Muutuva geomeetriaga turbiin: tööpõhimõte, seade, remont

Sisepõlemismootorite turbiinide arendamisega püüavad tootjad parandada nende kooskõla mootoritega ja tõhusust. Tehniliselt kõige arenenum seerialahendus on sisselaskeava geomeetria muutmine. Lisaks käsitletakse muutuva geomeetriaga turbiinide konstruktsiooni, tööpõhimõtet ja hooldusfunktsioone.

Üldised omadused

Vaatlusalused turbiinid erinevad tavalistest oma võime poolest kohaneda mootori töörežiimiga, muutes A / R suhet, mis määrab läbilaskevõime. See on korpuste geomeetriline omadus, mida esindab kanali ristlõikepindala ja selle sektsiooni raskuskeskme ja turbiini kesktelje vaheline kaugus.

Muutuva geomeetriaga turboülelaadurite asjakohasus on tingitud asjaolust, et suure ja väikese kiiruse korral erinevad selle parameetri optimaalsed väärtused oluliselt. Nii et väikese A/R väärtuse juures on voolul suur kiirus, mille tulemusena turbiin pöörleb kiiresti üles, kuid maksimaalne läbilaskevõime on madal. Selle parameetri suured väärtused määravad vastupidi suure läbilaskevõime ja väikese heitgaasi kiiruse.

Seega, kui A/R on liiga kõrge, ei suuda turbiin madalatel pööretel rõhku tekitada ja kui see on liiga madal, siis lämmatab mootori ülaosas (väljalaskekollektori vasturõhu tõttu, jõudlus langeb). Seetõttu valitakse fikseeritud geomeetriaga turboülelaaduritel keskmine A / R väärtus, mis võimaldab sellel töötada kogu kiirusvahemikus, samas kui muutuva geomeetriaga turbiinide tööpõhimõte põhineb selle optimaalse väärtuse säilitamisel. Seetõttu on sellised madala võimendusläve ja minimaalse viivitusega valikud suurel kiirusel väga tõhusad.

Lisaks põhinimetusele (muutuva geomeetriaga turbiinid (VGT, VTG)) on need variandid tuntud muutuva düüsi (VNT), muutuva tiiviku (VVT), muutuva ala turbiinidüüsi (VATN) mudelitena.

Muutuva geomeetriaga turbiini töötas välja Garrett. Lisaks sellele tegelevad selliste osade vabastamisega ka teised tootjad, sealhulgas MHI ja BorgWarner. Libisemisrõngaste variantide peamine tootja on Cummins Turbo Technologies.

Vaatamata muutuva geomeetriaga turbiinide kasutamisele peamiselt diiselmootoritel, on need väga levinud ja koguvad populaarsust. Eeldatakse, et aastal 2020 hõivavad sellised mudelid üle 63% ülemaailmsest turbiiniturust. Selle tehnoloogia kasutusala laienemine ja selle areng on eelkõige tingitud keskkonnanormide karmistamisest.

Disain

Muutuva geomeetriaga turbiini seade erineb tavalistest mudelitest täiendava mehhanismi olemasoluga turbiini korpuse sisselaskeosas. Selle kujundamiseks on mitu võimalust.

Kõige tavalisem tüüp on liuglaba rõngas. Seda seadet kujutab rõngas, millel on hulk jäigalt fikseeritud labasid, mis paiknevad ümber rootori ja liiguvad fikseeritud plaadi suhtes. Liugmehhanismi eesmärk on kitsendada/laiendada gaasivoolu läbipääsu.

Kuna labarõngas libiseb aksiaalsuunas, on see mehhanism väga kompaktne ja nõrkade kohtade minimaalne arv tagab tugevuse. See valik sobib suurtele mootoritele, seega kasutatakse seda peamiselt veoautodel ja bussidel. Seda iseloomustab lihtsus, kõrge jõudlus “põhjas”, töökindlus.

Teine võimalus eeldab ka teraga rõnga olemasolu. Kuid sel juhul on see jäigalt fikseeritud tasasele plaadile ja terad on kinnitatud tihvtidele, mis tagavad nende pöörlemise aksiaalsuunas, selle teisel küljel. Seega muudetakse labade abil turbiini geomeetriat. See valik on kõige tõhusam.

