{"id":264219,"date":"2022-07-30T17:48:00","date_gmt":"2022-07-30T14:48:00","guid":{"rendered":"https:\/\/auto.inform.click\/?p=264219"},"modified":"2022-04-20T16:17:04","modified_gmt":"2022-04-20T13:17:04","slug":"turbina-a-geometria-variabile-principio-di-funzionamento-dispositivo-riparazione","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/auto.inform.click\/it\/turbina-a-geometria-variabile-principio-di-funzionamento-dispositivo-riparazione\/","title":{"rendered":"Turbina a geometria variabile: principio di funzionamento, dispositivo, riparazione"},"content":{"rendered":"

Con lo sviluppo di turbine per motori a combustione interna<\/a>, i produttori stanno cercando di migliorare la loro coerenza con i motori e l'efficienza<\/a>. La soluzione seriale tecnicamente pi\u00f9 avanzata \u00e8 un cambiamento nella geometria dell'ingresso. Inoltre, vengono presi in considerazione il design delle turbine a geometria variabile, il principio di funzionamento e le caratteristiche di manutenzione.<\/p>\n

Caratteristiche generali<\/h2>\n

Le turbine in esame si differenziano da quelle usuali per la capacit\u00e0 di adattarsi alla modalit\u00e0 di funzionamento del motore variando il rapporto A\/R, che ne determina la portata. Questa \u00e8 una caratteristica geometrica degli alloggiamenti, rappresentata dal rapporto tra l'area della sezione trasversale del canale e la distanza tra il baricentro di questa sezione e l'asse centrale della turbina.<\/p>\n

La rilevanza dei turbocompressori a geometria variabile \u00e8 dovuta al fatto che per alte e basse velocit\u00e0 i valori ottimali di questo parametro differiscono notevolmente. Quindi, a un piccolo valore di A\/R, il flusso<\/a> ha una velocit\u00e0 elevata, per cui la turbina gira rapidamente, ma la portata massima \u00e8 bassa. Valori elevati di questo parametro, al contrario, determinano una grande portata e una bassa velocit\u00e0 dei gas di scarico.<\/p>\n

Pertanto, se l'A\/R \u00e8 troppo alto, la turbina non sar\u00e0 in grado di creare pressione ai bassi regimi, e se \u00e8 troppo basso, strozzer\u00e0 il motore in alto (a causa della contropressione nel collettore di scarico, le prestazioni diminuiranno). Pertanto, sui turbocompressori a geometria fissa si seleziona un valore medio A\/R che gli permetta di operare su tutto il range di velocit\u00e0, mentre il principio di funzionamento delle turbine a geometria variabile si basa sul mantenimento del suo valore ottimale. Pertanto, tali opzioni con una soglia di boost bassa e un ritardo minimo sono altamente efficaci alle alte velocit\u00e0.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Oltre al nome principale (turbine a geometria variabile (VGT, VTG)) queste varianti sono note come modelli con ugello variabile (VNT), girante variabile (VVT), ugello turbina ad area variabile (VATN).<\/p>\n

La turbina a geometria variabile \u00e8 stata sviluppata da Garrett. Oltre a ci\u00f2, altri produttori sono impegnati nel rilascio di tali parti, inclusi MHI e BorgWarner. Il principale produttore<\/a> di varianti di collettori rotanti \u00e8 Cummins Turbo Technologies.<\/p>\n

Nonostante l'uso di turbine a geometria variabile principalmente sui motori diesel, sono molto comuni e stanno guadagnando popolarit\u00e0. Si presume che nel 2020<\/a> tali modelli occuperanno pi\u00f9 del 63% del mercato globale delle turbine. L'espansione dell'uso di questa tecnologia e il suo sviluppo<\/a> \u00e8 dovuto principalmente all'inasprimento degli standard ambientali.<\/p>\n

Design<\/h2>\n

Il dispositivo della turbina a geometria variabile si differenzia dai modelli convenzionali per la presenza di un meccanismo aggiuntivo nella parte di ingresso della cassa della turbina. Ci sono diverse opzioni per il suo design<\/a>.<\/p>\n

