Turbin med variabel geometri: funktionsprincip, anordning, reparation

Med utvecklingen av turbiner för förbränningsmotorer försöker tillverkarna att förbättra sin överensstämmelse med motorer och effektivitet. Den mest tekniskt avancerade serielösningen är en förändring av inloppets geometri. Vidare beaktas utformningen av turbiner med variabel geometri, driftprincipen och underhållsfunktioner.

Allmänna funktioner

Turbinerna som övervägs skiljer sig från de vanliga i förmågan att anpassa sig till motorns driftläge genom att ändra A/R-förhållandet, som bestämmer genomströmningen. Detta är en geometrisk egenskap hos husen, representerad av förhållandet mellan kanalens tvärsnittsarea och avståndet mellan tyngdpunkten för denna sektion och turbinens centrala axel.

Relevansen av turboladdare med variabel geometri beror på det faktum att för höga och låga hastigheter skiljer sig de optimala värdena för denna parameter avsevärt. Så, vid ett litet värde på A/R, har flödet en hög hastighet, som ett resultat av vilket turbinen snurrar upp snabbt, men den maximala genomströmningen är låg. Stora värden av denna parameter bestämmer tvärtom en stor genomströmning och en låg avgashastighet.

Därför, om A/R är för hög, kommer turbinen inte att kunna skapa tryck vid låga hastigheter, och om den är för låg kommer den att strypa motorn i toppen (på grund av mottrycket i avgasgrenröret, prestanda kommer att sjunka). På turboladdare med fast geometri väljs därför ett genomsnittligt A / R-värde som gör det möjligt att arbeta över hela hastighetsområdet, medan principen för drift av turbiner med variabel geometri är baserad på att bibehålla sitt optimala värde. Därför är sådana alternativ med en låg boost-tröskel och minimal fördröjning mycket effektiva vid höga hastigheter.

Förutom huvudnamnet (turbiner med variabel geometri (VGT, VTG)) är dessa varianter kända som modeller med variabelt munstycke (VNT), variabelt impeller (VVT), turbinmunstycke med variabel yta (VATN).

Turbinen med variabel geometri utvecklades av Garrett. Utöver det är andra tillverkare engagerade i releasen av sådana delar, inklusive MHI och BorgWarner. Huvudtillverkaren av varianter av släpringar är Cummins Turbo Technologies.

Trots användningen av turbiner med variabel geometri främst på dieselmotorer, är de mycket vanliga och vinner popularitet. Det antas att 2020 kommer sådana modeller att uppta mer än 63% av den globala turbinmarknaden. Utvidgningen av användningen av denna teknik och dess utveckling beror främst på skärpningen av miljöstandarder.

Design

Turbinens anordning med variabel geometri skiljer sig från konventionella modeller genom närvaron av en extra mekanism i inloppsdelen av turbinhöljet. Det finns flera alternativ för dess design.

Den vanligaste typen är den glidande paddelringen. Denna anordning representeras av en ring med ett antal styvt fixerade blad placerade runt rotorn och som rör sig i förhållande till den fasta plattan. Glidmekanismen tjänar till att minska/expandera passagen för flödet av gaser.

Eftersom paddelringen glider i axiell riktning är denna mekanism mycket kompakt, och det minsta antalet svaga punkter säkerställer styrka. Detta alternativ är lämpligt för stora motorer, så det används främst på lastbilar och bussar. Det kännetecknas av enkelhet, hög prestanda på “bottnarna”, tillförlitlighet.

Det andra alternativet förutsätter också närvaron av en bladring. Men i det här fallet är den styvt fixerad på en platt platta, och bladen är monterade på stift som säkerställer att de roterar i axiell riktning, på andra sidan av den. Således ändras turbinens geometri med hjälp av bladen. Detta alternativ är det mest effektiva.

Men på grund av det stora antalet rörliga delar är denna design mindre tillförlitlig, särskilt vid höga temperaturer. De noterade problemen beror på friktionen hos metalldelar, som expanderar vid upphettning.

Ett annat alternativ är en rörlig vägg. Det liknar på många sätt släpringstekniken, men i detta fall är de fasta bladen monterade på en statisk platta snarare än en släpring.

En turboladdare med variabel yta (moms) involverar blad som roterar runt en monteringspunkt. Till skillnad från schemat med roterande blad, installeras de inte längs ringens omkrets, utan i rad. På grund av det faktum att detta alternativ kräver ett komplext och dyrt mekaniskt system, har förenklade versioner utvecklats.

