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

С развитието на турбините за двигатели с вътрешно горене производителите се опитват да подобрят тяхната съгласуваност с двигателя и ефективността им. Технически най-съвременното стандартно решение е да се промени геометрията на входа. Ето преглед на дизайна на турбината с променлива геометрия, принцип на работа, функции за поддръжка.

Общи характеристики

Разглежданите турбини се различават от конвенционалните по способността си да се адаптират към условията на работа на двигателя чрез промяна на съотношението A/R, което определя пропускателната способност. Това е геометричната характеристика на корпусите, представена от частичната площ на напречното сечение на канала и разстоянието между центъра на тежестта на това сечение и централната ос на турбината.

Значението на турбокомпресорите с променлива геометрия се определя от факта, че при високи и ниски скорости оптималните стойности на този параметър се различават значително. Така при ниска стойност на A/R потокът има висока скорост, така че турбината се върти бързо, но крайният капацитет е малък. От друга страна, високата стойност на този параметър води до висок дебит на отработените газове и ниска скорост на отработените газове.

Следователно, ако стойността на A/R е твърде висока, турбината няма да може да генерира налягане при ниски обороти, а ако е твърде ниска, тя ще задуши двигателя нагоре (поради противоналягане в изпускателния колектор, мощността ще намалее). Следователно за турбокомпресорите с фиксирана геометрия се избира средна стойност на A/R, която позволява работа в целия диапазон на скоростта, докато принципът на работа на турбините с променлива геометрия се основава на поддържането на оптималната му стойност. Поради това тези варианти са високоефективни при високи обороти, с нисък праг на повишаване и минимално забавяне.

В допълнение към основното си наименование (турбина с променлива геометрия (VGT, VTG)) тези варианти са известни и като дизайн с променлива дюза (VNT), дизайн с променливи лопатки (VVT), дизайн с променлива турбинна дюза (VATN).

Турбината с променлива геометрия е разработена от Garrett. Участват и други производители, включително MHI и BorgWarner. Основен производител варианти с плъзгащ се пръстен е Cummins Turbo Technologies.

Въпреки че се използват предимно при дизеловите двигатели, турбините с променлива геометрия са много разпространени и набират популярност. Очаква се до 2020 г. компанията да стане най-големият производител на турбини в света. такива модели ще представляват над 63% от световния пазар на турбини. Основната причина за по-широкото използване и развитие на тази технология е затягането на екологичните разпоредби.

Дизайн

Турбината с променлива геометрия се различава от конвенционалните модели по това, че има допълнителен механизъм във входния край на корпуса на турбината. Съществуват няколко варианта на дизайна му.

Най-разпространеният тип е пръстенът с плъзгащи се лопатки. Това устройство представлява пръстен от неподвижно монтирани лопатки, разположени около ротор и движещи се спрямо неподвижна плоча. Плъзгащият механизъм се използва за ограничаване/разширяване на потока от газове.

Тъй като пръстенът на работното колело се плъзга аксиално, този механизъм е много компактен, а малкият брой слаби места осигуряват здравина. Подходящ за по-големи двигатели и поради това се използва главно в камиони и автобуси. Той се характеризира с простота, високи обороти "нисък", надеждност.

Вторият вариант също има плъзгащ се пръстен. Тук обаче пръстенът е неподвижно закрепен към плоска плоча, а лопатките са монтирани на щифтове, които се въртят аксиално от другата страна на плочата. По този начин геометрията на турбината се променя от лопатките. Този вариант се характеризира с най-добра ефективност.

Но поради големия брой движещи се части той е по-малко надежден, особено при високотемпературни приложения. Посочените проблеми се дължат на триенето между металните части, които се разширяват при нагряване.

Друга възможност е подвижна стена. До голяма степен подобна на технологията с плъзгащ се пръстен, но с неподвижни лопатки, монтирани върху статична плоча, а не върху плъзгащ се пръстен.

Турбокомпресорът с променлива площ (VAT) има лопатки, които се въртят около точката на монтиране. За разлика от конструкцията на шарнирната плоча, лопатките са подредени в редица, а не в кръг около пръстена. Поради факта, че се изисква сложна и скъпа механична система, са разработени опростени версии.

Един от тях е променливият турбокомпресор (VFT) на Aisin Seiki. Корпусът на турбината е разделен на два канала с помощта на фиксирана лопатка и е снабден с демпфер, който разделя потока между тях. Около ротора са монтирани още няколко неподвижни лопатки. Те гарантират, че потокът се задържа и слива.