Liikuvate osade arvukuse tõttu on see disain aga vähem usaldusväärne, eriti kõrge temperatuuri tingimustes. Märgitud probleemid on tingitud metallosade hõõrdumisest, mis kuumutamisel laienevad.

Teine võimalus on liikuv sein. See sarnaneb paljuski libisemisrõnga tehnoloogiaga, kuid sel juhul on fikseeritud terad paigaldatud staatilisele plaadile, mitte libisemisrõngale.

Muutuva pindalaga turboülelaadur (VAT) sisaldab labasid, mis pöörlevad ümber kinnituspunkti. Erinevalt pöörlevate labadega skeemist paigaldatakse need mitte piki rõnga ümbermõõtu, vaid järjest. Kuna see valik nõuab keerukat ja kallist mehaanilist süsteemi, on välja töötatud lihtsustatud versioonid.

Üks neist on Aisin Seiki Variable Flow Turbocharger (VFT). Turbiini korpus on fikseeritud labaga jagatud kaheks kanaliks ja varustatud siibriga, mis jaotab voolu nende vahel. Rootori ümber on paigaldatud veel mõned fikseeritud labad. Need tagavad säilimise ja voolu ühendamise.

Teine variant, mida nimetatakse Switchblade skeemiks, on käibemaksule lähemal, kuid labade rea asemel kasutatakse ühte tera, mis pöörleb samuti ümber paigalduskoha. Selliseid konstruktsioone on kahte tüüpi. Üks neist hõlmab tera paigaldamist keha keskossa. Teisel juhul on see kanali keskel ja jagab selle kaheks sektsiooniks, nagu VFT tera.

Muutuva geomeetriaga turbiini juhtimiseks kasutatakse ajamid: elektrilisi, hüdraulilisi, pneumaatilisi. Turboülelaadurit juhib mootori juhtseade (ECU, ECU).

Tuleb märkida, et sellised turbiinid ei vaja möödavooluklappi, sest tänu täpsele juhtimisele on võimalik heitgaaside voolu mitte-dekompressiooniliselt pidurdada ja ülejääk läbi turbiini juhtida.

Tööpõhimõte

Muutuva geomeetriaga turbiinid säilitavad optimaalse A/R ja keerise nurga, muutes sisselaskeava ristlõike pindala. See põhineb asjaolul, et heitgaasi voolu kiirus on pöördvõrdeline kanali laiusega. Seetõttu väheneb kiireks reklaamimiseks “põhjades” sisendosa ristlõige. Kiiruse suurendamisega voolu suurendamiseks laieneb see järk-järgult.

Geomeetria muutmise mehhanism

Selle protsessi rakendamise mehhanismi määrab disain. Pöörlevate labadega mudelites saavutatakse see nende asendi muutmisega: kitsa lõigu tagamiseks on labad radiaalsete joontega risti ning kanali laiendamiseks liiguvad need astmelisse asendisse.

Liugrõnga ja liikuva seinaga turbiinide puhul toimub rõnga aksiaalne liikumine, mis muudab ka kanali ristlõiget.

VFT tööpõhimõte põhineb voolu eraldamisel. Selle kiirendamine madalatel kiirustel toimub kanali välissektsiooni sulgemisega siibriga, mille tulemusena lähevad gaasid rootorile võimalikult lühikesel teel. Koormuse suurenedes tõuseb siiber, et võimaldada voolu läbi mõlema sektsiooni mahutavuse suurendamiseks.

VAT ja Switchblade mudelite puhul toimub geomeetria muutmine laba keeramise teel: madalatel pööretel see tõuseb, voolu kiirendamiseks läbipääsu kitsendades ning suurel kiirusel külgneb turbiinirattaga, laiendades läbilaskevõimet. Teist tüüpi lülitilaba turbiine iseloomustab labade vastupidine järjestus.

Niisiis, “põhjades” külgneb see rootoriga, mille tulemusena läheb vool ainult mööda korpuse välisseina. Kiiruse kasvades tera tõuseb, avades läbipääsu suurendamiseks tiiviku ümber läbipääsu.

Ajamiüksus

Ajamitest on levinumad pneumaatilised variandid, kus mehhanismi juhib silindri sees õhku liigutav kolb.

