Турбіна зі змінною геометрією: принцип роботи, влаштування, ремонт
З розвитком турбін для ДВЗ виробники намагаються підвищити їхню узгодженість з моторами та ефективність. Найбільш технічно досконалим серійним рішенням є зміна геометрії впускної частини. Далі розглянута конструкція турбін із змінною геометрією, принцип роботи, особливості обслуговування.
Загальні особливості
Розглянуті турбіни відрізняються від звичайних можливістю адаптації до режиму роботи двигуна шляхом зміни співвідношення A/R, що визначає пропускну здатність. Це геометрична характеристика корпусів, представлена приватним площею поперечного перерізу каналу та відстані між центром тяжкості даного перерізу та центральною віссю турбіни.
Актуальність турбокомпресорів з геометрією, що змінюється, обумовлена тим, що для високих і низьких оборотів оптимальні значення даного параметра істотно відрізняються. Так, при малій величині A/R потік має велику швидкість, внаслідок чого турбіна швидко розкручується, проте гранична пропускна здатність невелика. Великі значення даного параметра, навпаки, визначають більшу пропускну здатність та малу швидкість вихлопних газів.
Отже, при надмірно високому показнику A/R турбіна не зможе створити тиск на низьких оборотах, а при занизькому задушить мотор на верхах (через протитиск у випускному колекторі впаде продуктивність). Тому на турбокомпресорах з фіксованою геометрією підбирають середнє значення A/R, що дозволяє функціонувати в усьому діапазоні оборотів, тоді як принцип роботи турбін з геометрією, що змінюється, заснований на підтримці його оптимальної величини. Тому такі варіанти при низькому порозі наддуву та мінімальному лазі високоефективні на великих оборотах.
Крім основної назви (турбіни зі змінною геометрією (VGT, VTG)) дані варіанти відомі як моделі зі змінним соплом (VNT), зі змінною крильчаткою (VVT), з турбінним соплом змінної площі (VATN).
Турбіна зі змінною геометрією була розроблена Garrett. Крім неї, випуском таких деталей займаються інші виробники, зокрема MHI та BorgWarner. Основним виробником варіантів зі ковзним кільцем є Cummins Turbo Technologies.
Незважаючи на застосування турбін із змінною геометрією переважно на дизельних двигунах, вони дуже поширені і набирають популярності. Передбачається, що у 2020 р. такі моделі займатимуть понад 63% світового ринку турбін. Розширення використання цієї технології та її розвиток обумовлено, насамперед, посиленням екологічних норм.
Конструкція
Пристрій турбіни з геометрією, що змінюється, від звичайних моделей відрізняється наявністю додаткового механізму у вхідній частині турбінного корпусу. Існує кілька варіантів його конструкції.
Найбільш поширеним типом є ковзне лопатеве кільце. Даний пристрій представлений кільцем з рядом жорстко закріплених лопаток, розташованих навколо ротора, що рухаються відносно нерухомої пластини. Змінний механізм служить для звуження/розширення проходу для потоку газів.
Зважаючи на те, що лопатеве кільце ковзає в осьовому напрямку, цей механізм дуже компактний, а мінімальна кількість слабких місць забезпечує міцність. Цей варіант підходить для великих двигунів, тому застосовується в основному на вантажівках та автобусах. Він характеризується простотою, високою продуктивністю на низах, надійністю.
Другий варіант також передбачає наявність лопатевого кільця. Однак у даному випадку воно жорстко закріплене на плоскій пластині, а лопатки встановлені на штифтах, що забезпечують їхнє обертання в осьовому напрямку, з іншого боку. Таким чином, геометрія турбіни змінюється у вигляді лопатей. Цей варіант відрізняється найкращою ефективністю.
Однак через велику кількість рухомих елементів така конструкція менш надійна, особливо у високотемпературних умовах. Зазначені проблеми зумовлені тертям металевих деталей, які при нагріванні розширюються.
Ще один варіант – стіна, що рухається. Багато в чому він аналогічний технології ковзного кільця, проте в цьому випадку нерухомі лопаті встановлені на статичній пластині, а не на ковзному кільці.
Турбокомпресор зі змінною площею (VAT) передбачає наявність лопаток, що обертаються навколо точки установки. На відміну від схеми з поворотними лопатями вони встановлені за колом кільця, а ряд. Зважаючи на те, що такий варіант вимагає складної та дорогої механічної системи, були розроблені спрощені версії.
