Turbína s proměnnou geometrií: princip činnosti, zařízení, oprava

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-02-19 12:59

S vývojem ICE turbín se výrobci snaží zlepšit jejich soulad s motory a účinností. Technicky nejvyspělejším sériovým řešením je změna geometrie vtoku. Dále je zvažována konstrukce turbín s proměnnou geometrií, princip činnosti a funkce údržby.

Obecné funkce

Uvažované turbíny se od běžných liší schopností přizpůsobit se provoznímu režimu motoru změnou poměru A/R, který určuje průchodnost. Toto je geometrická charakteristika skříní, reprezentovaná poměrem plochy průřezu kanálu a vzdáleností mezi těžištěm této sekce a centrální osou turbíny.

Význam turbodmychadel s proměnnou geometrií je dán tím, že pro vysoké a nízké otáčky se optimální hodnoty tohoto parametru výrazně liší. Takže pro malou hodnotu A/R, průtokmá vysoké otáčky, v důsledku čehož se turbína rychle roztočí, ale maximální průchodnost je nízká. Velké hodnoty tohoto parametru naopak určují velkou průchodnost a nízkou rychlost výfukových plynů.

V důsledku toho při příliš vysoké A/R nebude turbína schopna vytvořit tlak při nízkých otáčkách, a pokud je příliš nízký, bude dusit motor nahoře (kvůli protitlaku v výfukové potrubí, výkon klesne). Proto je u turbodmychadel s pevnou geometrií zvolena průměrná hodnota A/R, která umožňuje provoz v celém rozsahu otáček, přičemž princip činnosti turbín s proměnnou geometrií je založen na udržení její optimální hodnoty. Proto jsou takové možnosti s nízkým prahem zesílení a minimálním zpožděním vysoce účinné při vysokých rychlostech.

Kromě hlavního názvu (turbiny s proměnnou geometrií (VGT, VTG)) jsou tyto varianty známé jako modely s variabilní tryskou (VNT), variabilním oběžným kolem (VVT), variabilní plochou trysky turbíny (VATN).

Turbína s proměnnou geometrií byla vyvinuta Garrettem. Kromě toho se na uvolňování takových dílů podílejí i další výrobci, včetně MHI a BorgWarner. Primárním výrobcem variant sběrných kroužků je Cummins Turbo Technologies.

Přestože se turbíny s proměnnou geometrií používají hlavně u dieselových motorů, jsou velmi běžné a získávají na popularitě. Předpokládá se, že v roce 2020 tyto modely obsadí více než 63% světového trhu s turbínami. Rozšíření použití této technologie a její rozvoj je způsobeno především zpřísněním ekologických předpisů.

Design

Turbínové zařízení s proměnnou geometrií se od běžných modelů liší přítomností přídavného mechanismu ve vstupní části skříně turbíny. Existuje několik možností pro jeho design.

Nejběžnějším typem je posuvný kroužek pádla. Toto zařízení je představováno prstencem s řadou pevně upevněných lopatek umístěných kolem rotoru a pohybujících se vzhledem k pevné desce. Posuvný mechanismus se používá ke zúžení/rozšíření průchodu pro proudění plynů.

Vzhledem k tomu, že kroužek pádla klouže v axiálním směru, je tento mechanismus velmi kompaktní a minimální počet slabin zajišťuje pevnost. Tato možnost je vhodná pro velké motory, proto se používá hlavně u nákladních automobilů a autobusů. Vyznačuje se jednoduchostí, vysokým výkonem ve spodní části, spolehlivostí.

Druhá možnost rovněž předpokládá přítomnost lopatkového prstence. V tomto případě je však pevně upevněn na ploché desce a lopatky jsou namontovány na čepech, které zajišťují jejich rotaci v axiálním směru, na její druhé straně. Tak se pomocí lopatek mění geometrie turbíny. Tato možnost má nejlepší účinnost.

