Turbină cu geometrie variabilă: principiu de funcționare, proiectare, reparații

Odată cu dezvoltarea turbinelor pentru motoarele cu ardere internă, producătorii încearcă să își îmbunătățească coerența cu motoarele și eficiența. Soluția cea mai avansată din punct de vedere tehnic pentru producția în serie este modificarea geometriei de admisie. Iată o scurtă trecere în revistă a proiectului de turbină cu geometrie variabilă, principiul de funcționare, caracteristici ale serviciului.

Caracteristici comune

Turbinele avute în vedere diferă de turbinele obișnuite prin capacitatea lor de a se adapta la modul de funcționare a motorului prin modificarea raportului A/R care determină debitul. Aceasta este caracteristica geometrică a carcasei, reprezentată de suprafața parțială a secțiunii transversale a canalului și de distanța dintre centrul de greutate al acestei secțiuni transversale și axa centrală a turbinei.

Relevanța turbocompresoarelor cu geometrie variabilă constă în faptul că, pentru viteze mari și mici, valorile optime ale acestui parametru diferă considerabil. De exemplu, cu o valoare A/R scăzută, turbocompresorul are o viteză de curgere mai mare și poate fi rotit rapid, dar randamentul său maxim este scăzut. Pe de altă parte, o valoare ridicată a acestui parametru are ca rezultat o capacitate mare și o viteză redusă a gazelor de evacuare.

În consecință, dacă A/R este prea mare, turbina nu va putea genera presiune la turații mici, iar dacă este prea mică, va sufoca motorul la turații înalte (din cauza contrapresiunii din colectorul de evacuare, performanțele vor scădea). Prin urmare, turbocompresoarele cu geometrie fixă au o valoare medie A/R care permite funcționarea pe întreaga gamă de viteze, în timp ce turbinele cu geometrie variabilă funcționează pe principiul menținerii unei valori optime A/R. Aceste variante sunt, prin urmare, foarte eficiente la turații ridicate, cu un prag de supraalimentare scăzut și o întârziere minimă.

Pe lângă denumirea principală [turbină cu geometrie variabilă (VGT, VTG)], aceste variante sunt cunoscute sub denumirea de duze variabile (VNT), turbină cu rotor variabil (VVT), duze cu suprafață variabilă (VATN).

Turbina cu geometrie variabilă a fost dezvoltată de Garrett. Alți producători, inclusiv MHI și BorgWarner, produc, de asemenea, aceste piese. Producător primar variantele cu inel glisant sunt Cummins Turbo Technologies.

Deși sunt utilizate cu precădere la motoarele diesel, turbinele cu geometrie variabilă sunt foarte comune și câștigă popularitate. Se preconizează că aceste modele vor reprezenta 63% din piață în 2020. aceste modele vor reprezenta peste 63% din piața mondială a turbinelor. Utilizarea și dezvoltarea sa în creștere se datorează, în primul rând, normelor de mediu mai stricte.

Design

Turbina cu geometrie variabilă diferă de modelele convenționale prin faptul că are un mecanism suplimentar la capătul de admisie al carcasei turbinei. Există mai multe variante ale designului său.

cel mai comun tip este cel cu inel de rotoare glisant. Această unitate este formată dintr-un inel de palete rigide și fixe dispuse în jurul rotorului și care se deplasează în raport cu o placă fixă. Mecanismul de alunecare servește la îngustarea/extinderea pasajului pentru fluxul de gaz.

Deoarece inelul rotorului glisează în direcția axială, este foarte compact și are un minim de puncte slabe pentru a asigura durabilitatea. Această variantă este potrivită pentru motoare mai mari, deci este folosită în principal pe camioane și autobuze. Se caracterizează prin simplitate, capacitate mare la "low-end", fiabilitate.

A doua opțiune implică, de asemenea, un inel cu palete. Cu toate acestea, în acest caz, este fixat rigid pe o placă plană, iar lamele sunt montate pe pini, permițându-le să se rotească axial, pe cealaltă parte a plăcii. În acest fel, geometria turbinei este modificată de palete. Această versiune este mai eficientă.

Cu toate acestea, din cauza numărului mare de piese mobile, este mai puțin fiabil, în special la temperaturi ridicate. Problemele constatate se datorează frecării pieselor metalice, care se dilată la încălzire.

