Muutuva geomeetriaga turbiin: tööpõhimõte, seade, remont

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-02-19 14:32

Jääturbiinide arendamisega püüavad tootjad parandada nende vastavust mootoritele ja tõhusust. Tehniliselt kõige arenenum seerialahendus on sisselaskeava geomeetria muutmine. Järgmisena käsitletakse muutuva geomeetriaga turbiinide konstruktsiooni, tööpõhimõtet ja hooldusfunktsioone.

Üldfunktsioonid

Vaadeldavad turbiinid erinevad tavalistest oma võime poolest kohaneda mootori töörežiimiga, muutes läbilaskevõimet määrava A/R suhet. 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. Niisiis, väikese A/R väärtuse korral voogon suure pöörete arvuga, mille tulemusena turbiin pöörleb kiiresti üles, kuid maksimaalne läbilaskevõime on madal. Selle parameetri suured väärtused määravad vastupidiselt suure läbilaskevõime ja väikese heitgaasi kiiruse.

Järelikult ei suuda turbiin liiga kõrge A/R korral madalatel pööretel rõhku tekitada ja kui see on liiga madal, lämmatab see mootori ülaosas (vasturõhu tõttu väljalaskekollektor, 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.

Peale põhinimetuse (muutuva geomeetriaga turbiinid (VGT, VTG)) on need variandid tuntud ka 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.

Hoolimata muutuva geomeetriaga turbiinide kasutamisest peamiselt diiselmootoritel, on need väga levinud ja koguvad populaarsust. Eeldatakse, et 2020. aastal hõivavad sellised mudelid rohkem kui 63% ülemaailmsest turbiiniturust. Selle tehnoloogia kasutusala laienemine ja selle areng on tingitud eelkõige keskkonnaalaste eeskirjade karmistamisest.

Disain

Muutuva geomeetriaga turbiiniseade erineb tavapärastest mudelitest lisamehhanismi olemasolu poolest turbiini korpuse sisselaskeosas. Selle kujundamiseks on mitu võimalust.

Kõige levinum tüüp on liuglaba rõngas. Seda seadet kujutab rõngas, millel on hulk jäig alt fikseeritud labasid, mis paiknevad ümber rootori ja liiguvad fikseeritud plaadi suhtes. Liugmehhanismi kasutatakse gaasivoolu läbipääsu kitsendamiseks/laiendamiseks.

Tänu sellele, et 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 valik eeldab ka labarõnga olemasolu. Kuid sel juhul on see jäig alt 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 suure arvu tõttu on see konstruktsioon vähem töökindel, eriti kõrge temperatuuri tingimustes. Märgitudprobleeme põhjustab metallosade hõõrdumine, mis kuumutamisel laienevad.

Teine võimalus on liikuv sein. See sarnaneb paljuski libisemisrõnga tehnoloogiaga, kuid sel juhul paigaldatakse fikseeritud labad pigem staatilisele plaadile kui libisemisrõngale.

Muutuva ala turboülelaaduril (VAT) on labad, mis pöörlevad ümber paigalduskoha. Erinev alt 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 on Aisin Seiki muutuva vooluhulga turbolaadur (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 säilitamise ja voolu ühendamise.

Teine variant, nimega Switchblade skeem, 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 osaks nagu VFT-mõla.

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

Tuleb tähele panna, et need turbiinid ei vaja möödavooluventiili, kuna tänu täpsele juhtimisele on võimalik heitgaaside voolu mitte-dekompressioonil aeglustada ja ülejääk läbi turbiini juhtida.

Tööpõhimõte

Muutuva geomeetriaga turbiinid säilitavad optimaalse A/R ja pöörise nurga, muutes sisselaskeava ristlõikepindala. See põhineb asjaolul, et heitgaasi voolu kiirus on pöördvõrdeline kanali laiusega. Seetõttu vähendatakse kiireks reklaamimiseks "põhjades" sisendosa ristlõiget. Kiiruse suurendamisel voolu suurendamiseks see järk-järgult laieneb.

Geomeetria muutmise mehhanism

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

Liikuva seinaga libisemisrõnga turbiinidel on rõnga aksiaalne liikumine, mis muudab ka kanaliosa.

VFT tööpõhimõte põhineb voolu eraldamisel. Selle kiirendamine madalatel kiirustel toimub kanali välissektsiooni sulgemisega siibriga, mille tulemusena lähevad gaasid rootorile võimalikult lühikesel teel. Koormuse kasvades siibertõuseb, et võimaldada voolu läbi mõlema lahtri mahu suurendamiseks.

VAT ja Switchblade mudelite puhul muudetakse geomeetriat laba keerates: madalatel kiirustel tõuseb see üles, kitsendades läbipääsu, et voolu kiirendada, ning suurel kiirusel külgneb see turbiinirattaga, laienedes. läbilaskevõime. 2. tüüpi lülitilaba turbiinidel on labade vastupidine töö.

