Turbína s variabilnou geometriou: princíp činnosti, zariadenie, oprava

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-02-19 18:21

Vývojom ICE turbín sa výrobcovia snažia zlepšiť ich súlad s motormi a účinnosť. Technicky najvyspelejším sériovým riešením je zmena geometrie vtoku. Ďalej sa zvažuje konštrukcia turbín s premenlivou geometriou, princíp činnosti a funkcie údržby.

Všeobecné funkcie

Uvažované turbíny sa líšia od bežných v schopnosti prispôsobiť sa prevádzkovému režimu motora zmenou pomeru A/R, ktorý určuje priepustnosť. Toto je geometrická charakteristika krytov, ktorú predstavuje pomer plochy prierezu kanála a vzdialenosti medzi ťažiskom tejto časti a stredovou osou turbíny.

Význam turbodúchadiel s variabilnou geometriou je spôsobený tým, že pre vysoké a nízke otáčky sa optimálne hodnoty tohto parametra výrazne líšia. Takže pre malú hodnotu A/R je prietokmá vysoké otáčky, v dôsledku čoho sa turbína rýchlo roztočí, ale maximálny výkon je nízky. Veľké hodnoty tohto parametra naopak určujú veľkú priepustnosť a nízku rýchlosť výfukových plynov.

V dôsledku toho pri príliš vysokej A/R turbína nebude schopná vytvárať tlak pri nízkych otáčkach, a ak je príliš nízky, priškrtí motor v hornej časti (kvôli protitlaku v výfukové potrubie, výkon klesne). Preto sa na turbodúchadlách s pevnou geometriou volí priemerná hodnota A/R, ktorá umožňuje pracovať v celom rozsahu otáčok, pričom princíp činnosti turbín s variabilnou geometriou je založený na udržiavaní jej optimálnej hodnoty. Preto sú také možnosti s nízkym prahom zosilnenia a minimálnym oneskorením vysoko účinné pri vysokých rýchlostiach.

Okrem hlavného názvu (turbíny s variabilnou geometriou (VGT, VTG)) sú tieto varianty známe ako modely s variabilnou tryskou (VNT), variabilným obežným kolesom (VVT), variabilnou plochou turbínovej trysky (VATN).

Turbína s variabilnou geometriou bola vyvinutá spoločnosťou Garrett. Okrem toho sa na uvoľňovaní takýchto dielov podieľajú aj ďalší výrobcovia, vrátane MHI a BorgWarner. Hlavným výrobcom variantov zberných krúžkov je Cummins Turbo Technologies.

Napriek tomu, že turbíny s premenlivou geometriou sa používajú hlavne na dieselových motoroch, sú veľmi bežné a získavajú si na popularite. Predpokladá sa, že v roku 2020 takéto modely obsadia viac ako 63% celosvetového trhu s turbínami. Rozšírenie používania tejto technológie a jej rozvoj je spôsobený predovšetkým sprísňovaním environmentálnych predpisov.

Design

Turbínové zariadenie s premenlivou geometriou sa od bežných modelov líši prítomnosťou prídavného mechanizmu vo vstupnej časti skrine turbíny. Existuje niekoľko možností jeho dizajnu.

Najbežnejším typom je posuvný krúžok na lopatky. Toto zariadenie predstavuje prstenec s množstvom pevne upevnených lopatiek umiestnených okolo rotora a pohybujúcich sa vzhľadom na pevnú dosku. Posuvný mechanizmus sa používa na zúženie/rozšírenie priechodu pre prúdenie plynov.

Vzhľadom na to, že krúžok lopatky sa posúva v axiálnom smere, je tento mechanizmus veľmi kompaktný a minimálny počet slabín zaisťuje pevnosť. Táto možnosť je vhodná pre veľké motory, preto sa používa hlavne na nákladných autách a autobusoch. Vyznačuje sa jednoduchosťou, vysokým výkonom v spodnej časti, spoľahlivosťou.

Druhá možnosť tiež predpokladá prítomnosť prstenca lopatiek. V tomto prípade je však pevne upevnený na plochej doske a čepele sú namontované na čapoch, ktoré zabezpečujú ich otáčanie v axiálnom smere na jej druhej strane. Pomocou lopatiek sa teda mení geometria turbíny. Táto možnosť má najlepšiu účinnosť.

