Turbină cu geometrie variabilă: principiu de funcționare, dispozitiv, reparație

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-02-19 18:19

Odată cu dezvoltarea turbinelor ICE, producătorii încearcă să-și îmbunătățească coerența cu motoarele și eficiența. Soluția serială cea mai avansată din punct de vedere tehnic este o modificare a geometriei admisiei. În continuare, sunt luate în considerare proiectarea turbinelor cu geometrie variabilă, principiul de funcționare și caracteristicile de întreținere.

Funcții generale

Turbinele luate în considerare diferă de cele obișnuite prin capacitatea de a se adapta la modul de funcționare a motorului prin modificarea raportului A/R, care determină debitul. Aceasta este o caracteristică geometrică a carcaselor, reprezentată de raportul dintre aria secțiunii transversale a canalului și distanța dintre centrul de greutate al acestei secțiuni și axa centrală a turbinei.

Relevanța turbocompresoarelor cu geometrie variabilă se datorează faptului că pentru viteze mari și mici valorile optime ale acestui parametru diferă semnificativ. Deci, pentru o valoare mică a A/R, debitulare o viteză mare, în urma căreia turbina se rotește rapid, dar debitul maxim este scăzut. Valorile mari ale acestui parametru, dimpotrivă, determină un debit mare și o viteză scăzută a gazelor de eșapament.

În consecință, cu un A/R excesiv de mare, turbina nu va putea crea presiune la turații mici, iar dacă este prea scăzută, va sufoca motorul la vârf (din cauza contrapresiunii din galeria de evacuare, performanța va scădea). Așadar, la turbocompresoarele cu geometrie fixă este selectată o valoare medie A/R care îi permite să funcționeze pe toată gama de turații, în timp ce principiul de funcționare al turbinelor cu geometrie variabilă se bazează pe menținerea valorii optime a acesteia. Prin urmare, astfel de opțiuni cu un prag de amplificare scăzut și un întârziere minim sunt foarte eficiente la viteze mari.

Pe lângă denumirea principală (turbine cu geometrie variabilă (VGT, VTG)), aceste variante sunt cunoscute sub denumirea de modele cu duză variabilă (VNT), rotor variabil (VVT), duză pentru turbină cu zonă variabilă (VATN).

Turbina cu geometrie variabilă a fost dezvoltată de Garrett. În plus, alți producători sunt implicați în lansarea unor astfel de piese, inclusiv MHI și BorgWarner. Producătorul principal al variantelor de inele colectoare este Cummins Turbo Technologies.

În ciuda utilizării turbinelor cu geometrie variabilă în principal pe motoarele diesel, acestea sunt foarte comune și câștigă popularitate. Se presupune că în 2020 astfel de modele vor ocupa mai mult de 63% din piața globală a turbinelor. Extinderea utilizării acestei tehnologii și dezvoltarea acesteia se datorează în primul rând înăspririi reglementărilor de mediu.

Design

Dispozitivul cu turbină cu geometrie variabilă diferă de modelele convenționale prin prezența unui mecanism suplimentar în partea de admisie a carcasei turbinei. Există mai multe opțiuni pentru designul său.

Cel mai comun tip este inelul cu vâsle glisante. Acest dispozitiv este reprezentat de un inel cu un număr de lame fixate rigid situate în jurul rotorului și care se deplasează în raport cu placa fixă. Mecanismul de glisare este folosit pentru a îngusta/extinde trecerea pentru curgerea gazelor.

Datorita faptului ca inelul paletei aluneca in directie axiala, acest mecanism este foarte compact, iar numarul minim de puncte slabe asigura rezistenta. Această opțiune este potrivită pentru motoare mari, deci este utilizată în principal pe camioane și autobuze. Se caracterizează prin simplitate, performanță ridicată în partea de jos, fiabilitate.

A doua opțiune presupune și prezența unui inel de palete. Totuși, în acest caz, acesta este fixat rigid pe o placă plană, iar lamele sunt montate pe știfturi care asigură rotirea lor în direcția axială, pe ceal altă parte a acesteia. Astfel, geometria turbinei este modificată prin intermediul paletelor. Această opțiune are cea mai bună eficiență.