Vzhledem k velkému počtu pohyblivých částí je však tato konstrukce méně spolehlivá, zejména v podmínkách vysokých teplot. Výraznýproblémy jsou způsobeny třením kovových částí, které se při zahřívání roztahují.

Další možností je pohyblivá stěna. V mnoha ohledech je podobná technologii sběracích kroužků, avšak v tomto případě jsou pevné lopatky namontovány na statické desce spíše než na sběracím kroužku.

Turbodmychadlo s proměnnou plochou (VAT) má lopatky, které se otáčejí kolem místa instalace. Na rozdíl od schématu s rotačními lopatkami nejsou instalovány po obvodu prstence, ale v řadě. Protože tato možnost vyžaduje složitý a drahý mechanický systém, byly vyvinuty zjednodušené verze.

Jedním z nich je turbodmychadlo Aisin Seiki s proměnným průtokem (VFT). Skříň turbíny je rozdělena na dva kanály pevnou lopatkou a je vybavena klapkou, která rozděluje proudění mezi ně. Kolem rotoru je instalováno několik dalších pevných lopatek. Poskytují zadržování a slučování toků.

Druhá možnost, nazvaná schéma Switchblade, je blíže DPH, ale místo řady lopatek je použita jedna lopatka, která se také otáčí kolem místa instalace. Existují dva typy takové konstrukce. Jeden z nich zahrnuje instalaci čepele ve střední části těla. Ve druhém případě je uprostřed kanálu a rozděluje jej na dvě oddělení, jako pádlo VFT.

K řízení turbíny s proměnnou geometrií se používají pohony: elektrický, hydraulický, pneumatický. Turbodmychadlo je řízeno řídicí jednotkoumotor (ECU, ECU).

Je třeba poznamenat, že tyto turbíny nevyžadují obtokový ventil, protože díky přesnému řízení je možné zpomalit proud výfukových plynů nedekompresním způsobem a přebytek převést přes turbínu.

Princip fungování

Turbíny s proměnnou geometrií fungují tak, že udržují optimální A/R a úhel víření změnou plochy průřezu vstupu. Je založen na skutečnosti, že rychlost proudění výfukových plynů je nepřímo úměrná šířce kanálu. Proto se na „spodech“pro rychlou propagaci zmenšuje průřez vstupní části. Se zvýšením rychlosti pro zvýšení průtoku se postupně rozšiřuje.

Mechanismus pro změnu geometrie

Mechanismus pro implementaci tohoto procesu je určen designem. U modelů s otočnými lopatkami je toho dosaženo změnou jejich polohy: pro zajištění úzké části jsou lopatky kolmé k radiálním liniím a pro rozšíření kanálu přecházejí do stupňovité polohy.

Turbíny se kluzným prstencem s pohyblivou stěnou mají axiální pohyb prstence, který také mění sekci kanálu.

Princip činnosti VFT je založen na separaci průtoku. Jeho zrychlení při nízkých rychlostech se provádí uzavřením vnějšího prostoru kanálu tlumičem, v důsledku čehož plyny jdou k rotoru nejkratší možnou cestou. Jak se zatížení zvyšuje, tlumičstoupá, aby umožnil průtok oběma zálivy a rozšířil kapacitu.

U modelů VAT a Switchblade se geometrie mění otáčením lopatky: při nízkých rychlostech se zvedá, zužuje průchod, aby se urychlil průtok, a při vysokých rychlostech sousedí s turbínovým kolem a rozšiřuje se propustnost. Turbíny typu 2 Switchblade mají obrácený chod lopatek.

Takže na „spodu“přiléhá k rotoru, v důsledku čehož proudí pouze podél vnější stěny pouzdra. Jak se otáčky zvyšují, lopatka stoupá a otevírá průchod kolem oběžného kola, aby se zvýšila průchodnost.

Drive

Mezi pohony jsou nejběžnější pneumatické varianty, kde je mechanismus řízen pístem pohybujícím se vzduchem uvnitř válce.