Одна з них – турбокомпресор зі змінною витратою (VFT) Aisin Seiki. Корпус турбіни розділений на два канали нерухомою лопатою та оснащений заслінкою, що розподіляє потік між ними. Ще кілька нерухомих лопаток встановлені довкола ротора. Вони забезпечують утримання та злиття потоку.
Другий варіант, званий схемою Switchblade, ближче до VAT, проте тут замість ряду лопаток використовується одна лопата, що також обертається навколо точки установки. Існує два типи такої конструкції. Один з них передбачає встановлення лопаті у центральній частині корпусу. У другому випадку вона знаходиться посеред каналу і поділяє його на два відсіки, як лопатка VFT.
Для управління турбіною зі змінною геометрією застосовуються приводи: електричні, гідравлічні, пневматичні. Контроль турбокомпресора здійснює блок керування двигуном (ЕБУ, БУД).
Слід зазначити, що для таких турбін не потрібен перепускний клапан, тому що завдяки точному контролю можна уповільнити потік вихлопних газів недекомпресійним способом та пропустити надлишки через турбіну.
Принцип функціонування
Принцип роботи турбін із змінною геометрією полягає у підтримці оптимального значення A/R та кута завихрення шляхом зміни площі поперечного перерізу впускної частини. Він заснований на тому, що швидкість потоку вихлопних газів пов'язана зворотною залежністю із шириною каналу. Тому на «низах» для швидкого розкручування перетин вхідної частини зменшується. Зі зростанням оборотів збільшення потоку воно поступово розширюється.
Механізм зміни геометрії
Механізм здійснення цього процесу визначається конструкцією. У моделях з лопатями, що обертаються, це досягається шляхом зміни їх положення: для забезпечення вузького перерізу лопатки розташовуються перпендикулярно радіальним лініям, а для розширення каналу вони переходять у ступінчасте положення.
У турбін зі ковзним кільцем і рухомою стінкою відбувається осьове переміщення кільця, що також змінює переріз каналу.
Принцип функціонування VFT заснований на розподілі потоку. Прискорення його на низьких оборотах здійснюється шляхом перекриття заслінкою зовнішнього відсіку каналу, внаслідок чого гази йдуть до ротора найкоротшим шляхом. При зростанні навантаження заслінка піднімається, пропускаючи потік через обидва відсіки для розширення пропускної спроможності.
Для VAT та моделей Switchblade зміна геометрії здійснюється за допомогою повороту лопаті: на низьких обертах вона піднімається, звужуючи прохід для прискорення потоку, а на високих прилягає до турбінного колеса, розширюючи пропускну спроможність. Для турбін Switchblade другого типу характерний зворотний порядок роботи лопаті.
Так, на «низах» вона прилягає до ротора, внаслідок чого потік іде лише вздовж зовнішньої стінки корпусу. Зі зростанням оборотів лопатка піднімається, відкриваючи прохід навколо крильчатки підвищення пропускну здатність.
Привід
Серед приводів найбільш поширені пневматичні варіанти, де керування механізмом здійснюється поршнем, що переміщується всередині циліндра повітрям.
Положення лопатей регулюється мембранним приводом, пов'язаним штоком з лопатевим кільцем управління, тому горловина може змінюватися. Актуатор наводить шток залежно від рівня вакууму, протидіючи пружині. Модуляція вакууму контролює електричний клапан, що подає лінійний струм залежно від параметрів вакууму. Вакуум може створюватись вакуумним насосом підсилювача гальм. Струм подається від акумулятора та модулює ЕБУ.
Основний недолік таких приводів обумовлений складно передбачуваним станом газу після стиснення, особливо при нагріванні. Тому досконалішими є гідравлічні та електричні приводи.
Гідравлічні приводи функціонують за тим самим принципом, що і пневматичні, але замість повітря в циліндрі використовується рідина, яка може бути представлена моторним маслом. До того ж вона не стискається, внаслідок чого така система забезпечує найкращий контроль.
Для переміщення кільця електромагнітний клапан використовує тиск олії та сигнал ЕБУ. Гідравлічний поршень переміщає зубчасто-рейковий механізм, що обертає зубчасту шестерню, внаслідок чого лопаті шарнірно з'єднуються. Для передачі положення лопаті БУД по кулачку її приводу переміщується аналоговий датчик положення. При малому тиску олії лопаті відкриті і закриваються з його зростанням.