Labade asendit juhib diafragma ajam, mis on vardaga ühendatud labade juhtrõngaga, nii et kõri saab pidevalt muutuda. Täiturmehhanism käitab varre sõltuvalt vaakumi tasemest, toimides vedrule vastu. Vaakummodulatsioon juhib elektrilist ventiili, mis varustab olenevalt vaakumi seadistustest lineaarset voolu. Vaakumi saab tekitada pidurivõimendi vaakumpump. Vool antakse akust ja see moduleerib ECU-d.

Selliste ajamite peamine puudus on tingitud gaasi raskesti prognoositavast olekust pärast kokkusurumist, eriti kuumutamisel. Seetõttu on hüdro- ja elektriajamid täiuslikumad.

Hüdraulilised ajamid toimivad samal põhimõttel nagu pneumaatilised ajamid, kuid silindris oleva õhu asemel kasutatakse vedelikku, mida võib kujutada mootoriõlina. Lisaks ei suru kokku, mille tulemusena tagab selline süsteem parema juhitavuse.

Solenoidklapp kasutab rõnga liigutamiseks õlirõhku ja ECU-st saadavat signaali. Hüdrauliline kolb liigutab hammaslatti ja hammasratast, mis pöörab hammasratast, mille tulemusena on labad pöördeliselt ühendatud. ECU laba asendi ülekandmiseks liigub analoogasendiandur piki selle ajami nukki. Kui õlirõhk on madal, avanevad ja sulguvad labad, kui õlirõhk tõuseb.

Elektriline ajam on kõige täpsem, kuna pinge võib pakkuda väga täpset juhtimist. See nõuab aga täiendavat jahutust, mille tagavad jahutusvedeliku torud (pneumaatilises ja hüdraulilises versioonis kasutatakse soojuse eemaldamiseks vedelikku).

Geomeetria muutmise seadme juhtimiseks kasutatakse selektormehhanismi.

Mõned turbiinide mudelid kasutavad pöörlevat elektriajamit koos otsese samm-mootoriga. Sel juhul juhitakse labade asendit läbi hammaslati ja hammasratta mehhanismi elektroonilise tagasisideklapiga. ECU-lt tagasiside saamiseks kasutatakse hammasratta külge kinnitatud magnetoresistiivse anduriga nukki.

Kui labasid on vaja pöörata, annab ECU teatud vahemikus voolu, et need etteantud asendisse viia, misjärel, olles saanud andurilt signaali, vabastab see tagasisideklapi pingest.

Mootori juhtseade

Eelnevast järeldub, et muutuva geomeetriaga turbiinide tööpõhimõte põhineb täiendava mehhanismi optimaalsel koordineerimisel vastavalt mootori töörežiimile. Seetõttu on vajalik selle täpne positsioneerimine ja pidev jälgimine. Seetõttu juhivad muutuva geomeetriaga turbiine mootori juhtseadmed.

Nad kasutavad strateegiaid tootlikkuse maksimeerimiseks või keskkonnategevuse parandamiseks. BUD-i toimimiseks on mitu põhimõtet.

Kõige tavalisem neist hõlmab empiirilistel andmetel ja mootorimudelitel põhineva võrdlusteabe kasutamist. Sel juhul valib edasisuunamise kontroller tabelist väärtused ja kasutab vigade vähendamiseks tagasisidet. See on mitmekülgne tehnoloogia, mis võimaldab rakendada erinevaid juhtimisstrateegiaid.

Selle peamiseks puuduseks on piirangud üleminekute ajal (järsud kiirendused, käiguvahetused). Selle kõrvaldamiseks kasutati mitme parameetriga, PD- ja PID-kontrollereid. Viimaseid peetakse kõige lootustandvamaks, kuid need ei ole piisavalt täpsed kogu koormuste vahemikus. See lahendati hägusloogiliste otsustusalgoritmide rakendamisega MAS-i abil.

Taustteabe edastamiseks on kaks tehnoloogiat: keskmine mootorimudel ja tehisnärvivõrgud. Viimane sisaldab kahte strateegiat. Üks neist hõlmab võimenduse säilitamist etteantud tasemel, teine ​​on negatiivse rõhu erinevuse säilitamine. Teisel juhul saavutatakse parim keskkonnamõju, kuid ületatakse turbiini kiirust.