Pozice lopatek je řízena membránovým pohonem spojeným tyčí s ovládacím kroužkem lopatek, takže hrdlo se může neustále měnit. Pohon pohání vřeteno v závislosti na úrovni podtlaku a působí proti pružině. Vakuová modulace řídí elektrický ventil, který dodává lineární proud v závislosti na parametrech vakua. Vakuum může být generováno vakuovým čerpadlem posilovače brzd. Proud je dodáván z baterie a moduluje ECU.

Hlavní nevýhodou těchto pohonů je obtížné předvídat stav plynu po stlačení, zejména při zahřátí. Proto dokonalejšíjsou hydraulické a elektrické pohony.

Hydraulické pohony fungují na stejném principu jako pneumatické pohony, ale místo vzduchu ve válci je použita kapalina, kterou může být motorový olej. Navíc se nekomprimuje, takže tento systém poskytuje lepší kontrolu.

Solenoidový ventil využívá tlak oleje a signál ECU k pohybu kroužku. Hydraulický píst posouvá hřeben s pastorkem, který otáčí ozubeným kolem, čímž jsou lopatky otočně spojeny. Pro přenos polohy listu ECU se analogový snímač polohy pohybuje podél vačky jeho pohonu. Když je tlak oleje nízký, lopatky se otevírají a zavírají, jak se tlak oleje zvyšuje.

Elektrický pohon je nejpřesnější, protože napětí může poskytnout velmi jemné ovládání. Vyžaduje však dodatečné chlazení, které zajišťují trubky chladicí kapaliny (pneumatické a hydraulické verze využívají k odvodu tepla kapalinu).

Mechanismus voliče slouží k pohonu měniče geometrie.

Některé modely turbín používají rotační elektrický pohon s přímým krokovým motorem. V tomto případě je poloha lopatek řízena elektronickým zpětnovazebním ventilem prostřednictvím mechanismu hřebene a pastorku. Pro zpětnou vazbu z ECU se používá vačka s magnetorezistivním snímačem připojeným k převodu.

Pokud je nutné otočit nože, zajišťuje ECUdodávka proudu v určitém rozsahu k jejich přesunutí do předem určené polohy, načež po přijetí signálu ze snímače deaktivuje zpětnovazební ventil.

Řídící jednotka motoru

Z výše uvedeného vyplývá, že princip činnosti turbín s proměnnou geometrií je založen na optimální koordinaci přídavného mechanismu v souladu s provozním režimem motoru. Proto je nutné jeho přesné polohování a neustálé sledování. Turbíny s proměnnou geometrií jsou proto řízeny řídicími jednotkami motoru.

Používají strategie k maximalizaci produktivity nebo ke zlepšení environmentální výkonnosti. Existuje několik principů fungování BUD.

Nejběžnější z nich zahrnuje použití referenčních informací založených na empirických datech a modelech motoru. V tomto případě dopředný ovladač vybere hodnoty z tabulky a použije zpětnou vazbu ke snížení chyb. Je to všestranná technologie, která umožňuje různé strategie ovládání.

Jeho hlavní nevýhodou jsou omezení při přechodových jevech (ostré zrychlení, řazení). K jeho odstranění byly použity víceparametrové, PD- a PID-regulátory. Ty jsou považovány za nejslibnější, ale nejsou dostatečně přesné v celém rozsahu zatížení. To bylo vyřešeno aplikací rozhodovacích algoritmů fuzzy logiky pomocí MAS.

Existují dvě technologie pro poskytování referenčních informací: model průměrného motoru a umělýneuronové sítě. Ten zahrnuje dvě strategie. Jeden z nich zahrnuje udržování zvýšení na dané úrovni, druhý - udržování rozdílu podtlaku. Ve druhém případě je dosaženo nejlepšího environmentálního výkonu, ale turbína se přetáčí.

