Турбина с променлива геометрия: принцип на действие, устройство, ремонт

2024 Автор: Erin Ralphs | [email protected]. Последно модифициран: 2024-02-19 12:21

С развитието на ICE турбините, производителите се опитват да подобрят тяхната последователност с двигателите и ефективността. Технически най-модерното серийно решение е промяна в геометрията на входа. След това се разглеждат проектирането на турбини с променлива геометрия, принципът на работа и характеристиките на поддръжката.

Общи характеристики

Разглежданите турбини се различават от обичайните по способността да се адаптират към режима на работа на двигателя чрез промяна на съотношението A/R, което определя пропускателната способност. Това е геометрична характеристика на корпусите, представена от съотношението на площта на напречното сечение на канала и разстоянието между центъра на тежестта на този участък и централната ос на турбината.

Уместността на турбокомпресорите с променлива геометрия се дължи на факта, че за високи и ниски скорости оптималните стойности на този параметър се различават значително. Така че, за малка стойност на A/R, потокътима висока скорост, в резултат на което турбината се върти бързо, но максималната производителност е ниска. Големите стойности на този параметър, напротив, определят голяма производителност и ниска скорост на отработените газове.

Следователно, при прекомерно високо A / R, турбината няма да може да създаде налягане при ниски скорости, а ако е твърде ниско, ще задуши двигателя отгоре (поради обратно налягане в изпускателен колектор, производителността ще спадне). Следователно при турбокомпресори с фиксирана геометрия се избира средна стойност на A / R, която му позволява да работи в целия диапазон на скоростта, докато принципът на работа на турбините с променлива геометрия се основава на поддържането на оптималната му стойност. Следователно такива опции с нисък праг на усилване и минимално забавяне са много ефективни при високи скорости.

Освен основното име (турбини с променлива геометрия (VGT, VTG)) тези варианти са известни като модели с променлива дюза (VNT), променливо работно колело (VVT), турбина с променлива площ (VATN).

Турбината с променлива геометрия е разработена от Garrett. В допълнение към него, други производители се занимават с пускането на такива части, включително MHI и BorgWarner. Основният производител на варианти на плъзгащи пръстени е Cummins Turbo Technologies.

Въпреки използването на турбини с променлива геометрия главно при дизелови двигатели, те са много разпространени и набират популярност. Предполага се, че през 2020 г. такива модели ще заемат повече от 63% от световния пазар на турбини. Разширяването на използването на тази технология и нейното развитие се дължи преди всичко на затягането на екологичните разпоредби.

Дизайн

Турбинното устройство с променлива геометрия се различава от конвенционалните модели по наличието на допълнителен механизъм във входната част на корпуса на турбината. Има няколко опции за неговия дизайн.

Най-често срещаният тип е плъзгащият се пръстен. Това устройство е представено от пръстен с множество неподвижно фиксирани лопатки, разположени около ротора и движещи се спрямо неподвижната плоча. Плъзгащият механизъм се използва за стесняване/разширяване на прохода за потока на газовете.

Поради факта, че пръстенът на греблото се плъзга в аксиална посока, този механизъм е много компактен, а минималният брой слаби точки осигурява здравина. Тази опция е подходяща за големи двигатели, така че се използва основно за камиони и автобуси. Характеризира се с простота, висока производителност в долната част, надеждност.

Вторият вариант също предполага наличието на лопатков пръстен. В този случай обаче той е твърдо фиксиран върху плоска плоча, а лопатките са монтирани на щифтове, които осигуряват въртенето им в аксиална посока, от другата му страна. По този начин геометрията на турбината се променя с помощта на лопатките. Тази опция има най-добра ефективност.

Въпреки това, поради големия брой движещи се части, този дизайн е по-малко надежден, особено при условия на висока температура. Маркиранпроблемите са причинени от триенето на метални части, които се разширяват при нагряване.

Друга опция е подвижна стена. В много отношения е подобна на технологията на плъзгащите пръстени, но в този случай фиксираните остриета са монтирани върху статична плоча, а не върху плъзгащ пръстен.

Турбокомпресорът с променлива площ (ДДС) има лопатки, които се въртят около точката на монтаж. За разлика от схемата с въртящи се остриета, те се монтират не по обиколката на пръстена, а в редица. Тъй като тази опция изисква сложна и скъпа механична система, са разработени опростени версии.