Vzhľadom na veľký počet pohyblivých častí je však tento dizajn menej spoľahlivý, najmä v podmienkach vysokej teploty. Označenéproblémy spôsobuje trenie kovových častí, ktoré sa pri zahrievaní rozťahujú.

Ďalšou možnosťou je pohyblivá stena. V mnohých ohľadoch je podobná technológii zberných krúžkov, avšak v tomto prípade sú pevné čepele namontované na statickej doske, a nie na zberacom krúžku.

Turbodúchadlo s premenlivou plochou (VAT) má lopatky, ktoré sa otáčajú okolo bodu inštalácie. Na rozdiel od schémy s rotačnými čepeľami nie sú inštalované pozdĺž obvodu krúžku, ale v rade. Pretože táto možnosť vyžaduje zložitý a drahý mechanický systém, boli vyvinuté zjednodušené verzie.

Jedným z nich je turbodúchadlo s premenlivým prietokom Aisin Seiki (VFT). Skriňa turbíny je rozdelená na dva kanály pevnou lopatkou a je vybavená klapkou, ktorá rozdeľuje prúdenie medzi ne. Okolo rotora je nainštalovaných niekoľko ďalších pevných lopatiek. Poskytujú zadržiavanie a zlučovanie tokov.

Druhá možnosť, nazývaná schéma Switchblade, je bližšie k DPH, ale namiesto radu lopatiek sa používa jedna čepeľ, ktorá sa tiež otáča okolo miesta inštalácie. Existujú dva typy takejto konštrukcie. Jeden z nich zahŕňa inštaláciu čepele v strednej časti tela. V druhom prípade je v strede kanála a rozdeľuje ho na dve priehradky, ako pádlo VFT.

Na riadenie turbíny s variabilnou geometriou sa používajú pohony: elektrický, hydraulický, pneumatický. Turbodúchadlo je riadené riadiacou jednotkoumotor (ECU, ECU).

Treba si uvedomiť, že tieto turbíny nevyžadujú obtokový ventil, nakoľko vďaka presnému riadeniu je možné spomaliť prúdenie výfukových plynov nedekompresným spôsobom a prebytočné previesť cez turbínu.

Princíp fungovania

Turbíny s premenlivou geometriou fungujú tak, že udržiavajú optimálny A/R a uhol vírenia zmenou plochy prierezu vstupu. Je založená na skutočnosti, že rýchlosť prúdenia výfukových plynov je nepriamo úmerná šírke kanála. Preto sa na „spodkoch“pre rýchlu propagáciu zmenšuje prierez vstupnej časti. So zvyšovaním rýchlosti na zvýšenie prietoku sa postupne rozširuje.

Mechanizmus na zmenu geometrie

Mechanizmus implementácie tohto procesu je určený dizajnom. Pri modeloch s otočnými lopatkami sa to dosiahne zmenou ich polohy: aby sa zabezpečila úzka časť, lopatky sú kolmé na radiálne čiary a aby sa rozšíril kanál, prechádzajú do stupňovitej polohy.

Turbíny so klzným prstencom s pohyblivou stenou majú axiálny pohyb prstenca, čím sa mení aj sekcia kanála.

Princíp fungovania VFT je založený na oddelení prietoku. Jeho zrýchlenie pri nízkych rýchlostiach sa vykonáva uzavretím vonkajšieho oddelenia kanála tlmičom, v dôsledku čoho plyny idú k rotoru najkratšou možnou cestou. Keď sa zaťaženie zvyšuje, tlmičstúpa, aby umožnil prietok cez oba zálivy na rozšírenie kapacity.

Pri modeloch VAT a Switchblade sa geometria mení otáčaním lopatky: pri nízkych rýchlostiach stúpa, čím sa zužuje priechod, aby sa zrýchlil prietok, a pri vysokých rýchlostiach susedí s turbínovým kolesom a rozširuje sa priepustnosť. Turbíny typu 2 Switchblade majú obrátený chod lopatiek.

Takže na „spodku“susedí s rotorom, v dôsledku čoho prúdi iba pozdĺž vonkajšej steny krytu. Pri zvyšovaní otáčok sa lopatka dvíha, čím sa otvára priechod okolo obežného kolesa, aby sa zvýšila priepustnosť.