Málo výrobců vyvíjí ECU pro turbodmychadla s proměnnou geometrií. Naprostou většinu z nich představují produkty automobilek. Na trhu však existují některé špičkové ECU třetích stran, které jsou pro taková turba navrženy.

Obecná ustanovení

Hlavními charakteristikami turbín jsou hmotnostní proudění vzduchu a rychlost proudění. Vstupní plocha je jedním z omezujících faktorů výkonu. Možnosti proměnné geometrie umožňují tuto oblast změnit. Efektivní plocha je tedy určena výškou průchodu a úhlem lopatek. První indikátor je vyměnitelný u verzí s kluzným kroužkem, druhý - u turbín s rotačními lopatkami.

Turbodmychadla s proměnnou geometrií tedy neustále poskytují požadovaný výkon. Díky tomu motory jimi vybavené nemají prodlevu spojenou s dobou roztočení turbíny jako u běžných velkých turbodmychadel a nedusí se ve vysokých otáčkách jako u malých.

Na závěr je třeba poznamenat, že ačkoli jsou turbodmychadla s proměnnou geometrií navržena tak, aby fungovala bez obtokového ventilu, bylo zjištěno, že poskytují zvýšení výkonu především při nízkých otáčkách a při vysokých otáčkách při plném otevřenílopatky nejsou schopny vyrovnat se s velkým hmotnostním tokem. Proto, aby se zabránilo nadměrnému protitlaku, se stále doporučuje používat wastegate.

Pro a proti

Přizpůsobení turbíny provoznímu režimu motoru poskytuje zlepšení ve všech ukazatelích ve srovnání s možnostmi pevné geometrie:

• lepší odezva a výkon v celém rozsahu otáček;
• plošší střední křivka točivého momentu;
• schopnost provozovat motor při částečném zatížení s účinnější chudou směsí vzduch/palivo;
• lepší tepelná účinnost;
• zabránění nadměrnému zesílení při vysokých otáčkách;
• nejlepší environmentální výkon;
• nižší spotřeba paliva;
• rozšířený provozní rozsah turbíny.

Hlavní nevýhodou turbodmychadel s variabilní geometrií je jejich výrazně komplikovaná konstrukce. Vzhledem k přítomnosti dalších pohyblivých prvků a pohonů jsou méně spolehlivé a údržba a opravy turbín tohoto typu jsou obtížnější. Navíc úpravy pro benzínové motory jsou velmi drahé (cca 3x dražší než klasické). A konečně, tyto turbíny je obtížné kombinovat s motory, které pro ně nejsou určeny.

Je třeba poznamenat, že pokud jde o špičkový výkon, turbíny s proměnnou geometrií jsou často horší než jejich konvenční protějšky. To je způsobeno ztrátami v krytu a kolem podpěr pohyblivých prvků. Maximální výkon navíc prudce klesá při vzdalování se od optimální polohy. Nicméně generálÚčinnost turbodmychadel této konstrukce je vyšší než u variant s pevnou geometrií díky většímu provoznímu rozsahu.

Aplikace a další funkce

Rozsah turbín s proměnnou geometrií je určen jejich typem. Například motory s rotujícími lopatkami jsou instalovány na motorech osobních a lehkých užitkových vozidel a modifikace s posuvným kroužkem se používají hlavně na nákladních automobilech.

Obecně platí, že turbíny s proměnnou geometrií se nejčastěji používají u dieselových motorů. To je způsobeno nízkou teplotou jejich výfukových plynů.

U dieselových motorů pro cestující slouží tato turbodmychadla především ke kompenzaci ztráty výkonu ze systému recirkulace výfukových plynů.

U nákladních vozidel mohou turbíny samy o sobě zlepšit environmentální výkon řízením množství výfukových plynů recirkulovaných do sání motoru. S použitím turbodmychadel s proměnnou geometrií je tedy možné zvýšit tlak ve výfukovém potrubí na hodnotu větší než v sacím potrubí, aby se urychlila recirkulace. Přestože nadměrný protitlak poškozuje účinnost paliva, pomáhá snižovat emise oxidů dusíku.