Il tipo pi\u00f9 comune \u00e8 l'anello a paletta scorrevole. Questo dispositivo \u00e8 rappresentato da un anello con un numero di lame fissate rigidamente disposte attorno al rotore e mobili rispetto alla piastra fissa. Il meccanismo di scorrimento serve a restringere\/allargare il passaggio per il flusso dei gas.<\/p>\n

Poich\u00e9 l'anello della paletta scorre in direzione assiale, questo meccanismo \u00e8 molto compatto e il numero minimo di punti deboli garantisce resistenza. Questa opzione \u00e8 adatta per motori di grandi dimensioni<\/a>, quindi viene utilizzata principalmente su camion e autobus. Si caratterizza per semplicit\u00e0, alte prestazioni sui “bassi”, affidabilit\u00e0.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

La seconda opzione presuppone anche la presenza di un anello lamellare. Tuttavia, in questo caso, \u00e8 fissato rigidamente su una piastra piana e le lame sono montate su perni che ne assicurano la rotazione in direzione assiale, dall'altra parte di essa. Pertanto, la geometria della turbina viene modificata per mezzo delle pale. Questa opzione \u00e8 la pi\u00f9 efficiente.<\/p>\n

Tuttavia, a causa dell'elevato numero di parti mobili, questo design \u00e8 meno affidabile, soprattutto in condizioni di alta temperatura. I problemi segnalati sono dovuti all'attrito delle parti metalliche, che si dilatano quando riscaldate.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Un'altra opzione \u00e8 un muro mobile. \u00c8 simile in molti modi alla tecnologia degli anelli di contatto, tuttavia in questo caso le lame fisse sono montate su una piastra statica anzich\u00e9 su un anello di contatto.<\/p>\n

Un turbocompressore ad area variabile (IVA) prevede lame che ruotano attorno a un punto di montaggio. A differenza dello schema con lame rotanti, sono installati non lungo la circonferenza dell'anello, ma in fila. Poich\u00e9 questa opzione richiede un sistema meccanico complesso e costoso, sono state sviluppate versioni semplificate.<\/p>\n

Uno di questi \u00e8 il turbocompressore a flusso variabile Aisin Seiki (VFT). L'alloggiamento della turbina \u00e8 diviso in due canali da una pala fissa ed \u00e8 dotato di una serranda che distribuisce il flusso tra di loro. Alcune lame fisse in pi\u00f9 sono installate attorno al rotore. Forniscono ritenzione e fusione del flusso.<\/p>\n

La seconda opzione, denominata schema Switchblade, \u00e8 pi\u00f9 vicina<\/a> all'IVA, ma al posto di una fila di lame viene utilizzata una lama singola, anch'essa rotante attorno al punto di installazione. Esistono due tipi di tale costruzione. Uno di questi prevede l'installazione della lama nella parte centrale del corpo. Nel secondo caso si trova al centro del canale e lo divide in due scomparti, come una lama VFT.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Per controllare la turbina a geometria variabile, vengono utilizzati azionamenti: elettrici, idraulici, pneumatici<\/a>. Il turbocompressore \u00e8 controllato dalla centralina del motore (ECU, ECU).<\/p>\n

Va notato che tali turbine non richiedono una valvola di bypass, in quanto grazie a un controllo preciso \u00e8 possibile rallentare il flusso dei gas di scarico in modo non decompressivo e far passare l'eccesso attraverso la turbina.<\/p>\n

Principio operativo<\/h2>\n

Le turbine a geometria variabile funzionano mantenendo l'A\/R ottimale e l'angolo di turbolenza variando l'area della sezione trasversale dell'ingresso. Si basa sul fatto che la velocit\u00e0 del flusso del gas di scarico \u00e8 inversamente correlata alla larghezza del canale. Pertanto, sui “fondi” per la promozione rapida, la sezione trasversale della parte di input diminuisce. Con un aumento della velocit\u00e0 per aumentare il flusso, si espande gradualmente.<\/p>\n