Drive

Z pohonov sú najbežnejšie pneumatické možnosti, kde je mechanizmus ovládaný piestom pohybujúcim vzduch vo vnútri valca.

Polohu lopatiek riadi membránový pohon spojený tyčou s ovládacím krúžkom lopatiek, takže hrdlo sa môže neustále meniť. Pohon poháňa hriadeľ v závislosti od úrovne vákua a pôsobí proti pružine. Vákuová modulácia riadi elektrický ventil, ktorý dodáva lineárny prúd v závislosti od parametrov vákua. Vákuum môže byť generované vákuovým čerpadlom posilňovača bŕzd. Prúd je dodávaný z batérie a moduluje ECU.

Hlavnou nevýhodou takýchto pohonov je ťažko predvídateľný stav plynu po stlačení, najmä pri zahriatí. Preto dokonalejšiesú hydraulické a elektrické pohony.

Hydraulické pohony fungujú na rovnakom princípe ako pneumatické pohony, ale namiesto vzduchu sa vo valci používa kvapalina, ktorú môže predstavovať motorový olej. Navyše sa nekomprimuje, takže tento systém poskytuje lepšiu kontrolu.

Solenoidový ventil využíva tlak oleja a signál ECU na pohyb krúžku. Hydraulický piest pohybuje hrebeňom a pastorkom, ktorý otáča ozubené koleso, v dôsledku čoho sú lopatky otočne spojené. Na prenos polohy listu ECU sa analógový snímač polohy pohybuje pozdĺž vačky jeho pohonu. Keď je tlak oleja nízky, lopatky sa otvárajú a zatvárajú so zvyšujúcim sa tlakom oleja.

Elektrický pohon je najpresnejší, pretože napätie môže poskytnúť veľmi jemné ovládanie. Vyžaduje si to však dodatočné chladenie, ktoré zabezpečujú rúrky chladiacej kvapaliny (pneumatické a hydraulické verzie využívajú kvapalinu na odvod tepla).

Mechanizmus voliča slúži na pohon meniča geometrie.

Niektoré modely turbín používajú rotačný elektrický pohon s priamym krokovým motorom. V tomto prípade je poloha lopatiek riadená elektronickým spätným ventilom cez mechanizmus hrebeňa a pastorka. Na spätnú väzbu z ECU sa používa vačka s magnetorezistívnym snímačom pripevneným k prevodu.

Ak je potrebné otočiť čepele, zabezpečuje ECUdodávka prúdu v určitom rozsahu na ich premiestnenie do vopred určenej polohy, po ktorej po prijatí signálu zo snímača vypne spätnoväzbový ventil.

Riadiaca jednotka motora

Z vyššie uvedeného vyplýva, že princíp činnosti turbín s premenlivou geometriou je založený na optimálnej koordinácii prídavného mechanizmu v súlade s prevádzkovým režimom motora. Preto je potrebné jeho presné polohovanie a neustále sledovanie. Turbíny s variabilnou geometriou sú preto riadené riadiacimi jednotkami motora.

Používajú stratégie na maximalizáciu produktivity alebo zlepšenie environmentálneho správania. Existuje niekoľko princípov fungovania BUD.

Najbežnejšie z nich zahŕňa použitie referenčných informácií založených na empirických údajoch a modeloch motorov. V tomto prípade dopredný ovládač vyberá hodnoty z tabuľky a využíva spätnú väzbu na zníženie chýb. Je to všestranná technológia, ktorá umožňuje rôzne stratégie ovládania.

Jeho hlavnou nevýhodou sú obmedzenia pri prechodových javoch (prudké zrýchlenie, radenie). Na jeho odstránenie boli použité viacparametrové, PD- a PID-regulátory. Posledne menované sa považujú za najsľubnejšie, ale nie sú dostatočne presné v celom rozsahu zaťaženia. Toto bolo vyriešené aplikáciou rozhodovacích algoritmov fuzzy logiky pomocou MAS.

Na poskytovanie referenčných informácií existujú dve technológie: model priemerného motora a umelýneurálne siete. Druhá z nich zahŕňa dve stratégie. Jeden z nich zahŕňa udržiavanie zvýšenia na danej úrovni, druhý - udržiavanie rozdielu podtlaku. V druhom prípade sa dosiahne najlepší environmentálny výkon, ale turbína sa pretáča.