O altă variantă - peretele în mișcare. Aceasta este foarte asemănătoare cu tehnologia inelelor glisante, dar în acest caz lamelele staționare sunt montate pe o placă statică și nu pe un inel glisant.

Turbocompresorul cu suprafață variabilă (VAT) are lamele care se rotesc în jurul punctului de racordare. Spre deosebire de un model de lame pivotante, lamele nu sunt montate pe circumferința inelului, ci pe un rând. Deoarece această variantă necesită un sistem mecanic complex și costisitor, au fost dezvoltate versiuni simplificate.

Unul dintre acestea este turbocompresorul cu debit variabil Aisin Seiki (VFT). Carcasa turbinei este împărțită în două canale prin intermediul unei palete fixe și este echipată cu un amortizor care împarte fluxul între ele. În jurul rotorului sunt montate mai multe palete staționare. Acestea asigură izolarea și îmbinarea fluxurilor.

Cea de-a doua versiune, numită "Switchblade", este mai apropiată de VAT, dar în loc de un rând de lame, folosește o singură paletă care se rotește în jurul punctului de instalare. Există două tipuri de acest design. Unul presupune montarea paletei în partea centrală a carcasei. În cel de-al doilea, se află în centrul canalului și îl împarte în două compartimente, ca și paleta VFT.

Acționările sunt utilizate pentru a controla turbina cu geometrie variabilă: electrice, hidraulice, pneumatice. Turbocompresorul este controlat de unitatea de control a motorului (ECU, OBD).

Trebuie remarcat faptul că astfel de turbine nu necesită o supapă de by-pass, deoarece este posibilă încetinirea fluxului de gaze de eșapament în mod nedecompresiv și lăsarea excesului să treacă prin turbină.

principiul de funcționare

Principiul de funcționare al turbinelor cu geometrie variabilă este de a menține o valoare optimă A/R și un unghi de turbionare prin variația suprafeței secțiunii transversale a intrării. Se bazează pe faptul că viteza fluxului de gaze de eșapament este invers legată de lățimea conductei. Prin urmare, pe "de bază" Pentru o rotire rapidă, suprafața secțiunii transversale a secțiunii de admisie este redusă. Pe măsură ce viteza crește, acesta se lărgește treptat pentru a mări debitul.

Mecanismul de schimbare a geometriei

Mecanismul pentru acest proces este determinat de proiectarea. În cazul modelelor cu lamele rotative, acest lucru se realizează prin schimbarea poziției acestora: pentru a asigura o secțiune transversală îngustă, lamelele sunt dispuse perpendicular pe liniile radiale, iar pentru a lărgi canalul, acestea se deplasează într-o poziție în trepte.

În cazul turbinelor cu inel de alunecare și perete mobil, inelul se deplasează axial, ceea ce modifică și secțiunea transversală a canalului.

Principiul de funcționare al VFT se bazează pe separarea fluxului. La viteze mici, este accelerată de amortizorul care blochează secțiunea exterioară a conductei, astfel încât gazele să parcurgă cel mai scurt drum posibil către rotor. Când sarcina crește, clapeta se ridică, permițând un flux mai mare prin cele două compartimente pentru a extinde capacitatea.

În cazul modelelor VAT și Switchblade, geometria este modificată prin rotirea paletei: la viteze mici, aceasta se ridică pentru a îngusta pasajul pentru accelerarea debitului, iar la viteze mai mari alunecă peste roata turbinei pentru a mări capacitatea de curgere. Turbina Switchblade este caracterizată de o separare inversă a fluxului (în amonte și în aval) secvența de operare lame.

Deci, la "partea de jos " se sprijină pe rotor, astfel încât curgerea se face numai de-a lungul peretelui exterior al carcasei. Pe măsură ce viteza crește, paleta se ridică, deschizând pasajul din jurul rotorului pentru a crește debitul.

Conducere

Cel mai comun actuator este versiunea pneumatică, în care mecanismul este controlat de un piston acționat de aer în interiorul cilindrului.

Poziția lamelelor este reglată de un dispozitiv de acționare cu diafragmă care este legat de un inel cu palete, astfel încât accelerația se poate schimba continuu. Un dispozitiv de acționare acționează axul în funcție de nivelul de vid, contracarând resortul. Modularea vidului este controlată de o supapă electrică care induce un curent liniar dependent de nivelul de vid. Vidul poate fi asigurat de o pompă de vid. Curentul este furnizat de baterie și modulează ECU.