Един е турбокомпресорът Aisin Seiki с променлив поток (VFT). Корпусът на турбината е разделен на два канала чрез фиксирана лопатка и е оборудван с амортисьор, който разпределя потока между тях. Около ротора са монтирани още няколко фиксирани остриета. Те осигуряват задържане и сливане на потока.

Втората опция, наречена Switchblade схема, е по-близо до ДДС, но вместо ред ножове се използва единичен нож, който също се върти около точката на инсталиране. Има два вида такава конструкция. Един от тях включва инсталирането на острието в централната част на тялото. Във втория случай той е в средата на канала и го разделя на две отделения, като VFT гребло.

За управление на турбина с променлива геометрия се използват задвижвания: електрически, хидравлични, пневматични. Турбокомпресорът се управлява от блока за управлениедвигател (ECU, ECU).

Трябва да се отбележи, че тези турбини не изискват байпасен клапан, тъй като поради прецизно управление е възможно да се забави потокът на отработените газове по недекомпресивен начин и излишъкът да премине през турбината.

Принцип на действие

Турбините с променлива геометрия работят чрез поддържане на оптималния A/R и ъгъла на завихряне чрез промяна на площта на напречното сечение на входа. Тя се основава на факта, че скоростта на потока на отработените газове е обратно пропорционална на ширината на канала. Следователно, на "дъната" за бързо популяризиране, напречното сечение на входната част е намалено. С увеличаването на скоростта, за да се увеличи потокът, той постепенно се разширява.

Механизъм за промяна на геометрията

Механизмът за изпълнение на този процес се определя от дизайна. При моделите с въртящи се лопатки това се постига чрез промяна на тяхната позиция: за да се осигури тесен участък, лопатките са перпендикулярни на радиалните линии, а за разширяване на канала те преминават в стъпаловидно положение.

Турбините с плъзгащ пръстен с подвижна стена имат аксиално движение на пръстена, което също променя сечението на канала.

Принципът на работа на VFT се основава на разделяне на потока. Ускоряването му при ниски скорости се осъществява чрез затваряне на външното отделение на канала с амортисьор, в резултат на което газовете отиват към ротора по възможно най-краткия път. С увеличаване на натоварването, амортисьорътсе издига, за да позволи потока през двата отсека за разширяване на капацитета.

При моделите с ДДС и Switchblade геометрията се променя чрез завъртане на перката: при ниски скорости тя се издига, стеснява прохода, за да ускори потока, а при високи скорости е в непосредствена близост до колелото на турбината, разширява се пропускателна способност. Турбините с превключвателни перки тип 2 имат обратна работа на лопатките.

Така че на "дъната" той е в непосредствена близост до ротора, в резултат на което потокът върви само по външната стена на корпуса. С увеличаване на оборотите, острието се издига, отваряйки проход около работното колело, за да увеличи пропускателната способност.

Шофиране

Сред задвижванията най-често срещаните са пневматичните опции, при които механизмът се управлява от бутало, движещо въздух вътре в цилиндъра.

Положението на лопатките се контролира от диафрагмен задвижващ механизъм, свързан с прът към пръстена за управление на лопатките, така че гърлото може постоянно да се променя. Задвижващият механизъм задвижва стеблото в зависимост от нивото на вакуума, противодействайки на пружината. Вакуумната модулация управлява електрически клапан, който доставя линеен ток в зависимост от параметрите на вакуума. Вакуум може да се генерира от вакуумната помпа на спирачния усилвател. Токът се захранва от батерията и модулира ECU.

Основният недостатък на такива задвижвания се дължи на трудното прогнозиране на състоянието на газа след компресия, особено при нагряване. Следователно по-съвършенса хидравлични и електрически задвижвания.

Хидравличните задвижващи механизми работят на същия принцип като пневматичните, но вместо въздух в цилиндъра се използва течност, която може да бъде представена от двигателно масло. Освен това не се компресира, така че тази система осигурява по-добър контрол.

Соленоидният клапан използва налягането на маслото и сигнал от ECU, за да премести пръстена. Хидравличното бутало движи зъбната рейка и зъбното колело, което върти зъбното зъбно колело, в резултат на което лопатките са шарнирно свързани. За да прехвърли позицията на острието на ECU, аналогов сензор за положение се движи по протежение на гърбицата на неговото задвижване. Когато налягането на маслото е ниско, лопатките се отварят и затварят с увеличаване на налягането на маслото.