En av dem är Aisin Seiki Variable Flow Turbocharger (VFT). Turbinhuset är uppdelat i två kanaler med ett fast blad och är försett med ett spjäll som fördelar flödet mellan dem. Några fler fasta blad är installerade runt rotorn. De ger retention och flödessammanslagning.

Det andra alternativet, kallat Switchblade-schemat, är närmare moms, men istället för en rad med blad används ett enda blad, som också roterar runt installationspunkten. Det finns två typer av sådan konstruktion. En av dem involverar installation av bladet i den centrala delen av kroppen. I det andra fallet är den i mitten av kanalen och delar upp den i två fack, som ett VFT-blad.

För att styra turbinen med variabel geometri används drivenheter: elektriska, hydrauliska, pneumatiska. Turboladdaren styrs av motorstyrenheten (ECU, ECU).

Det bör noteras att sådana turbiner inte kräver en bypassventil, eftersom det på grund av exakt kontroll är möjligt att bromsa flödet av avgaser på ett icke-dekompressivt sätt och passera överskottet genom turbinen.

Funktionsprincip

Turbiner med variabel geometri fungerar genom att bibehålla den optimala A/R- och virvelvinkeln genom att variera inloppets tvärsnittsarea. Den är baserad på det faktum att avgasflödeshastigheten är omvänt relaterad till kanalbredden. Därför, på “bottnarna” för snabb marknadsföring, minskar tvärsnittet av inmatningsdelen. Med en ökning av hastigheten för att öka flödet expanderar den gradvis.

Geometrimodifieringsmekanism

Mekanismen för att implementera denna process bestäms av designen. I modeller med roterande blad uppnås detta genom att ändra deras position: för att säkerställa en smal sektion är bladen vinkelräta mot de radiella linjerna, och för att vidga kanalen flyttar de sig till en stegvis position.

I turbiner med glidring och rörlig vägg uppstår ringens axiella rörelse, vilket också ändrar kanalens tvärsnitt.

Funktionsprincipen för VFT är baserad på flödesseparering. Dess acceleration vid låga hastigheter utförs genom att stänga kanalens yttre utrymme med en dämpare, vilket resulterar i att gaserna går till rotorn på kortast möjliga sätt. När belastningen ökar stiger spjället för att tillåta flöde genom båda facken för att utöka kapaciteten.

För VAT- och Switchblade-modeller görs förändringen i geometri genom att vrida bladet: vid låga hastigheter stiger det, smalnar av passagen för att påskynda flödet, och vid höga hastigheter ligger det intill turbinhjulet, vilket ökar genomströmningen. Switchblade-turbiner av den andra typen kännetecknas av den omvända ordningen för bladets drift.

Så på “bottnarna” ligger den intill rotorn, vilket gör att flödet endast går längs husets yttervägg. När hastigheten ökar stiger bladet och öppnar en passage runt pumphjulet för att öka genomströmningen.

Drivenhet

Bland drivenheterna är de vanligaste pneumatiska alternativen, där mekanismen styrs av en kolv som rör luft inuti cylindern.

Skovlarnas läge styrs av ett membranställdon som är anslutet med en stång till vingstyrringen, så att halsen ständigt kan förändras. Ställdonet driver spindeln beroende på vakuumnivån och motverkar fjädern. Vakuummodulering styr en elektrisk ventil som levererar en linjär ström beroende på vakuumparametrarna. Vakuum kan genereras av bromsförstärkarens vakuumpump. Strömmen tillförs från batteriet och modulerar ECU:n.

Den största nackdelen med sådana drivenheter beror på det svåra förutsägbara tillståndet hos gasen efter kompression, särskilt vid upphettning. Därför är hydrauliska och elektriska drivningar mer avancerade.

Hydrauliska ställdon fungerar på samma princip som pneumatiska ställdon, men istället för luft i cylindern används en vätska, som kan representeras av motorolja. Dessutom komprimerar det inte, vilket gör att ett sådant system ger bättre kontroll.

Magnetventilen använder oljetryck och en signal från ECU för att flytta ringen. Den hydrauliska kolven förflyttar kuggstången, som roterar kugghjulet, vilket resulterar i att bladen är svängbart anslutna. För att överföra ECU-bladets position rör sig en analog positionssensor längs kammen på dess drivning. När oljetrycket är lågt öppnas och stängs vingarna när oljetrycket ökar.