Principalul dezavantaj al unor astfel de actuatoare este dificultatea de a prevedea starea gazului după comprimare, în special atunci când este încălzit. Prin urmare, actuatoarele hidraulice și electrice sunt mai avansate.

Acționările hidraulice funcționează pe același principiu ca și cele pneumatice, dar în loc de aer în cilindru se folosește un fluid care poate fi reprezentat de uleiul de motor. De asemenea, este necompresibil, ceea ce îl face un sistem mai bine controlat.

Supapa solenoidă folosește presiunea uleiului și un semnal ECU pentru a muta inelul. Pistonul hidraulic deplasează angrenajul cu cremalieră și pinion, care menține pivotarea lamelelor. Un transmițător de poziție analogic este utilizat pentru a transmite poziția lamei la camele BHA. Când presiunea uleiului este scăzută, lamelele se deschid și se închid pe măsură ce presiunea uleiului crește.

Actuatorul electric este cel mai precis, deoarece tensiunea poate asigura un control foarte fin. Cu toate acestea, necesită o răcire suplimentară, care este asigurată de conducte de răcire (în versiunile pneumatice și hidraulice) pentru îndepărtare se folosește căldura).

Un mecanism selector servește la acționarea modificatorului de geometrie.

Unele modele de turbine folosesc o acționare electrică rotativă cu un motor pas cu pas direct. În acest caz, poziția lamei este controlată de o supapă electronică de reacție prin intermediul unui mecanism cu cremalieră și pinion. O came atașată la roata dințată cu un senzor magnetorezistiv este utilizată pentru feedback-ul către BUD.

Atunci când paletele trebuie să se rotească, ECU furnizează curent într-un anumit interval pentru a le deplasa într-o anumită poziție, după care, primind un semnal de la senzor, dezactivează supapa de reacție.

Unitatea de comandă a motorului

Din cele de mai sus, se poate observa că principiul turbinelor cu geometrie variabilă se bazează pe coordonarea optimă a mecanismului auxiliar pentru a se adapta la condițiile de funcționare a motorului. Prin urmare, este necesară o poziționare exactă și o monitorizare continuă. Prin urmare, turbinele cu geometrie variabilă sunt controlate de unități de control al motorului.

Aceștia folosesc strategii fie pentru productivitate maximă, fie pentru a îmbunătăți performanța de mediu. Există mai multe principii de funcționare BUD.

Cea mai frecventă dintre acestea implică utilizarea de date de referință bazate pe date și modele empirice ale motoarelor. În acest caz, controlerul de legătură directă selectează valorile dintr-un tabel și utilizează feedback-ul pentru a reduce erorile. Este o tehnologie versatilă, care permite aplicarea diferitelor strategii de management.

Principalul său dezavantaj este limitarea în timpul tranzițiilor (accelerare bruscă, schimbare de viteză). A fost folosit pentru a elimina utilizarea regulatoarelor multiparametrice, PD și PID. Acestea din urmă sunt considerate cele mai promițătoare, dar nu sunt suficient de precise pe toată gama de sarcini. Acest lucru este rezolvat prin aplicarea unui algoritmi de logică fuzzy luarea deciziilor folosind MAS.

Există două tehnologii pentru furnizarea de informații de referință: un model de motor cu valoare medie și rețele neuronale artificiale. Aceasta din urmă include două strategii. Una dintre acestea presupune menținerea presiunii la un nivel predeterminat, iar cealaltă presupune menținerea unei diferențe de presiune negativă. Cea de-a doua obține performanțe de mediu mai bune, dar există o supraviteză a turbinei.

Nu sunt mulți producători care dezvoltă PMN-uri pentru turbocompresoare cu geometrie variabilă. Marea majoritate a acestora sunt reprezentate de produsele producătorilor de automobile. Cu toate acestea, există pe piață câteva ECU-uri terțe de înaltă calitate concepute pentru astfel de turbocompresoare.

General

Principalele caracteristici ale turbinelor sunt debitul masic și debitul de curgere. Zona de intrare se referă la factorii limitativi de performanță. Variantele de geometrie variabilă permit modificarea acestei zone. Astfel, suprafața efectivă este determinată de înălțimea de trecere și de unghiul lamei. Prima este variabilă în cazul versiunilor cu inel de alunecare, iar a doua în cazul turbinelor cu palete pivotante.