Вторият вариант, наречен модел Switchblade, е по-близък до ДДС, но вместо редица лопатки използва една-единствена лопатка, която също се върти около точката на монтиране. Съществуват два вида този дизайн. Едната е там, където лопатката е монтирана в централната част на корпуса. Във втория случай тя се намира в центъра на канала и го разделя на две камери, подобно на лопатката VFT.

Задвижващите механизми, използвани за управление на турбина с променлива геометрия, са: електрически, хидравлични, пневматични. Турбокомпресорът се управлява от блока за управление на двигателя (ECU, OBD).

Трябва да се отбележи, че за тези турбини не е необходим байпасен клапан, тъй като е възможно да се забави потокът на отработените газове по недекомпресивен начин и излишъкът да премине през турбината благодарение на прецизен контрол.

Принцип на работа

Принципът на турбините с променлива геометрия е да се поддържа оптимална стойност на A/R и ъгъл на завихряне чрез промяна на напречното сечение на входа. Тя се основава на факта, че скоростта на потока отработени газове е обратно пропорционална на ширината на канала. Затова на "надолу" Намалено напречно сечение на входа за по-бързо въртене. С увеличаване на скоростта тя става все по-широка, за да се увеличи дебитът.

Механизъм за промяна на геометрията

Механизмът на този процес се определя от дизайна. При моделите с въртящи се лопатки това се постига чрез преместване на лопатките, за да се получи тясно напречно сечение; за да се разшири каналът, лопатките се разполагат перпендикулярно на радиалните линии и в стъпаловидно положение, за да се получи по-широк канал.

При турбините с плъзгащ се пръстен и турбините с подвижна стена пръстенът се движи аксиално и това също променя напречното сечение на канала.

Принципът на работа на VFT се основава на разделяне на потока. Ускоряването му при ниска скорост се осъществява чрез демпфер, който блокира външното отделение на въздухопровода, така че газовете да стигнат по най-краткия възможен път до ротора. при по-голямо натоварване амортисьорът се повдига, за да пропуска по-голям поток през двата дистанционера и да разширява капацитета.

При моделите VAT и Switchblade геометрията се променя чрез завъртане на лопатката: при ниски скорости тя се издига нагоре, за да стесни прохода и да ускори потока, а при по-високи скорости се изравнява с турбинното колело, за да увеличи пропускателната способност. Обратната крива на турбината Switchblade е характерна за VFT последователност на работа остриета.

Например, в "надолу" тя е в една равнина с ротора, така че потокът преминава само по външната стена на корпуса. С увеличаване на оборотите лопатката се повдига, отваряйки прохода около работното колело, за да увеличи пропускателната способност.

Задвижване

Най-разпространеният задвижващ механизъм е пневматичният тип, при който механизмът се управлява от бутало, което движи въздуха в цилиндъра.

Положението на лопатките се регулира от мембранно задвижване, което е свързано с пръстена за управление на лопатките, така че газта може да се променя непрекъснато. Задвижващият механизъм задвижва шпиндела в зависимост от нивото на вакуума, като противодейства на пружината. Вакуумната модулация се контролира от електрически клапан, който подава линеен ток в зависимост от параметрите на вакуума. Вакуумът може да се осигури от вакуумната помпа на спирачния усилвател. Токът се подава от акумулатор и се модулира от ECU.

Основният недостатък на тези задвижвания е трудното предвиждане на състоянието на газа след компресиране, особено при нагряване. Поради това хидравличните и електрическите задвижвания са по-усъвършенствани.

Хидравличните задвижвания работят на същия принцип като пневматичните, но вместо въздух в цилиндъра се използва течност, която може да бъде представена от моторно масло. Освен това тя не е компресирана, което означава, че осигурява по-добър контрол.

Електромагнитният клапан използва налягането на маслото и сигнала от ECU, за да премести пръстена. Хидравличното бутало задвижва зъбното колело, което кара лопатките да се наведат. Използва се аналогов сензор за позиция, който предава позицията на острието към кулачето на BUD. При ниско налягане на маслото лопатките са отворени и се затварят при увеличаване на налягането на маслото.