Nie veľa výrobcov vyvíja ECU pre turbodúchadlá s variabilnou geometriou. Prevažnú väčšinu z nich predstavujú produkty automobiliek. Na trhu však existuje niekoľko špičkových ECU tretích strán, ktoré sú určené pre takéto turbá.

Všeobecné ustanovenia

Hlavnými charakteristikami turbín sú prúdenie vzduchu a rýchlosť prúdenia. Vstupná plocha je jedným z obmedzujúcich faktorov výkonu. Možnosti variabilnej geometrie vám umožňujú zmeniť túto oblasť. Účinná plocha je teda určená výškou priechodu a uhlom lopatiek. Prvý indikátor je vymeniteľný vo verziách s posuvným krúžkom, druhý - v turbínach s rotačnými lopatkami.

Turbodúchadlá s variabilnou geometriou teda neustále poskytujú požadovaný výkon. Vďaka tomu motory nimi vybavené nemajú oneskorenie spojené s časom roztočenia turbíny ako u bežných veľkých turbodúchadiel a nedusia sa pri vysokých otáčkach ako pri malých.

Na záver treba poznamenať, že hoci sú turbodúchadlá s variabilnou geometriou navrhnuté tak, aby fungovali bez obtokového ventilu, zistilo sa, že poskytujú zvýšenie výkonu predovšetkým pri nízkych otáčkach a pri vysokých otáčkach pri úplnom otvorenílopatky nie sú schopné vyrovnať sa s veľkým hmotnostným tokom. Preto, aby sa predišlo nadmernému protitlaku, stále sa odporúča používať wastegate.

Pre a proti

Úprava turbíny na prevádzkový režim motora poskytuje zlepšenie všetkých ukazovateľov v porovnaní s možnosťami pevnej geometrie:

• lepšia odozva a výkon v celom rozsahu otáčok;
• plochejšia krivka krútiaceho momentu v strednom rozsahu;
• schopnosť prevádzkovať motor pri čiastočnom zaťažení pri efektívnejšej chudobnej zmesi vzduchu a paliva;
• lepšia tepelná účinnosť;
• prevencia nadmerného zosilnenia pri vysokých otáčkach;
• najlepší environmentálny výkon;
• nižšia spotreba paliva;
• rozšírený prevádzkový rozsah turbíny.

Hlavnou nevýhodou turbodúchadiel s variabilnou geometriou je ich výrazne komplikovaná konštrukcia. V dôsledku prítomnosti ďalších pohyblivých prvkov a pohonov sú menej spoľahlivé a údržba a oprava turbín tohto typu je náročnejšia. Navyše úpravy pre benzínové motory sú veľmi drahé (asi 3x drahšie ako klasické). Napokon, tieto turbíny sa ťažko kombinujú s motormi, ktoré pre ne nie sú určené.

Treba poznamenať, že pokiaľ ide o špičkový výkon, turbíny s variabilnou geometriou sú často horšie ako ich konvenčné náprotivky. Je to spôsobené stratami v kryte a okolo podpier pohyblivých prvkov. Navyše maximálny výkon prudko klesá pri vzďaľovaní sa od optimálnej polohy. Avšak, generálÚčinnosť turbodúchadiel tejto konštrukcie je vyššia ako účinnosť variantov s pevnou geometriou vďaka väčšiemu prevádzkovému rozsahu.

Aplikácia a ďalšie funkcie

Rozsah turbín s premenlivou geometriou je určený ich typom. Napríklad motory s rotujúcimi lopatkami sú inštalované na motoroch osobných a ľahkých úžitkových vozidiel a modifikácie s posuvným krúžkom sa používajú najmä na nákladných autách.

Vo všeobecnosti sa turbíny s variabilnou geometriou najčastejšie používajú na dieselových motoroch. Je to kvôli nízkej teplote ich výfukových plynov.

Pri dieselových motoroch pre cestujúcich slúžia tieto turbodúchadlá predovšetkým na kompenzáciu straty výkonu zo systému recirkulácie výfukových plynov.