Mitte paljud tootjad arendavad muutuva geomeetriaga turboülelaadurite jaoks ECU-sid. Valdav enamus neist on esindatud autotootjate toodetega. Siiski on turul mõned kolmanda osapoole tipptasemel ECU-d, mis on mõeldud selliste turbiinide jaoks.

Üldsätted

Turbiinide põhiomadused on esindatud õhu massivoolu ja voolukiirusega. Sisselaskeala on üks jõudlust piiravatest teguritest. Muutuva geomeetria valikud võimaldavad teil seda ala muuta. Seega määrab efektiivse ala läbipääsu kõrgus ja labade nurk. Esimest indikaatorit muudetakse libiseva rõngaga versioonides, teist – pöörlevate labadega turbiinides.

Seega annavad muutuva geomeetriaga turboülelaadurid pidevalt vajaliku tõuke. Selle tulemusel ei esine nendega varustatud mootoritel turbiini pöörlemisaja tõttu viivitust, nagu tavaliste suurte turboülelaadurite puhul, ega lämbu suurel kiirusel, nagu väikeste puhul.

Lõpetuseks tuleb märkida, et kuigi muutuva geomeetriaga turboülelaadurid on loodud töötama ilma möödaviiguventiilita, on leitud, et need suurendavad jõudlust peamiselt “alumises otsas” ja suurel kiirusel täielikult avatud labadega, mis ei suuda toime tulla suure massivooluga. Seetõttu on ülemäärase vasturõhu vältimiseks soovitatav siiski kasutada wastegate'i.

Eelised ja miinused

Turbiini reguleerimine mootori töörežiimile parandab kõiki näitajaid võrreldes fikseeritud geomeetriaga valikutega:

• parem reageerimisvõime ja jõudlus kogu pööretevahemikus;
• sujuvam pöördemomendi kõver keskmistel pööretel;
• võimalus kasutada mootorit osalisel koormusel tõhusamal lahja õhu-kütuse segul;
• parem soojuslik efektiivsus;
• liigse tõuke vältimine suurtel kiirustel;
• parim keskkonnamõju;
• madalam kütusekulu;
• laiendatud turbiini tööpiirkond.

Muutuva geomeetriaga turboülelaadurite peamine puudus on nende märkimisväärselt keeruline disain. Täiendavate liikuvate elementide ja ajamite olemasolu tõttu on need vähem töökindlad ning seda tüüpi turbiinide hooldus ja remont on keerulisem. Lisaks on bensiinimootorite modifikatsioonid väga kallid (ligikaudu 3 korda kallimad kui tavalised). Lõpuks on neid turbiine raske kombineerida mootoritega, mis pole neile mõeldud.

Tuleb märkida, et muutuva geomeetriaga turbiinid on tipptulemuse poolest sageli madalamad kui tavapärastel analoogidel. Selle põhjuseks on kaotused korpuses ja liikuvate elementide tugede ümber. Lisaks langeb maksimaalne jõudlus järsult optimaalsest asendist eemaldumisel. Selle konstruktsiooniga turboülelaadurite üldine efektiivsus on aga suurema tööulatuse tõttu kõrgem kui fikseeritud geomeetriaga variantidel.

Rakendus ja lisafunktsioonid

Muutuva geomeetriaga turbiinide ulatus määratakse nende tüübi järgi. Niisiis paigaldatakse sõiduautode ja väikeste tarbesõidukite mootoritele pöörlevate labadega valikud ning libiseva rõngaga modifikatsioone kasutatakse peamiselt veoautodel.

Üldiselt kasutatakse muutuva geomeetriaga turbiine kõige sagedamini diiselmootoritel. Selle põhjuseks on nende heitgaaside madal temperatuur.

Kergetel diiselmootoritel on sellised turboülelaadurid mõeldud peamiselt heitgaasitagastussüsteemi jõudluse vähenemise kompenseerimiseks.

Veoautodel saavad turbiinid ise parandada keskkonnasäästlikkust, kontrollides mootori sisselaskeavasse suunatavate heitgaaside hulka. Seega on muutuva geomeetriaga turboülelaadurite kasutamisel võimalik retsirkulatsiooni kiirendamiseks tõsta rõhku väljalaskekollektoris suurema väärtuseni kui sisselaskekollektoris. Kuigi liigne vasturõhk mõjutab kütusesäästlikkust negatiivselt, aitab see vähendada lämmastikoksiidi heitkoguseid.