Електрическият задвижващ механизъм е най-точен, тъй като напрежението може да осигури много фин контрол. Тя обаче изисква допълнително охлаждане, което се осигурява от тръби за охлаждаща течност (при пневматични и хидравлични версии) за отстраняване топлината използва течност).

За задвижване на устройството за смяна на геометрията се използва селекторен механизъм.

Някои модели турбини използват ротационно електрическо задвижване с директен стъпков двигател. Тук позицията на лопатката се контролира от електронен вентил с обратна връзка чрез механизъм с зъбна рейка и зъбно колело. За обратна връзка с BUD се използва кула, прикрепена към зъбното колело, с магниторезистивен сензор.

Когато лопатките трябва да се завъртят, ECU подава ток в определен диапазон, за да ги премести в предварително определена позиция, след което, получавайки сигнал от сензора, изключва клапана за обратна връзка.

Блок за управление на двигателя

От гореизложеното следва, че принципът на турбините с променлива геометрия се основава на оптималната координация на допълнителния механизъм в зависимост от режима на работа на двигателя. Това изисква точно позициониране и постоянно наблюдение. Ето защо турбините с променлива геометрия се управляват от блокове за управление на двигателя.

Те използват стратегии, за да максимална производителност, или за подобряване на екологичните показатели. Съществуват няколко принципи на работа BUD.

Най-разпространеният от тях включва използването на референтни данни, базирани на емпирични данни и модели на двигатели. В този случай контролерът за директна връзка избира стойности от таблицата и използва обратна връзка, за да намали грешките. Това е универсална технология, която позволява прилагането на различни стратегии за управление.

Основният му недостатък са ограниченията при преходни ситуации (внезапно ускорение, смяна на предавките). За да се преодолее това, са използвани многопараметрични, PD и PID контролери. Последните се смятат за най-обещаващи, но са недостатъчно точни в пълния диапазон на натоварване. Това е решено чрез прилагане на алгоритми на размитата логика вземане на решения използване на MAS.

Съществуват две технологии за предоставяне на референтна информация: среден модел на двигателя и изкуствени невронни мрежи. Последната включва две стратегии. Едната е свързана с поддържане на определено ниво на повишаване на налягането, а другата - с поддържане на отрицателна разлика в налягането. Вторият вариант постига по-добри екологични показатели, но има прекомерна скорост на турбината.

Не са много производителите, които участват в разработването на турбокомпресори с променлива геометрия. По-голямата част от тях са представени от продуктите на производителите на автомобили. Въпреки това на пазара се предлагат някои високотехнологични ECU на трети страни, предназначени за такива турбокомпресори.

Общи положения

Основните характеристики на турбините се представят чрез масовия дебит и скоростта на потока. Зоната на всмукване е сред ограничаващите фактори за производителността. Вариантите с променлива геометрия позволяват тази област да се променя. По този начин ефективната площ се определя от височината на прохода и ъгъла на лопатките. Първата варира за версиите с плъзгащи се пръстени, а втората - за турбините с люлеещи се плочи.

Затова турбокомпресорите с променлива геометрия винаги осигуряват необходимото повишаване на налягането. По този начин се избягва забавянето, свързано с времето за стартиране на турбокомпресора, което се наблюдава при големите турбокомпресори, и не се задушава при високи обороти, както е при малките турбокомпресори.

И накрая, трябва да се отбележи, че въпреки че турбокомпресорите с променлива геометрия са проектирани да работят без байпасен клапан, е установено, че те осигуряват увеличение на производителността главно чрез "нисък клас", и при високи обороти с напълно отворени лопатки не може да се справи с високия масов дебит. за да се предотврати свръхналягане, се препоръчва препоръчва се да използвате vestgate.

Предимства и недостатъци

Настройката на турбината към двигателя осигурява цялостно подобрение на производителността в сравнение с вариантите с фиксирана геометрия:

• по-добра отзивчивост и производителност в целия диапазон на оборотите;
• по-плавна крива на въртящия момент в средния диапазон;
• двигателят може да работи и при частично натоварване с по-бедна и по-ефективна гориво-въздушна смес;
• по-добра топлинна ефективност;
• избягване на презареждане при високи обороти на двигателя;
• по-добри екологични показатели
• по-добра икономия на гориво;
• разширен работен диапазон на турбината.