Totuși, datorită numărului mare de piese în mișcare, acest design este mai puțin fiabil, mai ales în condiții de temperatură ridicată. Marcatproblemele sunt cauzate de frecarea pieselor metalice, care se extind atunci când sunt încălzite.

O altă opțiune este un perete în mișcare. Este similară în multe privințe cu tehnologia inelului colector, însă în acest caz, lamele fixe sunt montate pe o placă statică, mai degrabă decât pe un inel colector.

Turbocompresorul cu zonă variabilă (TVA) are lame care se rotesc în jurul punctului de instalare. Spre deosebire de schema cu lame rotative, acestea sunt instalate nu de-a lungul circumferinței inelului, ci într-un rând. Deoarece această opțiune necesită un sistem mecanic complex și costisitor, au fost dezvoltate versiuni simplificate.

Unul este turbocompresorul cu debit variabil (VFT) Aisin Seiki. Carcasa turbinei este împărțită în două canale de o lamă fixă și este echipată cu un amortizor care distribuie debitul între ele. În jurul rotorului sunt instalate încă câteva lame fixe. Acestea asigură reținerea și îmbinarea fluxului.

A doua opțiune, numită schema Switchblade, este mai aproape de TVA, dar în loc de un rând de lame, se folosește o singură lamă, care se rotește și în jurul punctului de instalare. Există două tipuri de astfel de construcție. Una dintre ele presupune instalarea lamei în partea centrală a corpului. În al doilea caz, se află în mijlocul canalului și îl împarte în două compartimente, ca o paletă VFT.

Pentru controlul unei turbine cu geometrie variabila se folosesc actionari: electrice, hidraulice, pneumatice. Turbocompresorul este controlat de unitatea de controlmotor (ECU, ECU).

De remarcat că aceste turbine nu necesită o supapă de bypass, deoarece datorită controlului precis este posibil să încetinească fluxul gazelor de eșapament într-un mod nedecompresiv și să treacă excesul prin turbină.

Principiul de funcționare

Turbinele cu geometrie variabilă funcționează prin menținerea A/R optimă și a unghiului de turbionare prin modificarea ariei secțiunii transversale a admisiei. Se bazează pe faptul că viteza de curgere a gazelor de eșapament este invers legată de lățimea canalului. Prin urmare, pe „partea de jos” pentru promovare rapidă, secțiunea transversală a părții de intrare este redusă. Odată cu creșterea vitezei pentru a crește debitul, acesta se extinde treptat.

Mecanism pentru schimbarea geometriei

Mecanismul de implementare a acestui proces este determinat de proiect. La modelele cu lame rotative, acest lucru se realizează prin schimbarea poziției acestora: pentru a asigura o secțiune îngustă, lamele sunt perpendiculare pe liniile radiale, iar pentru a lărgi canalul, acestea trec în poziție treptă.

Turbinele cu inel glisant cu un perete mobil au o mișcare axială a inelului, care modifică și secțiunea canalului.

Principiul de funcționare al VFT se bazează pe separarea fluxului. Accelerația sa la viteze mici se realizează prin închiderea compartimentului extern al canalului cu un amortizor, drept urmare gazele ajung la rotor în cel mai scurt mod posibil. Pe măsură ce sarcina crește, amortizorulse ridică pentru a permite curgerea prin ambele compartimente pentru a extinde capacitatea.

La modelele cu TVA și Switchblade, geometria se modifică prin rotirea lamei: la viteze mici, aceasta se ridică, îngustând trecerea pentru a accelera fluxul, iar la viteze mari, este adiacent roții turbinei, extinzându-se. debitului. Turbinele cu lame comutatoare de tip 2 au o funcționare inversă a palelor.

Deci, pe „partea de jos” este adiacent rotorului, drept urmare fluxul merge numai de-a lungul peretelui exterior al carcasei. Pe măsură ce rpm crește, paleta se ridică, deschizând un pasaj în jurul rotorului pentru a crește debitul.

Drive

Dintre sisteme de acţionare, cele mai comune sunt opţiunile pneumatice, în care mecanismul este controlat de un piston care mişcă aerul în interiorul cilindrului.