Niisiis, "põhjadel" külgneb see rootoriga, mille tulemusena läheb vool ainult mööda korpuse välisseina. Pöörete arvu suurenedes tera tõuseb, avades läbipääsu suurendamiseks tiiviku ümber läbipääsu.

Sõida

Ajamite seas on levinumad pneumaatilised variandid, kus mehhanismi juhib silindris õhku liigutav kolb.

Tiibade asendit juhib diafragma ajam, mis on vardaga ühendatud labade juhtrõngaga, nii et kõri võib pidev alt muutuda. Täiturmehhanism käitab varre sõltuv alt vaakumi tasemest, toimides vedrule vastu. Vaakummodulatsioon juhib elektrilist ventiili, mis toidab lineaarset voolu sõltuv alt vaakumi parameetritest. Vaakumi saab tekitada pidurivõimendi vaakumpump. Voolu antakse akust ja see moduleerib ECU-d.

Selliste ajamite peamine puudus on tingitud raskesti ennustatavast gaasi seisundist pärast kokkusurumist, eriti kuumutamisel. Seetõttu täiuslikumon hüdraulilised ja elektriajamid.

Hüdraulilised ajamid töötavad samal põhimõttel nagu pneumaatilised ajamid, kuid silindris oleva õhu asemel kasutatakse vedelikku, mida võib esindada mootoriõli. Lisaks ei suru see kokku, seega tagab see süsteem parema juhtimise.

Solenoidklapp kasutab rõnga liigutamiseks õlirõhku ja ECU 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.

Elektriajam on kõige täpsem, kuna pinge võib tagada väga täpse juhtimise. See nõuab aga täiendavat jahutust, mille tagavad jahutusvedeliku torud (pneumaatilised ja hüdraulilised versioonid kasutavad soojuse eemaldamiseks vedelikku).

Selektormehhanism juhib geomeetriavahetajat.

Mõned turbiinimudelid 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 magnetresistiivse anduriga nukki.

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

Mootori juhtseade

Eeltoodust järeldub, et muutuva geomeetriaga turbiinide tööpõhimõte põhineb täiendava mehhanismi optimaalsel koordineerimisel vastav alt 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 levinum neist hõlmab empiirilistel andmetel ja mootorimudelitel põhineva viiteteabe kasutamist. Sel juhul valib edasisuunamise kontroller tabelist väärtused ja kasutab vigade vähendamiseks tagasisidet. See on mitmekülgne tehnoloogia, mis võimaldab kasutada erinevaid juhtimisstrateegiaid.

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

Võtteteabe esitamiseks on kaks tehnoloogiat: keskmine mootorimudel ja tehismootornärvivõrgud. Viimane sisaldab kahte strateegiat. Üks neist hõlmab tõuke säilitamist etteantud tasemel, teine - negatiivse rõhu erinevuse säilitamist. Teisel juhul saavutatakse parim keskkonnamõju, kuid turbiin ületab kiirust.

Mitte paljud tootjad ei tööta välja 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 turbode jaoks.

Üldsätted

Turbiinide peamised omadused on õhumassivool ja voolukiirus. Sisselaskeala on üks jõudlust piiravatest teguritest. Muutuva geomeetria valikud võimaldavad teil seda ala muuta. Seega määrab efektiivse ala läbipääsu kõrgus ja labade nurk. Esimene indikaator on muudetav liugrõngaga versioonides, teine - pöörlevate labadega turbiinides.

Seega annavad muutuva geomeetriaga turboülelaadurid pidev alt vajaliku tõuke. Seetõttu ei esine nendega varustatud mootoritel turbiini pöörlemisajaga seotud viivitust, nagu tavaliste suurte turboülelaadurite puhul, ja need ei lämbu suurel kiirusel, nagu väikestel.

Lõpuks tuleb märkida, et kuigi muutuva geomeetriaga turboülelaadurid on kavandatud töötama ilma möödavooluklapita, on leitud, et need suurendavad jõudlust peamiselt madalal otsal ja kõrgetel pööretel täielikult avatud korral.terad ei suuda suure massivooluga toime tulla. Seetõttu on ülemäärase vasturõhu vältimiseks siiski soovitatav kasutada tühjendusklappi.

Pussid ja miinused

Turbiini reguleerimine mootori töörežiimile parandab kõiki näitajaid võrreldes fikseeritud geomeetriaga:

• parem tundlikkus ja jõudlus kogu pöörete vahemikus;
• lamedam keskvahemiku pöördemomendi kõver;
• võimalus kasutada mootorit osalise koormusega tõhusama lahja õhu/kütuse seguga;
• parem soojustõhusus;
• ülemäärase tõuke ärahoidmine kõrgetel pööretel;
• parim keskkonnamõju;
• vähem kütusekulu;
• laiendatud turbiini töövahemik.

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 nende jaoks mõeldud.