Meccanismo di modifica della geometria<\/h2>\n

Il meccanismo per implementare questo processo \u00e8 determinato dal progetto. Nei modelli con lame rotanti, ci\u00f2 si ottiene cambiando la loro posizione: per garantire una sezione stretta, le lame sono perpendicolari alle linee radiali e per allargare il canale si spostano in una posizione a gradini.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Nelle turbine con anello scorrevole e parete mobile si verifica il movimento assiale dell'anello, che modifica anche la sezione trasversale del canale.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Il principio di funzionamento del VFT si basa sulla separazione del flusso. La sua accelerazione alle basse velocit\u00e0 avviene chiudendo il vano esterno del canale con una serranda, per cui i gas vanno al rotore nel modo pi\u00f9 breve possibile. All'aumentare del carico, la serranda si alza per consentire il flusso attraverso entrambi i compartimenti per espandere la capacit\u00e0.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Per i modelli VAT e Switchblade, la modifica della geometria avviene ruotando la pala: alle basse velocit\u00e0 si alza, restringendo il passaggio per velocizzare il flusso, e alle alte velocit\u00e0 \u00e8 adiacente alla girante della turbina, ampliando la portata. Le turbine a serramanico del secondo tipo sono caratterizzate dall'ordine inverso di funzionamento della pala.<\/p>\n

Quindi, sul “fondo” \u00e8 adiacente al rotore, per cui il flusso scorre solo lungo la parete esterna dell'alloggiamento. All'aumentare della velocit\u00e0, la pala si alza, aprendo un passaggio attorno alla girante per aumentare la portata.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Unit\u00e0 di azionamento<\/h2>\n

Tra gli azionamenti, i pi\u00f9 comuni sono le opzioni pneumatiche, in cui il meccanismo \u00e8 controllato da un pistone che muove l'aria all'interno del cilindro.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

La posizione delle palette \u00e8 controllata da un attuatore a membrana collegato da un'asta all'anello di controllo delle palette, in modo che la gola possa cambiare costantemente. L'attuatore aziona lo stelo in base al livello di vuoto, contrastando la molla. La modulazione del vuoto controlla un'elettrovalvola che fornisce una corrente lineare in funzione dei parametri del vuoto. Il vuoto pu\u00f2 essere generato dalla pompa del vuoto del servofreno. La corrente viene fornita dalla batteria e modula la ECU.<\/p>\n

Il principale svantaggio di tali azionamenti \u00e8 dovuto allo stato difficilmente prevedibile del gas dopo la compressione, soprattutto se riscaldato. Pertanto, gli azionamenti idraulici ed elettrici sono pi\u00f9 avanzati.<\/p>\n

Gli attuatori idraulici funzionano secondo lo stesso principio degli attuatori pneumatici, ma al posto dell'aria nel cilindro viene utilizzato un liquido, che pu\u00f2 essere rappresentato dall'olio motore<\/a>. Inoltre, non si comprime, per cui un tale sistema fornisce un controllo migliore.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

L'elettrovalvola utilizza la pressione dell'olio e un segnale dalla ECU per spostare l'anello. Il pistone idraulico muove la cremagliera e il pignone, che fa ruotare l'ingranaggio dentato, per cui le lame sono collegate in modo girevole. Per trasferire la posizione della lama della ECU, un sensore di posizione analogico si muove lungo la camma del suo azionamento. Quando la pressione dell'olio \u00e8 bassa, le palette si aprono e si chiudono all'aumentare della pressione dell'olio.<\/p>\n

L'attuatore elettrico \u00e8 il pi\u00f9 preciso, poich\u00e9 la tensione pu\u00f2 fornire un controllo molto preciso. Tuttavia, richiede un raffreddamento aggiuntivo, fornito dai tubi del refrigerante (nelle versioni pneumatica e idraulica, il liquido viene utilizzato per rimuovere il calore).<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Un meccanismo di selezione viene utilizzato per azionare il dispositivo di modifica della geometria.<\/p>\n

Alcuni modelli di turbine utilizzano un azionamento elettrico rotativo con un motore passo-passo diretto. In questo caso, la posizione delle lame \u00e8 controllata da una valvola elettronica di feedback tramite il meccanismo a pignone e cremagliera. Per il feedback dalla ECU, viene utilizzata una camma con un sensore magnetoresistivo collegato all'ingranaggio.<\/p>\n

