mješavini zraka/goriva;
• bolja toplinska učinkovitost;
• sprečavanje prekomjernog pojačanja pri visokim okretajima;
• najbolja ekološka učinkovitost;
• manja potrošnja goriva;
• prošireni radni raspon turbine.

Glavni nedostatak turbopunjača s promjenjivom geometrijom je njihov značajno kompliciran dizajn. Zbog prisutnosti 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 kombinirati s motorima koji nisu dizajnirani za njih.

Treba napomenuti da su turbine s promjenjivom geometrijom u pogledu vrhunske izvedbe često inferiorne od svojih konvencionalnih kolega. To je zbog gubitaka u kućištu i oko nosača pokretnih elemenata. Osim toga, maksimalni učinak naglo pada kada se udaljite od optimalnog položaja. Međutim, generalUčinkovitost turbopunjača ovog dizajna veća je od one varijanti s fiksnom geometrijom zbog većeg radnog raspona.

Primjena i dodatne funkcije

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

Općenito, turbine promjenjive geometrije najčešće se koriste na dizelskim motorima. To je zbog niske temperature njihovih ispušnih plinova.

Na putničkim dizel motorima, ovi turbo punjači prvenstveno služe za kompenzaciju gubitka performansi iz sustava recirkulacije ispušnih plinova.

Na kamionima, same turbine mogu poboljšati ekološki učinak kontroliranjem količine ispušnih plinova koji se recirkuliraju u usis motora. Dakle, korištenjem turbopunjača promjenjive geometrije moguće je povećati tlak u ispušnom razvodniku na vrijednost veću nego u usisnom kako bi se ubrzala recirkulacija. Iako je prekomjerni protutlak štetan za učinkovitost goriva, pomaže u smanjenju emisija dušikovih oksida.

Osim toga, mehanizam se može modificirati kako bi se smanjila učinkovitost turbine u danom položaju. Ovo se koristi za povećanje temperature ispušnih plinova kako bi se očistio filtar čestica oksidacijom zaglavljenih čestica ugljika zagrijavanjem.

Podacifunkcije zahtijevaju hidraulički ili električni pogon.

Zapažene prednosti turbina s promjenjivom geometrijom u odnosu na konvencionalne čine ih najboljom opcijom za sportske motore. Međutim, iznimno su rijetki na benzinskim motorima. Poznato je samo nekoliko sportskih automobila opremljenih njima (trenutačno Porsche 718, 911 Turbo i Suzuki Swift Sport). Prema jednom menadžeru BorgWarner, to je zbog vrlo visokih troškova proizvodnje takvih turbina, zbog potrebe za korištenjem specijaliziranih materijala otpornih na toplinu za interakciju s visokotemperaturnim ispušnim plinovima benzinskih motora (ispušni plinovi dizela imaju mnogo nižu temperatura, pa su im turbine jeftinije).

Prvi VGT-ovi korišteni na benzinskim motorima izrađeni su od konvencionalnih materijala, pa su se morali koristiti složeni sustavi hlađenja kako bi se osigurao prihvatljiv radni vijek. Dakle, na Hondi Legend iz 1988. takva je turbina kombinirana s vodeno hlađenim međuhladnjakom. Osim toga, ovaj tip motora ima širi raspon protoka ispušnih plinova, što zahtijeva sposobnost rukovanja većim rasponom masenog protoka.

Proizvođači postižu potrebne razine performansi, odziva, učinkovitosti i ekološke prihvatljivosti na najisplativiji način. Iznimka su izolirani slučajevi kada konačni trošak nije prioritet. U tom kontekstu, ovo je, na primjer, postizanje rekordne izvedbe na Koenigsegg One: 1 ili prilagođavanje Porschea 911 Turbo civiluoperacija.

Općenito, velika većina automobila s turbopunjačem opremljena je konvencionalnim turbo punjačima. Za sportske motore visokih performansi često se koriste opcije twin-scroll. Iako su ti turbopunjači 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 ugađanja, korištenje turbopunjača promjenjive geometrije, osim visoke cijene, ograničeno je i složenošću njihovog podešavanja.