Електричний привід є найточнішим, тому що напруга може забезпечити дуже тонкий контроль. Однак він вимагає додаткового охолодження, яке забезпечують трубками з рідиною, що охолоджує (у пневматичних і гідравлічних варіантах для видалення тепла використовується рідина).
Для приводу пристрою зміни геометрії є селекторний механізм.
У деяких моделях турбін використовується електричний привід, що обертається, з прямим кроковим двигуном. У разі положення лопатей регулюється електронним клапаном зворотний зв'язок через механізм рейкової передачі. Для зворотного зв'язку з БУД служить прикріплений до шестерні кулачок із магніторезистивним датчиком.
При необхідності повороту лопаток ЕБУ забезпечує подачу струму в певному діапазоні для переходу в задане положення, після чого, отримавши сигнал від датчика, знеструмлює клапан зворотного зв'язку.
Блок керування двигуном
З вищесказаного випливає, що принцип роботи турбін з геометрією, що змінюється, заснований на оптимальній координації додаткового механізму відповідно до режиму роботи двигуна. Отже, потрібне точне його позиціонування та постійний контроль. Тому турбіни із змінною геометрією контролюються блоками управління двигуном.
Вони використовують стратегії, спрямовані або на максимальну продуктивність або на поліпшення екологічних показників. Існує кілька принципів функціонування БУД.
Найбільш поширений їх передбачає використання довідкової інформації, заснованої на емпіричних даних і моделях двигуна. У цьому випадку контролер прямого зв'язку вибирає значення таблиці і використовує зворотний зв'язок для скорочення помилок. Це універсальна технологія, що дозволяє застосовувати різноманітні стратегії управління.
Основний її недолік полягає в обмеженнях при перехідних процесах (різких прискорення, перемикання передач). Для його усунення використовували багатопараметричні, PD- та PID-контролери. Останні вважають найперспективнішими, проте вони недостатньо точні у всьому діапазоні навантажень. Це вирішили шляхом застосування нечіткої логіки алгоритмів прийняття рішень із використанням MAS.
Існує дві технології надання довідкової інформації: модель двигуна середніх значень та штучні нейронні мережі. Остання включає дві стратегії. Одна їх передбачає підтримку наддуву на заданому рівні, інша — підтримання негативної різниці тиску. У другому випадку досягаються найкращі екологічні показники, але спостерігається перевищення швидкості турбіни.
Не багато виробників займаються розробкою БУД для турбокомпресорів зі змінною геометрією. Переважна частина їх представлена продукцією автовиробників. Проте на ринку є деякі сторонні висококласні ЕБУ, розраховані на такі турбіни.
загальні положення
Основні характеристики турбін представлені масовою витратою повітря та швидкістю потоку. Площа впускної частини відноситься до факторів, що обмежують продуктивність. Варіанти із змінною геометрією дозволяють змінювати цю область. Так, ефективна площа визначається висотою проходу та кутом лопатей. Перший показник змінюємо у випадках зі ковзним кільцем, другий — у турбінах з поворотними лопатками.
Таким чином, турбокомпресори з геометрією, що змінюється, постійно забезпечують необхідний наддув. Завдяки цьому оснащені ними двигуни не мають лагів, зумовлених часом розкручування турбіни, як із звичайними великими турбонагнітачами, і не задихаються на високих оборотах, як із маленькими.
Нарешті, слід зазначити, що, незважаючи на те, що турбокомпресори зі змінною геометрією розраховані на роботу без перепускного клапана, було встановлено, що вони забезпечують збільшення продуктивності, перш за все, на «низах», а на високих оборотах при повністю відкритих лопатках не в стан справитися з великою масовою витратою. Тому для запобігання надмірному протитиску все ж таки рекомендується використовувати вестгейт.
Гідності й недоліки
Підстроювання турбіни під режим роботи двигуна забезпечує покращення всіх показників у порівнянні з варіантами з фіксованою геометрією:
- кращі чуйність та продуктивність у всьому діапазоні оборотів;
- більш рівна крива моменту, що крутить, на середніх оборотах;
- можливість функціонування двигуна при частковому навантаженні більш ефективної збідненої паливо-повітряної суміші;
- найкраща теплова ефективність;
- запобігання надмірному наддуву на високих оборотах;
- найкращі екологічні показники;
- менша витрата палива;
- розширений робочий діапазон турбіни.