Електрическото задвижване е най-точното, защото напрежението може да осигури много фин контрол. Въпреки това изисква допълнително охлаждане, което се осигурява от тръби за охлаждаща течност (пневматичните и хидравличните версии използват течност за отстраняване на топлина).

Механизмът за избор служи за задвижване на смяната на геометрията.

Някои модели турбини използват ротационно електрическо задвижване с директен стъпков двигател. В този случай положението на лопатките се контролира от електронен клапан за обратна връзка през механизма на зъбната рейка и пиньон. За обратна връзка от ECU се използва гърбица с магниторезистивен сензор, прикрепен към предавката.

Ако е необходимо да завъртите остриетата, ECU осигуряваподаване на ток в определен диапазон, за да ги премести в предварително определена позиция, след което, след като получи сигнал от сензора, той деактивира клапана за обратна връзка.

Управление на двигателя

От горното следва, че принципът на работа на турбините с променлива геометрия се основава на оптималната координация на допълнителен механизъм в съответствие с режима на работа на двигателя. Следователно е необходимо неговото прецизно позициониране и постоянно наблюдение. Следователно турбините с променлива геометрия се управляват от блоковете за управление на двигателя.

Те използват стратегии, за да увеличат максимално производителността или да подобрят екологичните показатели. Има няколко принципа за функционирането на BUD.

Най-често срещаният от тях включва използването на референтна информация, базирана на емпирични данни и модели на двигатели. В този случай контролерът за пренасочване избира стойности от таблица и използва обратна връзка, за да намали грешките. Това е универсална технология, която позволява различни стратегии за контрол.

Основният му недостатък са ограниченията по време на преходни процеси (рязко ускорение, смяна на предавките). За отстраняването му бяха използвани многопараметрични, PD- и PID-контролери. Последните се считат за най-обещаващи, но не са достатъчно точни в целия диапазон от натоварвания. Това беше решено чрез прилагане на алгоритми за решение с размита логика, използвайки MAS.

Има две технологии за предоставяне на референтна информация: среден двигателен модел и изкуственневронни мрежи. Последният включва две стратегии. Единият от тях включва поддържане на усилване на дадено ниво, другият - поддържане на отрицателна разлика в налягането. Във втория случай се постига най-доброто екологично представяне, но турбината превишава скоростта.

Не много производители разработват ECU за турбокомпресори с променлива геометрия. По-голямата част от тях са представени от продукти на автомобилни производители. Въпреки това, на пазара има някои ECU от висок клас на трети страни, които са проектирани за такива турбо.

Общи разпоредби

Основните характеристики на турбините са дебитът на въздушната маса и скоростта на потока. Входната площ е един от ограничаващите производителността фактори. Опциите за променлива геометрия ви позволяват да промените тази област. И така, ефективната площ се определя от височината на прохода и ъгъла на лопатките. Първият индикатор е променлив във версии с плъзгащ пръстен, вторият - при турбини с въртящи се лопатки.

По този начин турбокомпресорите с променлива геометрия постоянно осигуряват необходимия тласък. В резултат на това двигателите, оборудвани с тях, нямат забавяне, свързано с времето за въртене на турбината, както при конвенционалните големи турбокомпресори, и не се задушават при високи скорости, както при малките.

Накрая, трябва да се отбележи, че въпреки че турбокомпресорите с променлива геометрия са проектирани да работят без байпасен клапан, е установено, че осигуряват повишаване на производителността предимно при ниски обороти и при високи обороти в минута при напълно отворенлопатките не са в състояние да се справят с голям масов поток. Ето защо, за да се предотврати прекомерно обратно налягане, все пак се препоръчва използването на изпускателен клапан.

Плюсове и минуси

Настройването на турбината към работния режим на двигателя осигурява подобрение на всички показатели в сравнение с опциите за фиксирана геометрия:

• по-добра отзивчивост и производителност в целия диапазон на оборотите;
• по-плоска крива на въртящия момент в средния диапазон;
• способност за работа на двигателя при частично натоварване на по-ефективна бедна смес въздух/гориво;
• по-добра топлинна ефективност;
• предотвратяване на прекомерно усилване при високи обороти;
• най-добро екологично представяне;
• по-малък разход на гориво;
• разширен работен обхват на турбината.