Mechanismus lze navíc upravit tak, aby se snížila účinnost turbíny v dané poloze. To se používá ke zvýšení teploty výfukových plynů za účelem pročištění filtru pevných částic oxidací přilepených uhlíkových částic zahříváním.

Datafunkce vyžadují hydraulický nebo elektrický pohon.

Významné výhody turbín s proměnnou geometrií oproti konvenčním z nich činí nejlepší volbu pro sportovní motory. U benzínových motorů jsou však extrémně vzácné. Je známo pouze několik jimi vybavených sportovních vozů (v současnosti Porsche 718, 911 Turbo a Suzuki Swift Sport). Podle jednoho manažera BorgWarner je to způsobeno velmi vysokými náklady na výrobu takových turbín, kvůli nutnosti používat specializované tepelně odolné materiály pro interakci s vysokoteplotními výfukovými plyny benzínových motorů (vznětové výfukové plyny mají mnohem nižší teplotu, takže turbíny jsou pro ně levnější).

První VGT používané u benzínových motorů byly vyrobeny z konvenčních materiálů, takže k zajištění přijatelné životnosti musely být použity složité chladicí systémy. Takže na Hondě Legend z roku 1988 byla taková turbína kombinována s vodou chlazeným mezichladičem. Kromě toho má tento typ motoru širší rozsah průtoku výfukových plynů, což vyžaduje schopnost zvládnout větší rozsah hmotnostního průtoku.

Výrobci dosahují požadované úrovně výkonu, citlivosti, účinnosti a šetrnosti k životnímu prostředí tím nejhospodárnějším způsobem. Výjimkou jsou ojedinělé případy, kdy konečná cena není prioritou. V této souvislosti jde například o dosažení rekordního výkonu na Koenigsegg One: 1 nebo úpravu Porsche 911 Turbo na civilníoperace.

Obecně platí, že velká většina vozů s turbodmychadlem je vybavena konvenčními turbodmychadly. U vysoce výkonných sportovních motorů se často používají možnosti twin-scroll. Ačkoli jsou tato turbodmychadla horší než VGT, nabízejí stejné výhody oproti konvenčním turbínám, pouze v menší míře, a přesto mají téměř stejně jednoduchou konstrukci jako ta druhá. Co se týče tuningu, použití turbodmychadel s variabilní geometrií je kromě vysoké ceny omezeno složitostí jejich naladění.

U benzínových motorů studie H. Ishihary, K. Adachiho a S. Kona označila turbínu s proměnným průtokem (VFT) za nejoptimálnější VGT. Díky pouze jednomu pohyblivému prvku se snižují výrobní náklady a zvyšuje se tepelná stabilita. Kromě toho taková turbína pracuje podle jednoduchého algoritmu ECU, podobně jako možnosti s pevnou geometrií vybavené obtokovým ventilem. Obzvláště dobrých výsledků bylo dosaženo, když byla taková turbína kombinována s iVTEC. U systémů s nuceným sáním je však pozorováno zvýšení teploty výfukových plynů o 50–100 °C, což má vliv na chování vůči životnímu prostředí. Tento problém byl vyřešen použitím vodou chlazeného hliníkového potrubí.

Řešením společnosti BorgWarner pro benzínové motory bylo zkombinovat technologii twin scroll a design s variabilní geometrií do dvojité turbíny s variabilní geometrií představené na SEMA 2015. JejíStejný design jako u dvojité spirálové turbíny, toto turbodmychadlo má dvojitý vstup a dvojité monolitické turbínové kolo a je kombinováno s dvojitým spirálovým potrubím, které eliminovalo pulsaci výfukových plynů pro hustší proudění.