Poziția paletelor este controlată de un actuator cu diafragmă conectat printr-o tijă la inelul de control al paletei, astfel încât gâtul se poate schimba constant. Actuatorul antreneaza tija in functie de nivelul de vid, contracarand arcul. Modularea vidului controlează o supapă electrică care furnizează un curent liniar în funcție de parametrii de vid. Vacuum poate fi generat de pompa de vid a servofrânelor. Curentul este furnizat de la baterie și modulează ECU.

Principalul dezavantaj al unor astfel de unități se datorează faptului că este dificil de prezis starea gazului după comprimare, mai ales atunci când este încălzit. Prin urmare, mai perfectsunt acționări hidraulice și electrice.

Acționatoarele hidraulice funcționează pe același principiu ca și actuatoarele pneumatice, dar în loc de aer în cilindru se folosește un lichid, care poate fi reprezentat de uleiul de motor. În plus, nu se comprimă, așa că acest sistem oferă un control mai bun.

Supapa solenoidală folosește presiunea uleiului și un semnal ECU pentru a mișca inelul. Pistonul hidraulic deplasează cremaliera și pinionul, care rotesc angrenajul dintat, drept urmare lamele sunt conectate pivotant. Pentru a transfera poziția lamei ECU, un senzor de poziție analogic se deplasează de-a lungul camei unității sale. Când presiunea uleiului este scăzută, paletele se deschid și se închid pe măsură ce presiunea uleiului crește.

Acționarea electrică este cea mai precisă, deoarece tensiunea poate oferi un control foarte fin. Cu toate acestea, necesită o răcire suplimentară, care este asigurată de tuburile de răcire (versiunile pneumatice și hidraulice folosesc lichid pentru a îndepărta căldura).

Mecanismul de selectare servește la acționarea schimbătorului de geometrie.

Unele modele de turbine folosesc o acționare electrică rotativă cu un motor pas cu pas direct. În acest caz, poziția lamelor este controlată de o supapă electronică de feedback prin mecanismul cu cremalieră și pinion. Pentru feedback de la ECU, se folosește o came cu un senzor magnetorezistiv atașat la angrenaj.

Dacă este necesară rotirea lamelor, ECU asigurăfurnizarea de curent într-un anumit interval pentru a le muta într-o poziție predeterminată, după care, după ce a primit un semnal de la senzor, dezactivează supapa de feedback.

Unitate de control al motorului

Din cele de mai sus rezultă că principiul de funcționare al turbinelor cu geometrie variabilă se bazează pe coordonarea optimă a unui mecanism suplimentar în conformitate cu modul de funcționare a motorului. Prin urmare, este necesară poziționarea sa precisă și monitorizarea constantă. Prin urmare, turbinele cu geometrie variabilă sunt controlate de unitățile de control al motorului.

Ei folosesc strategii fie pentru a maximiza productivitatea, fie pentru a îmbunătăți performanța de mediu. Există mai multe principii pentru funcționarea BUD.

Cele mai frecvente dintre acestea implică utilizarea informațiilor de referință bazate pe date empirice și modele de motoare. În acest caz, controlerul feedforward selectează valori dintr-un tabel și folosește feedback pentru a reduce erorile. Este o tehnologie versatilă care permite o varietate de strategii de control.

Principalul său dezavantaj este limitările în timpul tranzitorii (accelerare bruscă, schimbări de viteză). Pentru a o elimina, au fost utilizate controlere multiparametrice, PD și PID. Acestea din urmă sunt considerate cele mai promițătoare, dar nu sunt suficient de precise în întreaga gamă de încărcări. Acest lucru a fost rezolvat prin aplicarea algoritmilor de decizie cu logica fuzzy folosind MAS.

Există două tehnologii pentru furnizarea de informații de referință: modelul motor mediu și artificialrețele neuronale. Acesta din urmă include două strategii. Una dintre ele implică menținerea impulsului la un anumit nivel, ceal altă - menținerea unei diferențe de presiune negativă. În al doilea caz, se obține cea mai bună performanță de mediu, dar turbina depășește viteza.