Det elektriska ställdonet är det mest exakta, eftersom spänningen kan ge mycket fin kontroll. Det kräver dock ytterligare kylning, som tillhandahålls av kylvätskerör (i pneumatiska och hydrauliska versioner används vätska för att avlägsna värme).

En väljarmekanism används för att driva geometriändringsanordningen.

Vissa modeller av turbiner använder en roterande elektrisk drivning med en direkt stegmotor. I detta fall styrs bladens position av en elektronisk återkopplingsventil genom kuggstångsmekanismen. För återkoppling från ECU:n används en kam med en magnetoresistiv sensor fäst på växeln.

Om det är nödvändigt att vrida bladen, tillhandahåller ECU:n en strömförsörjning i ett visst område för att flytta dem till en förutbestämd position, varefter den, efter att ha fått en signal från sensorn, avaktiverar återkopplingsventilen.

Motorns styrenhet

Av det föregående följer att principen för drift av turbiner med variabel geometri är baserad på optimal koordinering av en ytterligare mekanism i enlighet med motorns driftläge. Därför krävs dess exakta positionering och konstant övervakning. Därför styrs turbiner med variabel geometri av motorstyrenheter.

De använder strategier för att antingen maximera produktiviteten eller förbättra miljöprestanda. Det finns flera principer för hur BUD fungerar.

Den vanligaste av dessa är användningen av referensinformation baserad på empiriska data och motormodeller. I det här fallet väljer feedforward-styrenheten värden från en tabell och använder feedback för att minska fel. Detta är en mångsidig teknik som låter dig tillämpa olika kontrollstrategier.

Dess största nackdel är begränsningarna under transienter (skarp acceleration, växlingar). För att eliminera det användes multiparameter-, PD- och PID-kontroller. De senare anses vara de mest lovande, men de är inte tillräckligt exakta i hela lastintervallet. Detta löstes genom att använda algoritmer för luddiga logiska beslut med MAS.

Det finns två tekniker för att tillhandahålla bakgrundsinformation: medelmotormodellen och artificiella neurala nätverk. Den senare innehåller två strategier. En av dem innebär att upprätthålla boost på en given nivå, den andra är att upprätthålla en negativ tryckskillnad. I det andra fallet uppnås den bästa miljöprestandan, men turbinhastigheten överskrids.

Det är inte många tillverkare som utvecklar ECU för turboladdare med variabel geometri. De allra flesta av dem representeras av produkter från biltillverkare. Det finns dock några avancerade ECU:er från tredje part på marknaden som är designade för sådana turbiner.

Allmänna bestämmelser

De viktigaste egenskaperna hos turbiner representeras av luftmassflöde och flödeshastighet. Inloppsarea är en av de prestandabegränsande faktorerna. Varierande geometrialternativ låter dig ändra detta område. Så det effektiva området bestäms av höjden på passagen och vinkeln på bladen. Den första indikatorn ändras i versioner med en glidring, den andra – i turbiner med roterande blad.

Turboladdare med variabel geometri ger ständigt den nödvändiga förstärkningen. Som ett resultat har motorer utrustade med dem inte fördröjning på grund av turbinens spin-up-tid, som med konventionella stora turboladdare, och choker inte vid höga hastigheter, som med små.

Slutligen bör det noteras att även om turboladdare med variabel geometri är konstruerade för att fungera utan en bypass-ventil, har de visat sig ge prestandaförbättringar främst i den “nedre änden” och vid höga hastigheter med helt öppna blad, utan att kunna hantera stort massflöde. Därför, för att förhindra överdrivet mottryck, rekommenderas det fortfarande att använda en wastegate.

Fördelar och nackdelar

Att justera turbinen till motorns driftläge ger en förbättring av alla indikatorer i jämförelse med fasta geometrialternativ:

• bättre respons och prestanda över hela varvtalsområdet;
• jämnare vridmomentkurva vid medelhastigheter;
• förmågan att driva motorn med delbelastning på en mer effektiv mager luft-bränsleblandning;
• bättre termisk effektivitet;
• förhindrar överdriven boost vid höga hastigheter;
• bästa miljöprestanda;
• lägre bränsleförbrukning;
• utökat turbindriftsområde.