Основният недостатък на турбокомпресорите с променлива геометрия е значително по-сложният дизайн. Поради наличието на допълнителни подвижни части и задвижвания те са по-малко надеждни и по-трудни за поддръжка и ремонт. Освен това модификациите на бензиновите двигатели са много скъпи (приблизително 3 пъти по-скъпи от конвенционалните модели). Накрая, тези турбини не са лесно съвместими с двигатели, които не са проектирани за тях.

Трябва да се отбележи, че върховата ефективност на турбините с променлива геометрия често е по-ниска от тази на конвенционалните им аналози. Това се дължи на загубите в корпуса и около лагерите на подвижните елементи. Освен това пиковата производителност рязко спада, когато не се достигне оптималната позиция. Въпреки това общата ефективност на тази конструкция на турбокомпресора е по-висока, отколкото при вариантите с фиксирана геометрия, поради по-големия работен диапазон на турбокомпресора.

Приложения и допълнителни функции

Обхватът на приложение на турбините с променлива геометрия се определя от техния тип. Например версиите с въртящи се лопатки се монтират на двигателите на леки и лекотоварни автомобили, докато версиите с плъзгащ се пръстен се използват предимно при камиони.

Като цяло турбините с променлива геометрия се използват най-често при дизеловите двигатели. Това се дължи на ниската температура на отработените газове.

При леките автомобили тези турбокомпресори се използват предимно за компенсиране на загубата на мощност от системата за рециркулация на отработените газове.

При камионите самите турбини могат да подобрят устойчивостта чрез контролиране на количеството отработени газове, които се връщат обратно в двигателя. По този начин, използвайки турбокомпресори с променлива геометрия, налягането в изпускателния колектор може да се увеличи до по-висока стойност от това във всмукателния колектор, за да се ускори рециркулацията. Въпреки че свръхналягането има отрицателен ефект върху горивната ефективност, то спомага за намаляване на емисиите на азотни оксиди.

Освен това механизмът може да се модифицира, за да се намали ефективността на турбината в дадена позиция. Той се използва за повишаване на температурата на отработените газове, за да се прочисти филтърът за твърди частици чрез окисляване на уловените въглеродни частици чрез нагряване.

Тези функции изискват хидравлично или електрическо задвижване.

Тези предимства на турбините с променлива геометрия в сравнение със стандартните турбини означават, че те са идеално пригодени за спортни двигатели. При бензиновите двигатели обаче те се срещат изключително рядко. Известно е, че само няколко спортни автомобила са оборудвани с тях (понастоящем Porsche 718, 911 Turbo и Suzuki Swift Sport). Според мениджър на BorgWarner това се дължи на много високата цена на производството на тези турбини, което налага използването на специални термоустойчиви материали за взаимодействие с високотемпературните отработени газове на бензиновите двигатели (отработените газове на дизеловите двигатели са с много по-ниска температура, така че турбините са по-евтини за тях).

Първите VGT, използвани в бензинови двигатели, са изработени от конвенционални материали, така че се налага да се използват сложни системи за охлаждане, за да се осигури приемлива дълготрайност. Например, в Honda Legend от 1988 г. такава турбина се комбинира с междинен охладител с водно охлаждане. Освен това двигателите от този тип имат по-голям диапазон на пропускане на отработените газове, поради което е необходимо да могат да обработват по-голям диапазон от масови дебити.

Производителите постигат необходимата производителност, бързина на реакция, ефективност и екологичност по възможно най-евтиния начин. Изключение правят единични случаи, когато крайната цена не е приоритет. В този контекст това са например рекордните постижения на Koenigsegg One:1 или адаптирането на Porsche 911 Turbo за гражданска употреба.

Като цяло по-голямата част от автомобилите с турбокомпресор са оборудвани с конвенционални турбокомпресори. За спортни двигатели с висока производителност често се използват варианти с двойни спирали. Въпреки че отстъпват на VGT, тези турбокомпресори предлагат същите предимства пред конвенционалните турбини, само че в по-малка степен, и са почти толкова прости в конструкцията си, колкото и последните. Що се отнася до настройката, тук използването на турбокомпресори с променлива геометрия, освен от високата им цена, е ограничено и от сложността на настройката им.

За бензиновите двигатели в изследването H. Ishihara, K. Adachi и S. Турбината с променлив дебит (VFT) на Kono беше посочена като най-добрата от VGT. Само с един подвижен елемент се намаляват производствените разходи и се повишава температурната стабилност. Освен това такава турбина работи с прост BUD алгоритъм, подобен на вариантите с фиксирана геометрия, оборудвани с байпасен клапан. Особено добри резултати бяха получени при комбинирането на такава турбина с iVTEC. При системите с принудително пълнене обаче температурата на отработените газове се повишава с 50-100 °C, което се отразява на екологичните показатели. Този проблем се решава чрез използването на алуминиев колектор с водно охлаждане.