Nu mulți producători dezvoltă ECU-uri pentru turbocompresoare cu geometrie variabilă. Marea majoritate a acestora sunt reprezentate de produse ale producătorilor auto. Cu toate acestea, există pe piață unele ECU de ultimă generație de la terți care sunt proiectate pentru astfel de turbo.

Dispoziții generale

Principalele caracteristici ale turbinelor sunt debitul masei de aer și viteza de curgere. Zona de admisie este unul dintre factorii de limitare a performanței. Opțiunile de geometrie variabilă vă permit să schimbați această zonă. Deci, aria efectivă este determinată de înălțimea pasajului și unghiul lamelor. Primul indicator este modificabil în versiunile cu inel de glisare, al doilea - în turbine cu pale rotative.

Astfel, turbocompresoarele cu geometrie variabilă oferă în mod constant impulsul necesar. Drept urmare, motoarele echipate cu acestea nu au decalajul asociat cu timpul de declanșare a turbinei, ca în cazul turbocompresoarelor mari convenționale și nu se sufocă la viteze mari, ca și în cazul celor mici.

În sfârșit, trebuie remarcat faptul că, deși turbocompresoarele cu geometrie variabilă sunt proiectate să funcționeze fără o supapă de bypass, s-a constatat că oferă câștiguri de performanță în primul rând la nivelul scăzut și la turații mari la complet deschis.lamele nu sunt capabile să facă față unui flux de masă mare. Prin urmare, pentru a preveni contrapresiunea excesivă, este totuși recomandat să utilizați un wastegate.

Pro și contra

Ajustarea turbinei la modul de funcționare al motorului oferă o îmbunătățire a tuturor indicatorilor în comparație cu opțiunile cu geometrie fixă:

• reacție și performanță mai bune pe toată gama de turații;
• curbă de cuplu de interval mediu mai plată;
• abilitatea de a opera motorul la sarcină parțială cu un amestec mai eficient aer/combustibil sărac;
• eficiență termică mai bună;
• prevenirea creșterii excesive la turații mari;
• cea mai bună performanță de mediu;
• consum mai puțin de combustibil;
• interval extins de funcționare a turbinei.

Principalul dezavantaj al turbocompresoarelor cu geometrie variabilă este designul lor semnificativ complicat. Datorită prezenței elementelor și acționărilor suplimentare în mișcare, acestea sunt mai puțin fiabile, iar întreținerea și repararea turbinelor de acest tip este mai dificilă. În plus, modificările pentru motoarele pe benzină sunt foarte scumpe (de aproximativ 3 ori mai scumpe decât cele convenționale). În cele din urmă, aceste turbine sunt greu de combinat cu motoare care nu sunt concepute pentru ele.

Trebuie remarcat faptul că, în ceea ce privește performanța de vârf, turbinele cu geometrie variabilă sunt adesea inferioare omologilor lor convenționali. Acest lucru se datorează pierderilor în carcasă și în jurul suporturilor elementelor în mișcare. În plus, performanța maximă scade brusc atunci când se îndepărtează de poziția optimă. Cu toate acestea, generalulEficiența turbocompresoarelor cu acest design este mai mare decât cea a variantelor cu geometrie fixă datorită intervalului de funcționare mai mare.

Aplicații și funcții suplimentare

Domeniul de aplicare al turbinelor cu geometrie variabilă este determinat de tipul acestora. De exemplu, motoarele cu palete rotative sunt instalate pe motoarele mașinilor și vehiculelor comerciale ușoare, iar modificările cu un inel de alunecare sunt utilizate în principal la camioane.

În general, turbinele cu geometrie variabilă sunt cele mai des folosite pe motoarele diesel. Acest lucru se datorează temperaturii scăzute a gazelor lor de eșapament.

La motoarele diesel pentru pasageri, aceste turbocompresoare servesc în primul rând pentru a compensa pierderea de performanță a sistemului de recirculare a gazelor de eșapament.

La camioane, turbinele în sine pot îmbunătăți performanța de mediu prin controlul cantității de gaze de eșapament recirculate la admisia motorului. Astfel, prin utilizarea turbocompresoarelor cu geometrie variabilă, este posibilă creșterea presiunii în galeria de evacuare la o valoare mai mare decât în galeria de admisie pentru a accelera recirculația. Deși contrapresiunea excesivă este dăunătoare pentru eficiența combustibilului, aceasta ajută la reducerea emisiilor de oxizi de azot.