Lisaks saab mehhanismi muuta, et vähendada turbiini efektiivsust antud asendis. Seda kasutatakse heitgaaside temperatuuri tõstmiseks, et puhastada tahkete osakeste filtrist, oksüdeerides kuumutamise tagajärjel kinnijäänud süsinikuosakesi.

Need funktsioonid nõuavad hüdraulilist või elektrilist ajamit.

Muutuva geomeetriaga turbiinide eelised tavapäraste turbiinide ees teevad neist parima valiku sportmootoritele. Bensiinimootoritel on need aga äärmiselt haruldased. Teada on vaid üksikuid nendega varustatud sportautosid (praegu Porsche 718, 911 Turbo ja Suzuki Swift Sport). Ühe BorgWarneri juhi sõnul on selle põhjuseks selliste turbiinide tootmise väga kõrge hind, mis on tingitud vajadusest kasutada spetsiaalseid kuumakindlaid materjale, et suhelda bensiinimootorite kõrge temperatuuriga heitgaasidega (diisli heitgaasidel on palju madalam). temperatuuri, seega on turbiinid nende jaoks odavamad).

Esimesed bensiinimootoritel kasutatavad VGT-d valmistati tavalistest materjalidest, mistõttu tuli vastuvõetava kasutusea tagamiseks kasutada keerukaid jahutussüsteeme. Niisiis ühendati 1988. aasta Honda Legendil selline turbiin vesijahutusega vahejahutiga. Lisaks on seda tüüpi mootoritel laiem heitgaasi voolukiiruste vahemik, mistõttu on vaja suutlikkust käsitleda suuremat massivooluvahemikku.

Tootjad saavutavad nõutud jõudluse, reageerimisvõime, tõhususe ja keskkonnasõbralikkuse taseme kõige kuluefektiivsemal viisil. Erandiks on üksikjuhud, kui lõplik maksumus ei ole prioriteet. Selles kontekstis on see näiteks Koenigsegg One: 1 rekordilise jõudluse saavutamine või Porsche 911 Turbo kohandamine tsiviilkasutuseks.

Üldiselt on valdav enamus turbolaaduriga autosid varustatud tavaliste turboülelaaduritega. Suure jõudlusega sportmootorite puhul kasutatakse sageli topeltkerimise võimalusi. Kuigi need turboülelaadurid jäävad VGT-dele alla, pakuvad nad samu eeliseid võrreldes tavaliste turbiinidega, kuid vähesel määral, kuid on siiski peaaegu sama lihtsa konstruktsiooniga kui viimastel. Mis puudutab häälestamist, siis muudetava geomeetriaga turboülelaadurite kasutamist piirab lisaks kõrgetele kuludele ka nende häälestamise keerukus.

Bensiinimootorite puhul märgiti H. Ishihara, K. Adachi ja S. Kono uuringus muutuva vooluga turbiini (VFT) VGT-de seas kõige optimaalseimaks. Tänu ainult ühele liikuvale elemendile vähenevad tootmiskulud ja suureneb termiline stabiilsus. Lisaks töötab selline turbiin lihtsa ECU algoritmi järgi, mis sarnaneb möödaviiguklapiga varustatud fikseeritud geomeetria võimalustele. Eriti häid tulemusi on saavutatud sellise turbiini kombineerimisel iVTEC-ga. Kuid sundsisselaskesüsteemide puhul täheldatakse heitgaaside temperatuuri tõusu 50–100 °C võrra, mis mõjutab keskkonnatoimet. See probleem lahendati alumiiniumist vesijahutusega kollektori kasutamisega.

BorgWarneri lahendus bensiinimootoritele oli kombineerida kaksikkerimise tehnoloogia ja muutuva geomeetriaga disain SEMA 2015 messil esitletud kaksikkerimisega muutuva geomeetriaga turbiiniga. Selle disain on sarnane twin scroll turbiiniga: sellel turboülelaaduril on topeltsisselaskeava ja topelt monoliitne turbiiniratas. on kombineeritud topeltkerimiskollektoriga, võttes arvesse silindrite järjestust, et välistada heitgaaside pulsatsioon, et luua tihedam vool.