Основним недоліком турбокомпресорів із змінною геометрією є значно ускладнена конструкція. З огляду на наявність додаткових рухомих елементів і приводів вони менш надійні, а обслуговування та ремонт турбін такого типу складніше. До того ж модифікації для бензинових моторів дуже дорогі (приблизно в 3 рази дорожчі за звичайні). Нарешті, дані турбіни складно поєднати з не розрахованими ними двигунами.
Слід зазначити, що з пікової продуктивності турбіни з геометрією, що змінюється, нерідко поступаються звичайним аналогам. Це пояснюється втратами в корпусі та навколо опор рухомих елементів. До того ж, максимальна продуктивність різко падає при відході від оптимального положення. Однак загальна ефективність турбокомпресорів такої конструкції вища, ніж у варіантів з фіксованою геометрією, зважаючи на більший робочий діапазон.
Застосування та додаткові функції
Сфера застосування турбін із змінною геометрією визначається їх типом. Так, на двигуни легкових і легких комерційних автомобілів встановлюють варіанти з лопатями, що обертаються, а модифікації зі ковзними кільцем застосовують в основному на вантажівках.
В цілому найчастіше турбіни із змінною геометрією використовують на дизельних двигунах. Це пояснюється невисокою температурою вихлопних газів.
На легкових дизелях такі турбонагнітачі служать насамперед для компенсації втрати продуктивності від системи рециркуляції відпрацьованих газів.
На вантажівках самі турбіни можуть покращувати екологічність шляхом контролю кількості вихлопних газів, що рециркулюються до впускного отвору двигуна. Так, з використанням турбокомпресорів із змінною геометрією можна підвищити тиск у випускному колекторі до величини, більшої, ніж у впускному, з метою прискорення рециркуляції. Незважаючи на те, що надлишковий протитиск негативно позначається на ефективності використання палива, воно сприяє скороченню викидів оксиду азоту.
До того ж, механізм можна модифікувати з метою скорочення ефективності турбіни в заданому положенні. Це використовується для підвищення температури вихлопних газів з метою продування фільтра сажі шляхом окислення застряглих вуглецевих частинок в результаті нагрівання.
Ці функції вимагають наявності гідравлічного або електричного приводу.
Зазначені переваги турбін із змінною геометрією перед звичайними визначають їх як оптимальний варіант для спортивних моторів. Однак на бензинових двигунах вони зустрічаються дуже рідко. Відомо лише кілька оснащених ними спорткарів (нині – Porsche 718, 911 Turbo та Suzuki Swift Sport). За словами одного з менеджерів BorgWarner, це пояснюється дуже високою вартістю виробництва таких турбін, що обумовлена необхідністю застосування спеціалізованих термостійких матеріалів для взаємодії з високотемпературними вихлопними газами бензинових моторів (вихлопні гази дизелів мають набагато меншу температуру, тому турбіни для них дешевші).
Перші VGT, що використовуються на бензинових двигунах, були виготовлені зі звичайних матеріалів, тому для забезпечення прийнятного терміну експлуатації доводилося використовувати складні системи охолодження. Так, на Honda Legend 1988 таку турбіну поєднали з інтеркулером водяного охолодження. До того ж для двигунів даного типу більш широкий діапазон пропускної спроможності вихлопних газів, отже, потрібна можливість обробки більшого діапазону масової витрати.
Виробники досягають необхідних показників продуктивності, чуйності, ефективності та екологічності найбільш дешевими методами. Виняток становлять поодинокі випадки, коли кінцева вартість не є пріоритетною. У цьому контексті це, наприклад, досягнення рекордних показників на Koenigsegg One: 1 або адаптація Porsche 911 Turbo до цивільної експлуатації.
Загалом переважна більшість турбованих автомобілів оснащують турбокомпресорами звичайної конструкції. Для високопродуктивних спортивних двигунів нерідко використовують твінкрольні варіанти. Хоча такі турбокомпресори поступаються VGT, вони мають ті ж переваги перед звичайними турбінами, тільки меншою мірою, і при цьому мають майже таку ж просту конструкцію, як і останні. Що стосується тюнінгу, тут використання турбокомпресорів із змінною геометрією, крім високої вартості, обмежено складністю їх налаштування.