În plus, mecanismul poate fi modificat pentru a reduce eficiența turbinei într-o poziție dată. Acesta este folosit pentru a crește temperatura gazelor de eșapament pentru a purja filtrul de particule prin oxidarea particulelor de carbon blocate prin încălzire.

Datefuncțiile necesită acționare hidraulică sau electrică.

Avantajele remarcate ale turbinelor cu geometrie variabilă față de cele convenționale le fac cea mai bună opțiune pentru motoarele sport. Cu toate acestea, sunt extrem de rare la motoarele pe benzină. Sunt cunoscute doar câteva mașini sport echipate cu ele (în prezent, Porsche 718, 911 Turbo și Suzuki Swift Sport). Potrivit unui manager BorgWarner, acest lucru se datorează costului foarte mare de producere a unor astfel de turbine, din cauza necesității de a utiliza materiale specializate rezistente la căldură pentru a interacționa cu gazele de eșapament la temperatură în altă ale motoarelor pe benzină (gazele de eșapament diesel au o cantitate mult mai mică). temperatura, deci turbinele sunt mai ieftine pentru ei).

Primele VGT utilizate la motoarele pe benzină au fost fabricate din materiale convenționale, așa că au trebuit utilizate sisteme complexe de răcire pentru a asigura o durată de viață acceptabilă. Deci, pe Honda Legend din 1988, o astfel de turbină a fost combinată cu un intercooler răcit cu apă. În plus, acest tip de motor are o gamă mai largă de debit de gaze de eșapament, necesitând astfel capacitatea de a gestiona un interval mai mare de debit de masă.

Producătorii ating nivelurile necesare de performanță, receptivitate, eficiență și respectarea mediului în cel mai eficient mod din punct de vedere al costurilor. Excepție fac cazurile izolate când costul final nu este prioritar. În acest context, este, de exemplu, obținerea unei performanțe record pe Koenigsegg One: 1 sau adaptarea unui Porsche 911 Turbo la un civil.operațiune.

În general, marea majoritate a mașinilor cu turbocompresoare sunt echipate cu turbocompresoare convenționale. Pentru motoarele sport de în altă performanță, opțiunile twin-scroll sunt adesea folosite. Deși aceste turbocompresoare sunt inferioare VGT-urilor, ele oferă aceleași avantaje față de turbinele convenționale, doar într-o măsură mai mică, și totuși au aproape același design simplu ca acestea din urmă. În ceea ce privește reglarea, utilizarea turbocompresoarelor cu geometrie variabilă, pe lângă costul ridicat, este limitată de complexitatea reglajului lor.

Pentru motoarele pe benzină, un studiu realizat de H. Ishihara, K. Adachi și S. Kono a clasat turbina cu debit variabil (VFT) drept cea mai optimă VGT. Datorită unui singur element mobil, costurile de producție sunt reduse și stabilitatea termică este crescută. În plus, o astfel de turbină funcționează conform unui algoritm simplu ECU, similar opțiunilor cu geometrie fixă echipate cu o supapă de bypass. S-au obținut rezultate deosebit de bune atunci când o astfel de turbină este combinată cu un iVTEC. Cu toate acestea, pentru sistemele de inducție forțată, se observă o creștere a temperaturii gazelor de eșapament cu 50-100 °C, ceea ce afectează performanța mediului. Această problemă a fost rezolvată prin utilizarea unui colector de aluminiu răcit cu apă.

Soluția BorgWarner pentru motoarele pe benzină a fost să combine tehnologia twin scroll și designul cu geometrie variabilă într-o turbină cu geometrie variabilă twin scroll, prezentată la SEMA 2015. Același design ca turbina dublă scroll, acest turbocompresor are dublă admisie și roată dublă de turbină monolitică și este combinat cu colector dublu scroll, secvențial pentru a elimina pulsația de evacuare pentru un debit mai dens.