Na nákladných automobiloch môžu samotné turbíny zlepšiť environmentálny výkon riadením množstva výfukových plynov recirkulovaných do nasávania motora. Použitím turbodúchadiel s variabilnou geometriou je teda možné zvýšiť tlak vo výfukovom potrubí na hodnotu väčšiu ako v sacom, aby sa urýchlila recirkulácia. Hoci nadmerný protitlak škodí palivovej účinnosti, pomáha znižovať emisie oxidov dusíka.

Okrem toho je možné mechanizmus upraviť tak, aby sa znížila účinnosť turbíny v danej polohe. Používa sa na zvýšenie teploty výfukových plynov, aby sa prečistil filter pevných častíc oxidáciou prilepených uhlíkových častíc zahrievaním.

Údajefunkcie vyžadujú hydraulický alebo elektrický pohon.

Významné výhody turbín s variabilnou geometriou oproti konvenčným z nich robia najlepšiu voľbu pre športové motory. Na benzínových motoroch sú však extrémne zriedkavé. Je známych len niekoľko nimi vybavených športových áut (v súčasnosti Porsche 718, 911 Turbo a Suzuki Swift Sport). Podľa jedného manažéra BorgWarner je to kvôli veľmi vysokým nákladom na výrobu takýchto turbín, kvôli potrebe používať špecializované tepelne odolné materiály na interakciu s vysokoteplotnými výfukovými plynmi benzínových motorov (dieselové výfukové plyny majú oveľa nižšiu teplotu, takže turbíny sú pre nich lacnejšie).

Prvé VGT používané na benzínových motoroch boli vyrobené z konvenčných materiálov, takže na zabezpečenie prijateľnej životnosti museli byť použité zložité chladiace systémy. Takže na Honde Legend z roku 1988 bola takáto turbína kombinovaná s vodou chladeným medzichladičom. Okrem toho má tento typ motora širší rozsah prietoku výfukových plynov, čo si vyžaduje schopnosť zvládnuť väčší rozsah hmotnostného prietoku.

Výrobcovia dosahujú požadované úrovne výkonu, odozvy, efektívnosti a šetrnosti k životnému prostrediu tým najefektívnejším spôsobom z hľadiska nákladov. Výnimkou sú ojedinelé prípady, keď konečná cena nie je prioritou. V tejto súvislosti ide napríklad o dosiahnutie rekordného výkonu na Koenigsegg One: 1 alebo prispôsobenie Porsche 911 Turbo civilnémuoperácia.

Vo všeobecnosti je veľká väčšina áut s turbodúchadlom vybavená konvenčnými turbodúchadlami. Pre vysokovýkonné športové motory sa často používajú možnosti twin-scroll. Aj keď sú tieto turbodúchadlá horšie ako VGT, ponúkajú rovnaké výhody ako konvenčné turbíny, len v menšom rozsahu, a napriek tomu majú takmer rovnako jednoduchý dizajn ako posledné. Čo sa týka tuningu, použitie turbodúchadiel s variabilnou geometriou je okrem vysokej ceny limitované zložitosťou ich vyladenia.

Pre benzínové motory štúdia H. Ishihary, K. Adachiho a S. Kona označila turbínu s premenlivým prietokom (VFT) za najoptimálnejšiu VGT. Len vďaka jednému pohyblivému prvku sa znižujú výrobné náklady a zvyšuje sa tepelná stabilita. Okrem toho takáto turbína pracuje podľa jednoduchého algoritmu ECU, podobne ako možnosti pevnej geometrie vybavené obtokovým ventilom. Zvlášť dobré výsledky sa dosiahli, keď sa takáto turbína skombinuje s iVTEC. Pri systémoch s núteným nasávaním sa však pozoruje zvýšenie teploty výfukových plynov o 50 – 100 °C, čo ovplyvňuje environmentálne vlastnosti. Tento problém bol vyriešený použitím vodou chladeného hliníkového potrubia.

Riešením spoločnosti BorgWarner pre benzínové motory bolo skombinovať technológiu twin scroll a dizajn s variabilnou geometriou do dvojitej špirály s variabilnou geometriou turbíny predstavenej na SEMA 2015. Toto turbodúchadlo má rovnaký dizajn ako dvojitá špirálová turbína, má dvojitý vstup a dvojité monolitické turbínové koleso a je kombinované s dvojitým špirálovým potrubím, ktoré eliminujú pulzáciu výfukových plynov pre hustejšie prúdenie.