Для бензинових двигунів у дослідженні H. Ishihara, K. Adachi і S. Kono як найбільш оптимальна серед VGT була відзначена турбіна зі змінною витратою (VFT). Завдяки тільки одному елементу, що рухається, скорочені витрати на виробництво і підвищена температурна стійкість. До того ж така турбіна діє за простим алгоритмом БУД, аналогічним варіантам з фіксованою геометрією, оснащеним перепускним клапаном. Особливо хороші результати були отримані при суміщенні такої турбіни з iVTEC. Однак для систем примусової індукції спостерігається підвищення температури вихлопних газів на 50-100 ° C, що впливає на екологічні показники. Цю проблему вирішили використанням алюмінієвого колектора з водяним охолодженням.
Рішенням BorgWarner для бензинових двигунів стало суміщення твінскролової технології і конструкції зі змінною геометрією в твінскролової турбіні з змінною геометрією, представленої на SEMA 2015 р. що враховує послідовність роботи циліндрів для усунення пульсації вихлопних газів з метою створення щільнішого потоку.
Відмінність полягає у наявності у вхідній частині заслінки, яка залежно від навантаження розподіляє потік по крильчатках. На низьких оборотах всі відпрацьовані газу йдуть на невелику частину ротора, а більша перекрита, що забезпечує ще швидшу розкрутку, ніж у звичайної твінскролової турбіни. Зі зростанням навантаження заслінка поступово переходить у середнє положення і рівномірно розподіляє потік на високих оборотах, як у стандартній твінскрольній конструкції. Тобто за механізмом зміни геометрії така турбіна близька до VFT.
Таким чином, дана технологія, як і технологія з геометрією, що змінюється, забезпечує зміну співвідношення A/R в залежності від навантаження, підлаштовуючи турбіну під режим роботи двигуна, що розширює робочий діапазон. При цьому конструкція, що розглядається, значно простіше і дешевше, так як тут використовується тільки один рухомий елемент, що працює за простим алгоритмом, і не потрібне застосування термостійких матеріалів. Остання обумовлено зниженням температури за рахунок втрати тепла на стінках подвійного корпусу турбіни. Слід зазначити, що подібні рішення зустрічалися і раніше (наприклад, quick spool valve), проте ця технологія з якихось причин не набула поширення.
Обслуговування та ремонт
Основною операцією обслуговування турбін є чищення. Необхідність у ній обумовлена їхньою взаємодією з вихлопними газами, представленими продуктами горіння палива та масел. Проте чищення потрібно дуже рідко. Інтенсивне забруднення свідчить про порушення режиму функціонування, що може бути викликане надмірним тиском, зносом прокладок або втулок крильчаток, а також поршневого відсіку, засмічення сапуна.
Турбіни з геометрією, що змінюється, більш чутливі до забруднення, ніж звичайні. Це пов'язано з тим, що накопичення нагару в напрямному апараті пристрою зміни геометрії призводить до його підклинювання або втрати рухливості. Внаслідок цього порушується функціонування турбокомпресора.
У найпростішому випадку чищення здійснюють шляхом використання спеціальної рідини, проте нерідко потрібні ручні роботи. Попередньо необхідно розібрати турбіну. При від'єднанні механізму зміни геометрії слід бути обережними, щоб уникнути обрізання кріпильних болтів. Наступне висвердлювання уламків може призвести до пошкодження отворів. Таким чином, чистка турбіни зі змінною геометрією дещо ускладнена.
До того ж необхідно враховувати, що з необережному поводженні з картриджем можна пошкодити чи деформувати лопаті ротора. У разі його розбирання після завершення чищення потрібно балансування, проте всередині картриджа чищення зазвичай не роблять.
Масляний нагар на колесах свідчить про зношування поршневих кілець або клапанної групи, а також ущільнень ротора в картриджі. Чистка без усунення даних несправностей двигуна чи ремонту турбіни недоцільна.
Після заміни картриджа для турбокомпресорів типу, що розглядається, потрібно налаштування геометрії. Для цього служать завзятий і шорсткий регулювальні гвинти. Слід зазначити, деякі моделі першого покоління спочатку не налаштовані виробниками, унаслідок чого вони знижено продуктивність на «низах» на 15-25 %. Зокрема, це є актуальним для турбін Garrett. В Інтернеті можна знайти інструкції, як відрегулювати турбіну зі змінною геометрією.
Резюме
Турбокомпресори зі змінною геометрією представляють вищий рівень розвитку серійних турбін для ДВС. Додатковий механізм у впускній частині забезпечує адаптацію турбіни режиму роботи двигуна шляхом регулювання конфігурації. Це покращує показники продуктивності, економічності та екологічності. Однак конструкція VGT складна, а моделі для бензинових двигунів дуже дорогі.