Den största nackdelen med turboladdare med variabel geometri är deras avsevärt komplicerade design. På grund av närvaron av ytterligare rörliga element och drivenheter är de mindre tillförlitliga, och underhåll och reparation av turbiner av denna typ är svårare. Dessutom är modifieringar av bensinmotorer mycket dyra (cirka 3 gånger dyrare än konventionella). Slutligen är dessa turbiner svåra att kombinera med motorer som inte är konstruerade för dem.

Det bör noteras att turbiner med variabel geometri ofta är sämre än konventionella motsvarigheter när det gäller toppprestanda. Detta beror på förluster i huset och runt stöden för de rörliga elementen. Dessutom sjunker den maximala prestandan kraftigt när man rör sig bort från den optimala positionen. Den totala effektiviteten för turboladdare av denna design är dock högre än för varianter med fast geometri på grund av det större driftsområdet.

Applikation och tilläggsfunktioner

Omfattningen av turbiner med variabel geometri bestäms av deras typ. Så på motorerna i bilar och lätta kommersiella fordon installeras alternativ med roterande blad, och modifieringar med en glidring används främst på lastbilar.

Generellt sett används turbiner med variabel geometri oftast på dieselmotorer. Detta beror på den låga temperaturen på deras avgaser.

På lätta dieselmotorer tjänar sådana turboladdare främst till att kompensera för förlusten av prestanda från avgasåtercirkulationssystemet.

På lastbilar kan själva turbinerna förbättra miljöprestandan genom att kontrollera mängden avgaser som återcirkuleras till motorns intag. Således, med användning av turboladdare med variabel geometri, är det möjligt att öka trycket i avgasgrenröret till ett värde som är högre än i insugningsröret för att påskynda återcirkulationen. Även om för högt mottryck har en negativ effekt på bränsleeffektiviteten, hjälper det till att minska kväveoxidutsläppen.

Dessutom kan mekanismen modifieras för att minska verkningsgraden hos turbinen i ett givet läge. Detta används för att höja temperaturen på avgaserna för att rensa upp partikelfiltret genom att oxidera de fastnade kolpartiklarna till följd av uppvärmning.

Dessa funktioner kräver hydraulisk eller elektrisk drivning.

De noterade fördelarna med turbiner med variabel geometri jämfört med konventionella gör dem till det bästa alternativet för sportmotorer. De är dock extremt sällsynta på bensinmotorer. Endast ett fåtal sportbilar utrustade med dem är kända (för närvarande Porsche 718, 911 Turbo och Suzuki Swift Sport). Enligt en BorgWarner-chef beror detta på de mycket höga kostnaderna för att producera sådana turbiner, på grund av behovet av att använda specialiserade värmebeständiga material för att interagera med högtemperaturavgaserna från bensinmotorer (dieselavgaserna har en mycket lägre temperatur, så turbiner är billigare för dem).

De första VGT:erna som användes på bensinmotorer var gjorda av konventionella material, så komplexa kylsystem måste användas för att säkerställa acceptabel livslängd. Så på Honda Legend från 1988 kombinerades en sådan turbin med en vattenkyld intercooler. Dessutom har denna typ av motor ett bredare utbud av avgasflöden, vilket kräver förmågan att hantera ett större massflödesområde.

Tillverkare uppnår de erforderliga nivåerna av prestanda, lyhördhet, effektivitet och miljövänlighet på det mest kostnadseffektiva sättet. Undantaget är enstaka fall då slutkostnaden inte är prioriterad. I detta sammanhang handlar det till exempel om att uppnå rekordprestanda på Koenigsegg One: 1 eller att anpassa en Porsche 911 Turbo för civilt bruk.

Generellt sett är de allra flesta turboladdade bilar utrustade med konventionella turboladdare. För högpresterande sportmotorer används ofta twin-scroll-alternativ. Även om dessa turboladdare är sämre än VGT, erbjuder de samma fördelar jämfört med konventionella turbiner, bara i mindre utsträckning, och har ändå nästan samma enkla design som de senare. När det gäller inställning begränsas användningen av turboladdare med variabel geometri, förutom höga kostnader, av komplexiteten i deras inställning.

För bensinmotorer, i en studie av H. Ishihara, K. Adachi och S. Kono, noterades turbinen med variabelt flöde (VFT) som den mest optimala bland VGT. Tack vare endast ett rörligt element sänks produktionskostnaderna och den termiska stabiliteten ökas. Dessutom arbetar en sådan turbin enligt en enkel ECU-algoritm, som liknar fixerade geometrialternativ utrustade med en bypass-ventil. Särskilt goda resultat har uppnåtts när en sådan turbin kombineras med en iVTEC. För forcerade induktionssystem observeras dock en ökning av avgastemperaturen med 50-100 °C, vilket påverkar miljöprestandan. Detta problem löstes genom att använda ett vattenkylt grenrör av aluminium.