Rozdíl je v přítomnosti klapky ve vstupní části, která v závislosti na zatížení rozděluje proudění mezi oběžná kola. Při nízkých otáčkách jdou všechny výfukové plyny do malé části rotoru a velká část je blokována, což zajišťuje ještě rychlejší roztočení než běžná twin-scroll turbína. Se zvyšujícím se zatížením se klapka postupně přesouvá do střední polohy a rovnoměrně rozděluje proudění při vysokých rychlostech, jako u standardního twin-scroll provedení. To znamená, že z hlediska mechanismu změny geometrie se taková turbína blíží VFT.

Tato technologie, stejně jako technologie s proměnnou geometrií, tedy poskytuje změnu poměru A/R v závislosti na zatížení, přizpůsobuje turbínu provoznímu režimu motoru, což rozšiřuje provozní rozsah. Zároveň je uvažovaná konstrukce mnohem jednodušší a levnější, protože je zde použit pouze jeden pohyblivý prvek, který pracuje podle jednoduchého algoritmu a nejsou vyžadovány tepelně odolné materiály. Ten je způsoben poklesem teploty v důsledku tepelných ztrát na stěnách dvojitého pláště turbíny. Je třeba poznamenat, že s podobnými řešeními jsme se již setkali (například rychlospoušťový ventil), ale z nějakého důvodu si tato technologie nezískala popularitu.

Údržba aoprava

Hlavní operací údržby turbín je čištění. Jeho potřeba je způsobena jejich interakcí s výfukovými plyny, představovanými produkty spalování paliva a olejů. Čištění je však nutné jen zřídka. Intenzivní znečištění ukazuje na poruchu, která může být způsobena nadměrným tlakem, opotřebením těsnění nebo pouzder oběžných kol a také pístového prostoru, ucpáním odvzdušňovače.

Turbíny s proměnnou geometrií jsou citlivější na znečištění než konvenční turbíny. To je způsobeno skutečností, že hromadění sazí ve vodicí lopatkě zařízení pro změnu geometrie vede k jejímu zaklínění nebo ztrátě pohyblivosti. V důsledku toho je narušena funkce turbodmychadla.

V nejjednodušším případě se čištění provádí pomocí speciální kapaliny, ale často je nutná ruční práce. Turbína se musí nejprve rozebrat. Při odpojování mechanismu změny geometrie dávejte pozor, abyste neuřízli upevňovací šrouby. Následné odvrtání jejich úlomků může vést k poškození otvorů. Proto je čištění turbíny s proměnnou geometrií poněkud obtížné.

Kromě toho je třeba mít na paměti, že neopatrné zacházení s kazetou může poškodit nebo zdeformovat listy rotoru. Pokud je po vyčištění rozebrána, bude vyžadovat vyvážení, ale vnitřek kazety se obvykle nevyčistí.

Olejové saze na kolech indikují opotřebení pístních kroužků nebo skupiny ventilů a také těsnění rotoru v kazetě. Čištění bezodstranění těchto poruch motoru nebo oprava turbíny je nepraktická.

Po výměně vložky pro turbodmychadla daného typu je nutné seřízení geometrie. K tomu se používají trvalé a hrubé stavěcí šrouby. Je třeba poznamenat, že některé modely první generace nebyly původně konfigurovány výrobci, v důsledku čehož se jejich výkon „dole“snížil o 15–25 %. To platí zejména pro Garrettovy turbíny. Pokyny naleznete online, jak nastavit turbínu s proměnnou geometrií.

CV

Turbodmychadla s variabilní geometrií představují nejvyšší stupeň ve vývoji sériových turbín pro spalovací motory. Přídavný mechanismus ve vstupní části zajišťuje přizpůsobení turbíny provoznímu režimu motoru úpravou konfigurace. To zlepšuje výkon, hospodárnost a šetrnost k životnímu prostředí. Konstrukce VGT je však složitá a benzínové modely jsou velmi drahé.