Prin urmare, turbocompresoarele cu geometrie variabilă oferă întotdeauna impulsul necesar. Astfel, motoarele echipate cu acestea nu suferă decalaje în timpul de accelerare a turbocompresorului, ca motoarele echipate cu turbocompresoare mari, și nu se sufocă în intervalul de turație ridicat, ca motoarele echipate cu turbocompresoare mici.

În cele din urmă, trebuie remarcat faptul că, deși turbocompresoarele cu geometrie variabilă sunt concepute pentru a funcționa fără supapă de bypass, s-a constatat că acestea oferă o creștere a performanțelor în principal prin "partea de jos", și, la viteze mai mari, cu paletele complet deschise, nu pot face față debitului masic ridicat. Prin urmare, pentru a preveni o contrapresiune excesivă, trebuie să se se recomandă să se utilizeze vestgate.

Avantaje și dezavantaje

Adaptarea variabilă a turbinei oferă o îmbunătățire generală a performanțelor față de variantele cu geometrie fixă:

• Reactivitate și performanță mai bune pe toată plaja de turații;
• o curbă de cuplu mai plană la jumătatea intervalului;
• Capacitatea de a face să funcționeze motorul la sarcină parțială cu un amestec carburant-aer mai sărac și mai eficient;
• Eficiență termică mai bună;
• previne supraîncărcarea la turații mai mari;
• o mai bună performanță de mediu;
• un consum mai mic de combustibil;
• interval de lucru extins al turbinei.

principalul dezavantaj al turbocompresoarelor cu geometrie variabilă este proiectarea semnificativ mai complexă. Cu piese mobile și actuatoare suplimentare, acestea sunt mai puțin fiabile și mai dificil de întreținut și reparat. În plus, modificările pentru motoarele pe benzină sunt foarte costisitoare (de aproximativ 3 ori mai scumpe decât motoarele convenționale). În cele din urmă, aceste turbine nu sunt ușor compatibile cu motoarele care nu au fost proiectate pentru ele.

Trebuie remarcat faptul că turbinele cu geometrie variabilă sunt adesea inferioare omologilor lor convenționali în ceea ce privește performanța de vârf. Acest lucru se datorează pierderilor din carcasă și din jurul rulmenților elementelor mobile. În plus, randamentul maxim scade drastic și atunci când nu se atinge poziția optimă. Cu toate acestea, eficiența globală a acestui tip de turbocompresor este mai mare decât în cazul variantelor cu geometrie fixă, datorită intervalului de funcționare mai larg al încărcăturii.

Aplicații și funcții suplimentare

Domeniul de aplicare al turbinei cu geometrie variabilă este determinat de tipul acesteia. Astfel, motoarele pentru autoturisme și autovehicule comerciale ușoare sunt echipate cu variante cu palete rotative, în timp ce variantele cu inel glisant sunt folosite mai ales pe camioane.

În general, turbinele cu geometrie variabilă sunt utilizate cel mai frecvent pe motoare diesel. Acest lucru se datorează temperaturii scăzute a gazelor de eșapament.

La autoturisme, aceste turbocompresoare servesc în principal la compensarea pierderii de capacitate a sistemului de recirculare.

La camioane, turbinele însele pot îmbunătăți performanța de mediu prin controlul cantității de gaze de eșapament recirculate în admisia motorului. De exemplu, în cazul turbocompresoarelor cu geometrie variabilă, presiunea din colectorul de evacuare poate fi crescută la o valoare mai mare decât cea din colectorul de admisie pentru a accelera recircularea. Deși contrapresiunea suplimentară are un efect negativ asupra eficienței combustibilului, aceasta contribuie la reducerea emisiilor de oxizi de azot.

În plus, mecanismul poate fi modificat pentru a reduce eficiența turbinei într-o anumită poziție. Acesta este utilizat pentru a crește temperatura gazelor de eșapament pentru a curăța filtrul de particule prin oxidarea particulelor de carbon prinse prin încălzire.

Aceste funcții necesită o acționare hidraulică sau electrică.