BorgWarners lösning för bensinmotorer var att kombinera twin scroll-teknologi och design med variabel geometri i den tvilling-scroll-turbin med variabel geometri som presenterades på SEMA 2015. Dess design liknar twin scroll-turbinen: denna turboladdare har ett dubbelt inlopp och ett dubbelt monolitiskt turbinhjul och kombineras med ett dubbelt rullningsrör, med hänsyn till cylindersekvensen för att eliminera avgaspulsering för att skapa ett tätare flöde.

Skillnaden ligger i närvaron av ett spjäll i inloppsdelen, som beroende på belastningen fördelar flödet över pumphjulen. Vid låga hastigheter går alla avgaserna till en liten del av rotorn, och den stora delen är blockerad, vilket ger ännu snabbare spin-up än en konventionell twin-scroll-turbin. När belastningen ökar flyttas spjället gradvis till mittläget och fördelar flödet jämnt vid höga hastigheter, som i en vanlig twin-scroll-design. Det vill säga, när det gäller mekanismen för att ändra geometrin, är en sådan turbin nära en VFT.

Således ger denna teknik, liksom teknik med variabel geometri, en förändring av A/R-förhållandet beroende på belastningen, vilket justerar turbinen till motorns driftläge, vilket utökar driftsområdet. Samtidigt är designen i fråga mycket enklare och billigare, eftersom endast ett rörligt element används här, som fungerar enligt en enkel algoritm, och värmebeständiga material inte krävs. Det senare beror på en minskning av temperaturen på grund av värmeförlust på väggarna i turbinens dubbla hölje. Det bör noteras att liknande lösningar har stött på tidigare (till exempel en snabb spolventil), men av någon anledning har denna teknik inte blivit populär.

Underhåll och reparation

Det huvudsakliga underhållsarbetet för turbiner är rengöring. Behovet av det beror på deras interaktion med avgaser, representerade av förbränningsprodukterna av bränsle och oljor. Städning krävs dock sällan. Intensiv förorening indikerar överträdelser av funktionsläget, vilket kan orsakas av för högt tryck, slitage av packningar eller bussningar på pumphjulen, såväl som kolvutrymmet, igensättning av ventilationen.

Turbiner med variabel geometri är mer känsliga för nedsmutsning än konventionella turbiner. Detta beror på det faktum att ackumuleringen av sot i ledskenan på geometriändringsanordningen leder till att den fastnar eller förlorar rörligheten. Som ett resultat störs turboladdarens funktion.

I det enklaste fallet utförs rengöring med en speciell vätska, men ofta krävs manuellt arbete. Turbinen måste först demonteras. När du tar bort geometriändringsmekanismen, var försiktig så att du inte skär av monteringsbultarna. Efterföljande borrning av deras fragment kan leda till skador på hålen. Sålunda är rengöringen av turbinen med variabel geometri något komplicerad.

Dessutom måste man komma ihåg att vårdslös hantering av patronen kan skada eller deformera rotorbladen. Om den tas isär efter att rengöringen är klar kommer balansering att krävas, men rengöring görs vanligtvis inte inuti patronen.

Oljesot på hjulen indikerar slitage på kolvringarna eller ventilgruppen, samt rotortätningarna i patronen. Rengöring utan att eliminera dessa motorfel eller reparera turbinen är inte tillrådligt.

Efter byte av patronen för turboladdare av den aktuella typen krävs geometrijustering. För detta används ihållande och grova justerskruvar. Det bör noteras att vissa modeller av den första generationen inte ursprungligen konfigurerades av tillverkare, vilket resulterade i att deras prestanda på “botten” minskas med 15-25%. I synnerhet gäller detta för Garrett-turbiner. Instruktioner finns på nätet om hur man justerar en turbin med variabel geometri.

Sammanfattning

Turboladdare med variabel geometri representerar det högsta steget i utvecklingen av serieturbiner för förbränningsmotorer. En extra mekanism i insugningsdelen säkerställer att turbinen anpassas till motorns driftläge genom att justera konfigurationen. Detta förbättrar prestanda, ekonomi och miljövänlighet. Utformningen av VGT är dock komplex, och modeller för bensinmotorer är mycket dyra.