Tuleb märkida, et tippjõudluse poolest on muutuva geomeetriaga turbiinid sageli oma tavapärastest analoogidest madalamad. Selle põhjuseks on kaotused korpuses ja liikuvate elementide tugede ümber. Lisaks langeb maksimaalne jõudlus järsult optimaalsest asendist eemaldumisel. Küll aga kindralSelle konstruktsiooniga turboülelaadurite efektiivsus on suurema tööulatuse tõttu suurem kui fikseeritud geomeetriaga variantidel.

Rakendus ja lisafunktsioonid

Muutuva geomeetriaga turbiinide ulatuse määrab nende tüüp. Näiteks sõiduautode ja väikeste tarbesõidukite mootoritele paigaldatakse pöörlevate labadega mootoreid ning liugrõngaga modifikatsioone kasutatakse peamiselt veoautodel.

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

Reisijateveo diiselmootorite puhul on need turboülelaadurid peamiselt mõeldud heitgaasitagastussüsteemi töövõime languse kompenseerimiseks.

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

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

Andmedfunktsioonid nõuavad hüdraulilist või elektrilist ajamit.

Muutuva geomeetriaga turbiinide märgatavad eelised tavapäraste turbiinide ees teevad neist parima valiku sportmootorite jaoks. 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). temperatuur, seega on turbiinid nende jaoks odavamad).

Esimesed bensiinimootorites kasutatavad VGT-d valmistati tavalistest materjalidest, seega tuli vastuvõetava kasutusea tagamiseks kasutada keerukaid jahutussüsteeme. Niisiis ühendati 1988. aasta Honda Legendil selline turbiin vesijahutusega vahejahutiga. Lisaks on seda tüüpi mootoritel laiem heitgaasi vooluvahemik, mis nõuab 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 rekordiline jõudlus Koenigsegg One: 1 või Porsche 911 Turbo kohandamine tsiviilisikule.operatsioon.

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 puutub häälestusse, siis muudetava geomeetriaga turboülelaadurite kasutamist piirab lisaks kõrgetele kuludele ka nende häälestamise keerukus.

Bensiinimootorite puhul hindas H. Ishihara, K. Adachi ja S. Kono uuring muutuva vooluhulga turbiini (VFT) kõige optimaalsemaks VGT-ks. 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 vesijahutusega alumiiniumkollektori kasutamisega.

BorgWarneri lahendus bensiinimootoritele oli ühendada kaksikkerimise tehnoloogia ja muutuva geomeetriaga disain kahekerimisega muutuva geomeetriaga turbiiniks, mida tutvustati SEMA 2015 raames. Sellel turboülelaaduril on topeltkerimisega turbiiniga sama konstruktsioon, topeltsisselaskeava ja monoliitne turbiiniratas ning see on kombineeritud topeltkerimisega kollektoriga, mille järjestus välistab heitgaaside pulsatsiooni tihedama voolu tagamiseks.

Erinevus seisneb sisselaskeosas oleva siibri olemasolus, mis sõltuv alt koormusest jaotab voolu tiivikute vahel. Madalatel pööretel lähevad kõik heitgaasid väikesele osale rootorist ja suur osa on blokeeritud, mis tagab veelgi kiirema pöörlemise kui tavaline kaksikkerimisega 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 lähedal.

Seega tagab see tehnoloogia sarnaselt muutuva geomeetriaga tehnoloogiaga A/R suhte muutumise sõltuv alt 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 turbiini kahekordse korpuse seinte soojuskao tõttu. Tuleb märkida, et sarnaseid lahendusi on varemgi ette tulnud (näiteks kiirrullventiil), kuid miskipärast pole see tehnoloogia populaarsust kogunud.

Hooldus jaremont

Turbiinide peamine hooldusoperatsioon on puhastamine. Vajadus selle järele tuleneb nende koostoimest heitgaasidega, mida esindavad kütuse ja õlide põlemissaadused. Puhastamine on aga harva vajalik. Intensiivne saastumine viitab talitlushäirele, mille põhjuseks võib olla liigne rõhk, tiiviku tihendite või pukside kulumine, aga ka kolvipesa, õhutusava ummistus.

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. Esm alt tuleb turbiin lahti võtta. Geomeetria muutmise mehhanismi eemaldamisel olge ettevaatlik, et te ei lõikaks kinnituspolte. Nende fragmentide hilisem puurimine võib põhjustada aukude kahjustamist. Seetõttu on muutuva geomeetriaga turbiini puhastamine mõnevõrra keeruline.

Lisaks tuleb meeles pidada, et kasseti hooletu käsitsemine võib kahjustada või deformeerida rootori labasid. Kui see pärast puhastamist lahti võetakse, vajab see tasakaalustamist, kuid kasseti sisemust tavaliselt ei puhastata.

Rataste õlitahm viitab kolvirõngaste või klapigrupi kulumisele, samuti kassetis olevate rootoritihendite kulumisele. Puhastamine ilmanende mootorihäirete kõrvaldamine või turbiini parandamine on ebapraktiline.

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.

CV

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 bensiinimootoriga mudelid väga kallid.