Основният недостатък на турбокомпресорите с променлива геометрия е значително усложнената им конструкция. Поради наличието на допълнителни движещи се елементи и задвижвания, те са по-малко надеждни, а поддръжката и ремонтът на турбини от този тип е по-труден. Освен това модификациите за бензинови двигатели са много скъпи (около 3 пъти по-скъпи от конвенционалните). И накрая, тези турбини са трудни за комбиниране с двигатели, които не са предназначени за тях.

Трябва да се отбележи, че по отношение на върхова производителност, турбините с променлива геометрия често са по-ниски от своите конвенционални аналози. Това се дължи на загуби в корпуса и около опорите на подвижните елементи. Освен това максималната производителност пада рязко при отдалечаване от оптималната позиция. Обаче генералътЕфективността на турбокомпресорите с този дизайн е по-висока от тази на вариантите с фиксирана геометрия поради по-големия работен диапазон.

Приложение и допълнителни функции

Обхватът на турбините с променлива геометрия се определя от техния тип. Например двигатели с въртящи се лопатки се монтират на двигателите на леки и лекотоварни превозни средства, а модификациите с плъзгащ пръстен се използват главно при камиони.

По принцип турбините с променлива геометрия се използват най-често при дизелови двигатели. Това се дължи на ниската температура на техните изгорели газове.

При пътнически дизелови двигатели тези турбокомпресори служат основно за компенсиране на загубата на производителност от системата за рециркулация на отработените газове.

При камионите самите турбини могат да подобрят екологичните характеристики, като контролират количеството отработени газове, рециркулирани към всмукателя на двигателя. По този начин, с използването на турбокомпресори с променлива геометрия, е възможно да се увеличи налягането в изпускателния колектор до стойност, по-голяма от тази във всмукателния колектор, за да се ускори рециркулацията. Въпреки че прекомерното обратно налягане е вредно за горивната ефективност, то помага за намаляване на емисиите на азотен оксид.

В допълнение, механизмът може да бъде модифициран, за да се намали ефективността на турбината в дадено положение. Това се използва за повишаване на температурата на изгорелите газове с цел прочистване на филтъра за твърди частици чрез окисляване на заседналите въглеродни частици чрез нагряване.

Даннифункциите изискват хидравлично или електрическо задвижване.

Забелязаните предимства на турбините с променлива геометрия пред конвенционалните ги правят най-добрият вариант за спортни двигатели. Те обаче са изключително редки при бензиновите двигатели. Известни са само няколко спортни автомобила, оборудвани с тях (в момента Porsche 718, 911 Turbo и Suzuki Swift Sport). Според един мениджър на BorgWarner, това се дължи на много високата цена на производството на такива турбини, поради необходимостта от използване на специализирани топлоустойчиви материали за взаимодействие с високотемпературните отработени газове на бензиновите двигатели (дизеловите изгорели газове имат много по-ниски температура, така че турбините са по-евтини за тях).

Първите VGT, използвани при бензиновите двигатели, бяха направени от конвенционални материали, така че трябваше да се използват сложни системи за охлаждане, за да се осигури приемлив експлоатационен живот. И така, на Honda Legend от 1988 г. такава турбина беше комбинирана с интеркулер с водно охлаждане. В допълнение, този тип двигатели имат по-широк обхват на дебита на отработените газове, което изисква способността да се справя с по-голям диапазон на масовия поток.

Производителите постигат необходимите нива на производителност, отзивчивост, ефективност и екологичност по най-рентабилния начин. Изключение правят единични случаи, когато крайната цена не е приоритетна. В този контекст това е например постигане на рекордно представяне на Koenigsegg One: 1 или адаптиране на Porsche 911 Turbo към цивиленоперация.

Като цяло по-голямата част от автомобилите с турбокомпресор са оборудвани с конвенционални турбокомпресори. За високопроизводителни спортни двигатели често се използват опции за двойно превъртане. Въпреки че тези турбокомпресори са по-ниски от VGT, те предлагат същите предимства пред конвенционалните турбини, само в по-малка степен, и въпреки това имат почти същия прост дизайн като последните. Що се отнася до настройката, използването на турбокомпресори с променлива геометрия, в допълнение към високата цена, е ограничено от сложността на тяхната настройка.