Diferenta este in prezenta unui clapete in partea de admisie care, in functie de sarcina, distribuie debitul intre rotoare. La turații mici, toate gazele de eșapament ajung într-o mică parte a rotorului, iar cea mai mare parte este blocată, ceea ce asigură o rotație și mai rapidă decât o turbină convențională cu twin-scroll. Pe măsură ce sarcina crește, amortizorul se deplasează treptat în poziția de mijloc și distribuie uniform debitul la viteze mari, ca într-un design standard dublu-scroll. Adică, în ceea ce privește mecanismul de modificare a geometriei, o astfel de turbină este aproape de un VFT.

Astfel, această tehnologie, ca și tehnologia cu geometrie variabilă, asigură o modificare a raportului A/R în funcție de sarcină, ajustând turbina la modul de funcționare al motorului, ceea ce extinde domeniul de funcționare. În același timp, designul considerat este mult mai simplu și mai ieftin, deoarece aici este folosit un singur element mobil, care funcționează după un algoritm simplu și nu sunt necesare materiale rezistente la căldură. Acesta din urmă se datorează scăderii temperaturii din cauza pierderilor de căldură pe pereții carcasei duble a turbinei. Trebuie remarcat faptul că soluții similare au mai fost întâlnite (de exemplu, supapă cu bobină rapidă), dar din anumite motive această tehnologie nu a câștigat popularitate.

Întreținere șireparație

Principala operațiune de întreținere a turbinelor este curățarea. Necesitatea acesteia se datorează interacțiunii lor cu gazele de eșapament, reprezentate de produsele de ardere a combustibilului și uleiurilor. Cu toate acestea, curățarea este rareori necesară. Contaminarea intensă indică o defecțiune, care poate fi cauzată de presiunea excesivă, uzura garniturilor sau bucșelor rotoarelor, precum și a compartimentului pistonului, înfundarea ventilației.

Turbinele cu geometrie variabilă sunt mai sensibile la murdărie decât turbinele convenționale. Acest lucru se datorează faptului că acumularea de funingine în paleta de ghidare a dispozitivului de schimbare a geometriei duce la înfundarea acestuia sau la pierderea mobilității. Ca urmare, funcționarea turbocompresorului este întreruptă.

În cel mai simplu caz, curățarea se realizează cu ajutorul unui lichid special, dar este nevoie de multe ori de lucru manual. Turbina trebuie mai întâi dezasamblată. Când detașați mecanismul de schimbare a geometriei, aveți grijă să nu tăiați șuruburile de montare. Găurirea ulterioară a fragmentelor lor poate duce la deteriorarea găurilor. Prin urmare, curățarea turbinei cu geometrie variabilă este oarecum dificilă.

În plus, trebuie avut în vedere faptul că manipularea neatentă a cartuşului poate deteriora sau deforma paletele rotorului. Dacă este demontat după curățare, va necesita echilibrare, dar interiorul cartușului nu este de obicei curățat.

Funinginea de ulei de pe roți indică uzura inelelor pistonului sau a grupului de supape, precum și a etanșărilor rotorului din cartuș. Curatenie faraeliminarea acestor defecțiuni ale motorului sau repararea turbinei nu este practică.

După înlocuirea cartuşului pentru turbocompresoare de tipul în cauză este necesară reglarea geometriei. Pentru aceasta, se folosesc șuruburi de reglare persistente și aspre. Trebuie remarcat faptul că unele modele din prima generație nu au fost configurate inițial de producători, drept urmare performanța lor la „jos” este redusă cu 15-25%. În special, acest lucru este valabil pentru turbinele Garrett. Puteți găsi instrucțiuni online despre cum să reglați turbina cu geometrie variabilă.

CV

Turbocompresoarele cu geometrie variabilă reprezintă cea mai în altă etapă în dezvoltarea turbinelor în serie pentru motoarele cu ardere internă. Un mecanism suplimentar în partea de admisie asigură adaptarea turbinei la modul de funcționare a motorului prin ajustarea configurației. Acest lucru îmbunătățește performanța, economia și respectarea mediului. Cu toate acestea, designul VGT-ului este complex, iar modelele pe benzină sunt foarte scumpe.