Rozdiel je v prítomnosti klapky vo vstupnej časti, ktorá v závislosti od zaťaženia rozdeľuje prietok medzi obežné kolesá. Pri nízkych otáčkach idú všetky výfukové plyny do malej časti rotora a veľká časť je zablokovaná, čo poskytuje ešte rýchlejšie roztočenie ako bežná twin-scroll turbína. Pri zvyšovaní zaťaženia sa klapka postupne posúva do strednej polohy a rovnomerne rozdeľuje prúdenie pri vysokých rýchlostiach, ako pri štandardnom prevedení twin-scroll. To znamená, že z hľadiska mechanizmu zmeny geometrie sa takáto turbína blíži k VFT.

Táto technológia, podobne ako technológia s premenlivou geometriou, teda poskytuje zmenu pomeru A/R v závislosti od zaťaženia, pričom prispôsobuje turbínu prevádzkovému režimu motora, čím sa rozširuje prevádzkový rozsah. Zároveň je uvažovaný dizajn oveľa jednoduchší a lacnejší, pretože sa tu používa iba jeden pohyblivý prvok, ktorý funguje podľa jednoduchého algoritmu a nie sú potrebné tepelne odolné materiály. Ten je spôsobený poklesom teploty v dôsledku tepelných strát na stenách dvojitého plášťa turbíny. Treba poznamenať, že s podobnými riešeniami sme sa už stretli (napríklad rýchlosprietokový ventil), ale z nejakého dôvodu si táto technológia nezískala popularitu.

Údržba aoprava

Hlavnou údržbou turbín je čistenie. Potreba je spôsobená ich interakciou s výfukovými plynmi, ktoré predstavujú produkty spaľovania palív a olejov. Čistenie je však potrebné len zriedka. Intenzívne znečistenie indikuje poruchu, ktorá môže byť spôsobená nadmerným tlakom, opotrebovaním tesnení alebo puzdier obežných kolies, ako aj priestoru piestu, upchatím odvzdušňovača.

Turbíny s variabilnou geometriou sú citlivejšie na znečistenie ako konvenčné turbíny. Je to spôsobené tým, že hromadenie sadzí vo vodiacej lopatke zariadenia na zmenu geometrie vedie k jej zaklineniu alebo strate pohyblivosti. V dôsledku toho je narušená funkcia turbodúchadla.

V najjednoduchšom prípade sa čistenie vykonáva pomocou špeciálnej kvapaliny, ale často je potrebná ručná práca. Turbína sa musí najskôr rozobrať. Pri odpájaní mechanizmu zmeny geometrie dávajte pozor, aby ste neprerezali upevňovacie skrutky. Následné vŕtanie ich úlomkov môže viesť k poškodeniu otvorov. Preto je čistenie turbíny s premenlivou geometriou trochu náročné.

Okrem toho je potrebné mať na pamäti, že neopatrné zaobchádzanie s kazetou môže poškodiť alebo zdeformovať lopatky rotora. Ak sa po vyčistení rozoberie, bude vyžadovať vyváženie, ale vnútro kazety sa zvyčajne nevyčistí.

Olejové sadze na kolesách naznačujú opotrebovanie piestnych krúžkov alebo skupiny ventilov, ako aj tesnení rotora v kazete. Čistenie bezodstránenie týchto porúch motora alebo oprava turbíny je nepraktická.

Po výmene vložky pre turbodúchadlá daného typu je potrebné nastavenie geometrie. Na to sa používajú trvalé a hrubé nastavovacie skrutky. Je potrebné poznamenať, že niektoré modely prvej generácie neboli pôvodne nakonfigurované výrobcami, v dôsledku čoho sa ich výkon v „dole“znižuje o 15-25%. To platí najmä pre Garrettove turbíny. Pokyny nájdete online, ako nastaviť turbínu s premenlivou geometriou.

CV

Turbodúchadlá s variabilnou geometriou predstavujú najvyšší stupeň vo vývoji sériových turbín pre spaľovacie motory. Prídavný mechanizmus vo vstupnej časti zabezpečuje prispôsobenie turbíny prevádzkovému režimu motora úpravou konfigurácie. To zlepšuje výkon, hospodárnosť a šetrnosť k životnému prostrediu. Dizajn VGT je však zložitý a benzínové modely sú veľmi drahé.