Za benzinske motore, studija H. Ishihare, K. Adachija i S. Konoa rangirala je turbinu s promjenjivim protokom (VFT) kao najoptimalniji VGT. Zahvaljujući samo jednom pokretnom elementu, smanjuju se troškovi proizvodnje i povećava toplinska stabilnost. Osim toga, takva turbina radi prema jednostavnom ECU algoritmu, sličnom opcijama fiksne geometrije opremljenim premosnim ventilom. Posebno dobri rezultati postignuti su kada se takva turbina kombinira s iVTEC-om. Međutim, za sustave s prisilnom indukcijom uočava se povećanje temperature ispušnih plinova za 50-100 °C, što utječe na performanse okoliša. 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 turbinu s dvostrukom scroll promjenjivom geometrijom predstavljenu na SEMA 2015.isti dizajn kao i dvostruka scroll turbina, ovaj turbopunjač ima dvostruki ulaz i dvostruki monolitni turbinski kotač, te je u kombinaciji s dvostrukim scroll razdjelnikom, slijedom kako bi se eliminiralo pulsiranje ispuha za gušći protok.

Razlika je u prisutnosti prigušnice u ulaznom dijelu, koja, ovisno o opterećenju, raspoređuje protok između impelera. Pri malim brzinama svi ispušni plinovi idu u mali dio rotora, a veliki dio je blokiran, što omogućuje još brže okretanje od konvencionalne twin-scroll turbine. Kako opterećenje raste, klapna se postupno pomiče u srednji položaj i ravnomjerno raspoređuje protok pri velikim brzinama, kao u standardnom dizajnu s dvostrukim pomicanjem. Odnosno, u smislu mehanizma za promjenu geometrije, takva turbina je bliska VFT-u.

Dakle, ova tehnologija, kao i tehnologija promjenjive geometrije, omogućuje promjenu A/R omjera ovisno o opterećenju, prilagođavajući turbinu načinu rada motora, čime se proširuje radni raspon. Istodobno, 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 posljedica smanjenja temperature zbog gubitka topline na zidovima dvostrukog kućišta turbine. Valja napomenuti da su se slična rješenja već susrela (na primjer, brzi zavojni ventil), ali iz nekog razloga ova tehnologija nije stekla popularnost.

Održavanje ipopravak

Glavna operacija održavanja turbina je čišćenje. Potreba za tim je zbog njihove interakcije s ispušnim plinovima, koje predstavljaju proizvodi izgaranja goriva i ulja. Međutim, čišćenje je rijetko potrebno. Intenzivna kontaminacija ukazuje na kvar, koji može biti uzrokovan prekomjernim pritiskom, trošenjem brtvi ili čahure impelera, kao i odjeljka za klip, začepljenjem odzračnog zraka.

Turbine s promjenjivom geometrijom osjetljivije su na onečišćenje od konvencionalnih turbina. To je zbog činjenice da nakupljanje čađe u vodilici uređaja za promjenu geometrije dovodi do njegovog uklinjavanja ili gubitka pokretljivosti. Kao rezultat toga, rad turbopunjača je poremećen.

U najjednostavnijem slučaju, čišćenje se provodi posebnom tekućinom, 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 patronom može oštetiti ili deformirati lopatice rotora. Ako se rastavlja nakon čišćenja, zahtijevat će balansiranje, ali unutrašnjost uloška se obično ne čisti.

Uljna čađa na kotačima ukazuje na istrošenost klipnih prstenova ili grupe ventila, kao i brtvi rotora u ulošku. Čišćenje bezotklanjanje ovih kvarova motora ili popravak turbine je nepraktično.

Nakon zamjene uloška za turbopunjače dotičnog tipa, potrebno je podešavanje geometrije. Za to se koriste uporni i grubi vijci za podešavanje. Treba napomenuti da proizvođači u početku nisu konfigurirali neke modele prve generacije, zbog čega se njihova izvedba na "dno" smanjuje za 15-25%. To posebno vrijedi za Garrettove turbine. Upute se mogu pronaći na internetu kako prilagoditi turbinu promjenjive geometrije.

CV

Turbopunjači s promjenjivom geometrijom predstavljaju najviši stupanj u razvoju serijskih turbina za motore s unutarnjim izgaranjem. Dodatni mehanizam u ulaznom dijelu osigurava prilagođavanje konfiguracije turbine načinu rada motora. To poboljšava performanse, ekonomičnost i ekološku prihvatljivost. Međutim, dizajn VGT-a je složen i benzinski modeli su vrlo skupi.