За бензиновите двигатели, проучване на H. Ishihara, K. Adachi и S. Kono класира турбината с променлив дебит (VFT) като най-оптималната VGT. Благодарение само на един движещ се елемент се намаляват производствените разходи и се повишава термичната стабилност. В допълнение, такава турбина работи според прост алгоритъм на ECU, подобен на опциите с фиксирана геометрия, оборудвани с байпасен клапан. Особено добри резултати са получени, когато такава турбина се комбинира с iVTEC. При системите с принудителна индукция обаче се наблюдава повишаване на температурата на отработените газове с 50-100 °C, което се отразява на екологичните характеристики. Този проблем беше решен чрез използване на алуминиев колектор с водно охлаждане.

Решението BorgWarner за бензинови двигатели беше да комбинира технологията с двоен скрол и дизайна с променлива геометрия в турбина с променлива геометрия с двоен скрол, представена на SEMA 2015. Нейнатасъщия дизайн като двуспиралната турбина, този турбокомпресор има двоен вход и двойно монолитно турбинно колело и е комбиниран с двоен спирален колектор, последователност за премахване на пулсацията на отработените газове за по-плътен поток.

Разликата е в наличието на демпфер във входящата част, който в зависимост от натоварването разпределя потока между работните колела. При ниски скорости всички отработени газове отиват към малка част от ротора, а голямата част е блокирана, което осигурява дори по-бързо въртене от конвенционалната турбина с двоен спирал. С увеличаване на натоварването амортисьорът постепенно се придвижва в средно положение и равномерно разпределя потока при високи скорости, както при стандартен двуспирален дизайн. Тоест, по отношение на механизма за промяна на геометрията, такава турбина е близка до VFT.

По този начин тази технология, подобно на технологията с променлива геометрия, осигурява промяна в съотношението A/R в зависимост от натоварването, настройвайки турбината към режима на работа на двигателя, което разширява работния диапазон. В същото време разглежданият дизайн е много по-прост и по-евтин, тъй като тук се използва само един движещ се елемент, работещ по прост алгоритъм и не се изискват топлоустойчиви материали. Последното се дължи на понижаване на температурата поради загуба на топлина по стените на двойния корпус на турбината. Трябва да се отбележи, че подобни решения са се срещали и преди (например бърз шпулен клапан), но по някаква причина тази технология не е придобила популярност.

Поддръжка иремонт

Основната операция за поддръжка на турбините е почистването. Необходимостта от това се дължи на взаимодействието им с отработените газове, представени от продуктите на горенето на горивото и маслата. Въпреки това рядко се налага почистване. Интензивното замърсяване показва неизправност, която може да бъде причинена от прекомерно налягане, износване на уплътнения или втулки на работните колела, както и на буталото, запушване на вентилатора.

Турбините с променлива геометрия са по-чувствителни към замърсяване от конвенционалните турбини. Това се дължи на факта, че натрупването на сажди в направляващата лопатка на устройството за промяна на геометрията води до неговото заклинване или загуба на подвижност. В резултат на това функционирането на турбокомпресора е нарушено.

В най-простия случай почистването се извършва с помощта на специална течност, но често се изисква ръчна работа. Турбината първо трябва да се разглоби. Когато отделяте механизма за промяна на геометрията, внимавайте да не срежете монтажните болтове. Последващо пробиване на техните фрагменти може да доведе до повреда на дупките. Следователно почистването на турбината с променлива геометрия е малко трудно.

Освен това трябва да се има предвид, че небрежното боравене с патрона може да повреди или деформира лопатките на ротора. Ако се демонтира след почистване, ще изисква балансиране, но вътрешността на касетата обикновено не се почиства.

Маслени сажди по колелата показват износване на буталните пръстени или групата клапани, както и на уплътненията на ротора в патрона. Почистване безпремахването на тези неизправности на двигателя или ремонта на турбината е непрактично.

След смяна на патрона за турбокомпресори от въпросния тип е необходима настройка на геометрията. За това се използват упорити и груби регулиращи винтове. Трябва да се отбележи, че някои модели от първото поколение първоначално не са били конфигурирани от производителите, в резултат на което производителността им в "дъното" намалява с 15-25%. По-специално, това важи за турбините Garrett. Можете да намерите инструкции онлайн как да регулирате турбината с променлива геометрия.

CV

Турбокомпресорите с променлива геометрия представляват най-високия етап в развитието на серийни турбини за двигатели с вътрешно горене. Допълнителен механизъм във входната част гарантира, че турбината е адаптирана към режима на работа на двигателя чрез регулиране на конфигурацията. Това подобрява производителността, икономичността и екологичността. Дизайнът на VGT обаче е сложен и бензиновите модели са много скъпи.