Se \u00e8 necessario girare le pale, la ECU fornisce un'alimentazione di corrente in un certo range per portarle in una posizione predeterminata, dopodich\u00e9, ricevuto un segnale dal sensore, diseccita la valvola di feedback.<\/p>\n

La centralina del motore<\/h2>\n

Da quanto precede, ne consegue che il principio di funzionamento delle turbine a geometria variabile si basa sul coordinamento ottimale di un meccanismo aggiuntivo in conformit\u00e0 con la modalit\u00e0 di funzionamento del motore. Pertanto, \u00e8 necessario il suo posizionamento preciso e il monitoraggio costante. Pertanto le turbine a geometria variabile sono controllate da centraline motore.<\/p>\n

Usano strategie per massimizzare la produttivit\u00e0 o migliorare le prestazioni ambientali. Esistono diversi principi per il funzionamento del BUD.<\/p>\n

Il pi\u00f9 comune di questi prevede l'uso di informazioni di riferimento basate su dati empirici e modelli di motori. In questo caso, il controller feedforward seleziona i valori da una tabella e utilizza il feedback per ridurre gli errori. Si tratta di una tecnologia versatile che consente di applicare diverse strategie di controllo.<\/p>\n

Il suo principale svantaggio sono le limitazioni durante i transitori (accelerazione brusca, cambi di marcia). Per eliminarlo, sono stati utilizzati controller multiparametro, PD e PID. Questi ultimi sono considerati i pi\u00f9 promettenti, ma non sono sufficientemente precisi nell'intera gamma di carichi. Ci\u00f2 \u00e8 stato risolto applicando algoritmi decisionali in logica fuzzy utilizzando MAS.<\/p>\n

Esistono due tecnologie per fornire informazioni di base: il modello del motore medio e le reti neurali artificiali. Quest'ultimo include due strategie. Uno di questi prevede il mantenimento della spinta a un determinato livello, l'altro \u00e8 il mantenimento di una differenza di pressione negativa. Nel secondo caso si ottengono le migliori prestazioni ambientali, ma si supera la velocit\u00e0 della turbina.<\/p>\n

Non molti produttori stanno sviluppando centraline per turbocompressori a geometria variabile. La stragrande maggioranza di loro \u00e8 rappresentata da prodotti di case automobilisti<\/a>che. Tuttavia, ci sono alcune centraline di fascia alta di terze parti sul mercato progettate per tali turbine.<\/p>\n

Disposizioni generali<\/h2>\n

Le principali caratteristiche delle turbine sono rappresentate dalla portata d'aria e dalla portata. L'area di ingresso \u00e8 uno dei fattori che limitano le prestazioni. Le opzioni di geometria variabile consentono di modificare quest'area. Quindi, l'area effettiva \u00e8 determinata dall'altezza del passaggio e dall'angolo delle lame. Il primo indicatore \u00e8 cambiato nelle versioni con anello scorrevole, il secondo – nelle turbine con pale rotanti.<\/p>\n

Pertanto, i turbocompressori a geometria variabile forniscono costantemente la spinta necessaria. Di conseguenza, i motori equipaggiati con essi non hanno ritardi dovuti al tempo di rotazione della turbina, come con i grandi turbocompressori convenzionali, e non si strozzano alle alte velocit\u00e0, come con quelli piccoli.<\/p>\n

Infine, va notato che, sebbene i turbocompressori a geometria variabile siano progettati per funzionare senza una valvola di bypass, \u00e8 stato riscontrato che forniscono miglioramenti delle prestazioni principalmente all'”estremit\u00e0 inferiore” e alle alte velocit\u00e0 con pale completamente aperte, non in grado di gestire un flusso di massa elevato. Pertanto, per evitare un'eccessiva contropressione, si consiglia comunque di utilizzare un wastegate.<\/p>\n

Vantaggi e svantaggi<\/a><\/h2>\n

L'adeguamento della turbina alla modalit\u00e0 di funzionamento del motore fornisce un miglioramento di tutti gli indicatori rispetto alle opzioni a geometria fissa:<\/p>\n