Решението на BorgWarner за бензиновите двигатели е да комбинира twinscroll технология и дизайн с променлива геометрия в twinscroll турбина с променлива геометрия, представена на SEMA 2015. Конструкцията му е подобна на турбина twin-scroll: този турбокомпресор има двоен вход и двойно монолитно турбинно колело и е комбиниран с колектор twin-scroll, който отчита последователността на цилиндрите, за да елиминира пулсациите на отработените газове с цел създаване на по-плътен поток.

Разликата е в наличието на клапа на входа, която в зависимост от натоварването разпределя потока към работните колела. При ниски обороти всички отработени газове се насочват към малка част от ротора, а по-голямата част се изключва, което позволява още по-бързо ускорение, отколкото при конвенционална турбина с два спирала. С увеличаване на натоварването демпферът постепенно се придвижва към средното положение и разпределя равномерно потока при високи обороти, както при стандартната конструкция twin-scroll. механизмът за промяна на геометрията е подобен на този при VFT.

По този начин тази технология, както и технологията с променлива геометрия, осигурява промяна на съотношението A/R в зависимост от натоварването, адаптирайки турбината към режима на работа на двигателя, което разширява работния диапазон. В същото време разглежданата конструкция е значително по-проста и по-евтина, тъй като има само един подвижен елемент, работещ по прост алгоритъм, и не изисква прилагане на топлоустойчиви материали. Последното се дължи на намаляване на температурата в резултат на загубата на топлина през стените на корпуса на двойната турбина. Трябва да се отбележи, че подобни решения са се срещали и преди (напр. бързодействащи вентили), но по някаква причина тази технология не е станала широко разпространена.

Поддръжка и ремонт

Основната операция по поддръжката на турбината е почистването. Почистването е необходимо поради взаимодействието им с отработените газове, състоящи се от продукти на горивото и маслото. Въпреки това почистването рядко се налага. Силното замърсяване е индикация за неизправност, която може да е причинена от прекомерно налягане, износени уплътнения или ръкави на работното колело и буталото, запушен въздухоотвод.

Турбините с променлива геометрия са по-чувствителни към замърсяване в сравнение с конвенционалните турбини. Това е така, защото натрупването на сажди в направляващите лопатки на геометричния преобразувател води до блокиране или загуба на подвижност. В резултат на това турбокомпресорът се поврежда.

В най-опростените случаи почистването се извършва със специализирана течност, но често е свързано с ръчна работа. Турбината трябва първо да се разглоби. При демонтирането на механизма за промяна на геометрията трябва да се внимава да не се прережат фиксиращите болтове. Последващото пробиване на техните фрагменти може да доведе до повреда на отворите. По този начин почистването на турбината с променлива геометрия е донякъде сложно.

Освен това невнимателното боравене с касетата може да повреди или деформира лопатките на ротора. Ако е била разглобена, след като почистването е приключило, е необходимо да се извърши балансиране, но вътрешността на касетата обикновено не се почиства.

Остатъците от масло по колелата показват износени бутални пръстени или уплътнения на клапанния тракт и ротора в касетата. Почистването без отстраняване на тези неизправности на двигателя или ремонт на турбината не е препоръчително.

След замяна на патрона на турбокомпресора от въпросния тип геометрията трябва да се регулира отново. За тази цел се използват винтовете за регулиране на ограничителя и грубия монтаж. Трябва да се отбележи, че някои модели от първо поколение не са първоначално конфигурирани от производителите, поради което имат намалена производителност "надолу по течението" с 15-25%. От особено значение за турбините на Гарет. Инструкции за настройване на турбината с променлива геометрия можете да намерите в интернет.

CV

Турбокомпресорите с променлива геометрия представляват най-висшия етап в разработването на серийни турбини за двигатели с вътрешно горене. Допълнителен механизъм във входния край позволява на турбината да се адаптира към двигателя чрез регулиране на. Това подобрява производителността, икономията на гориво и съвместимостта с околната среда. Въпреки това VGT са сложни, а моделите за бензинови двигатели са много скъпи.