Erinevus seisneb sisselaskeosas oleva siibri olemasolus, mis sõltuvalt koormusest jaotab voolu üle tiivikute. Madalatel pööretel lähevad kõik heitgaasid väikesesse rootori ossa ja suur osa on blokeeritud, mis tagab veelgi kiirema pöörlemise kui tavaline twin-scroll turbiin. Koormuse kasvades liigub siiber järk-järgult keskasendisse ja jaotab voolu ühtlaselt suurtel kiirustel, nagu tavalises kaksikkerimises. See tähendab, et geomeetria muutmise mehhanismi poolest on selline turbiin VFT-le lähedane.

Seega võimaldab see tehnoloogia sarnaselt muutuva geomeetriaga tehnoloogiaga A/R suhte muutumist sõltuvalt koormusest, reguleerides turbiini mootori töörežiimile, mis laiendab töövahemikku. Samal ajal on vaadeldav disain palju lihtsam ja odavam, kuna siin kasutatakse ainult ühte liikuvat elementi, mis töötab lihtsa algoritmi järgi ja kuumakindlaid materjale pole vaja. Viimane on tingitud temperatuuri langusest, mis on tingitud soojuskadudest turbiini kahekordse korpuse seintel. Olgu öeldud, et sarnaseid lahendusi on varemgi kohatud (näiteks kiirrullventiil), kuid miskipärast pole see tehnoloogia populaarsust kogunud.

Hooldus ja remont

Peamine turbiinide hooldusoperatsioon on puhastamine. Vajadus selle järele tuleneb nende koostoimest heitgaasidega, mida esindavad kütuse ja õlide põlemissaadused. Puhastamine on aga harva vajalik. Intensiivne reostus viitab töörežiimi rikkumistele, mille põhjuseks võib olla liigne rõhk, tiivikute tihendite või pukside kulumine, aga ka kolvipesa, õhutusava ummistumine.

Muutuva geomeetriaga turbiinid on saastumise suhtes tundlikumad kui tavalised turbiinid. See on tingitud asjaolust, et tahma kogunemine geomeetria muutmise seadme juhtlabasse põhjustab selle kiilumist või liikuvuse kaotust. Selle tulemusena on turboülelaaduri töö häiritud.

Lihtsamal juhul toimub puhastamine spetsiaalse vedelikuga, kuid sageli on vaja käsitsi tööd. Esmalt tuleb turbiin lahti võtta. Geomeetria muutmise mehhanismi eemaldamisel olge ettevaatlik, et te ei lõikaks kinnituspolte läbi. Nende fragmentide hilisem puurimine võib põhjustada aukude kahjustamist. Seega on muutuva geomeetriaga turbiini puhastamine mõnevõrra keeruline.

Lisaks tuleb meeles pidada, et kasseti hooletu käsitsemine võib kahjustada või deformeerida rootori labasid. Kui see pärast puhastamise lõpetamist lahti võetakse, on vaja tasakaalustamist, kuid tavaliselt ei tehta kasseti seest puhastamist.

Õli tahm ratastel viitab kolvirõngaste või klapigrupi kulumisele, samuti kassetis olevate rootoritihendite kulumisele. Puhastamine ilma neid mootoririkkeid kõrvaldamata või turbiini parandamata ei ole soovitatav.

Pärast kõnealust tüüpi turboülelaadurite kasseti vahetamist on vajalik geomeetria reguleerimine. Selleks kasutatakse püsivaid ja karedaid reguleerimiskruvisid. Tuleb märkida, et mõned esimese põlvkonna mudelid ei olnud tootjate poolt algselt konfigureeritud, mistõttu nende jõudlus “allosas” väheneb 15-25%. Eelkõige kehtib see Garretti turbiinide kohta. Internetist leiate juhised muutuva geomeetriaga turbiini reguleerimiseks.

Kokkuvõte

Muutuva geomeetriaga turboülelaadurid on sisepõlemismootorite seeriaturbiinide arendamise kõrgeim etapp. Täiendav mehhanism sisselaskeosas tagab turbiini kohandamise mootori töörežiimile, reguleerides konfiguratsiooni. See parandab jõudlust, ökonoomsust ja keskkonnasõbralikkust. VGT disain on aga keeruline ja bensiinimootorite mudelid on väga kallid.