Avantajele declarate ale turbinelor cu geometrie variabilă față de turbinele convenționale le fac să fie cea mai bună opțiune pentru motoarele sport. Dar acestea sunt rar întâlnite pe motoarele pe benzină. Doar câteva mașini sport sunt cunoscute ca fiind dotate cu ele (în prezent Porsche 718, 911 Turbo și Suzuki Swift Sport). Potrivit unui director al BorgWarner, acest lucru se datorează costului foarte ridicat al producției acestor turbine, care este cauzat de necesitatea de a folosi materiale speciale rezistente la căldură materiale pentru Interacțiunea cu gazele de eșapament de temperatură ridicată ale motoarelor pe benzină (gazele de eșapament ale motoarelor diesel au o temperatură mult mai scăzută, astfel încât turbinele pentru acestea sunt mai ieftine).

Primele VGT utilizate pe motoare pe benzină au fost fabricate din materiale convenționale, astfel încât a fost necesară utilizarea unor sisteme de răcire complexe pentru a asigura o durată de viață acceptabilă. La Honda Legend din 1988, de exemplu, un intercooler răcit cu apă a fost combinat cu un intercooler răcit cu apă. o astfel de turbină este combinată cu un intercooler răcit cu apă. În plus, acest tip de motor are o gamă mai largă de debite de gaze de evacuare și, prin urmare, necesită o gamă mai largă de debite masice.

Producătorii obțin performanțele, capacitatea de reacție, eficiența și eco-confortul necesar în cel mai ieftin mod posibil. Excepție fac cazurile izolate în care costul final nu este o prioritate. Un astfel de turbo este, de exemplu, realizarea recordului de pe Koenigsegg One: 1 sau adaptarea lui Porsche 911 Turbo pentru uz civil.

În general, marea majoritate a vehiculelor turboalimentate sunt echipate cu turbocompresoare de concepție convențională. Pentru motoarele sport de înaltă performanță, se folosesc adesea variantele cu două cilindri cilindrici. Deși sunt inferioare turbocompresoarelor VGT, aceste turbocompresoare oferă aceleași avantaje față de turbinele convenționale, doar că într-o măsură mai mică, fiind în același timp aproape la fel de simple ca acestea din urmă în ceea ce privește proiectarea. În ceea ce privește reglajul, aici utilizarea turbocompresoarelor cu geometrie variabilă, pe lângă costul ridicat, este limitată de complexitatea reglajului.

Pentru motoarele pe benzină din studiul H. Ishihara, K. Adachi și S. Turbina Kono cu debit variabil (VFT) a fost citată ca fiind cea mai bună dintre turbinele VGT. Cu un singur element mobil, costurile de producție sunt reduse și rezistența la temperatură este crescută. În plus, o astfel de turbină funcționează cu un algoritm VFT simplu, similar cu variantele cu geometrie fixă echipate cu o supapă de bypass. Rezultate deosebit de bune au fost obținute atunci când o astfel de turbină a fost combinată cu o turbină iVTEC. Cu toate acestea, în cazul sistemelor de inducție forțată, există o creștere a temperaturii gazelor de evacuare de 50-100 °C, ceea ce afectează performanța de mediu. Această problemă a fost rezolvată prin utilizarea unui colector din aluminiu răcit cu apă.

Soluția BorgWarner pentru motoarele pe benzină a fost de a combina tehnologia twinscroll și designul cu geometrie variabilă în turbina twinscroll cu geometrie variabilă, prezentată la SEMA 2015. Designul său este similar cu cel al unei turbine twinskroot: acest turbocompresor are o admisie dublă și o roată de turbină monolit dublă și este combinat cu un colector twinskroot care ia în considerare secvențierea cilindrilor pentru a elimina pulsațiile de evacuare, pentru a crea un flux mai strâns.

Diferența constă în prezența unui amortizor în secțiunea de admisie care, în funcție de sarcină, distribuie debitul către rotoare. La viteză mică, toate gazele de eșapament se duc într-o mică parte a rotorului, iar partea mare este închisă, permițând o accelerare chiar mai rapidă decât în cazul unei turbine convenționale cu două spirale. Odată cu creșterea sarcinii, amortizorul se deplasează treptat într-o poziție de mijloc și distribuie uniform debitul la turații înalte, ca într-un design standard cu două role. Adică, în ceea ce privește proiectarea mecanismului de modificare a geometriei, o astfel de turbină este apropiată de VFT.

Astfel, această tehnologie, precum și tehnologia cu geometrie variabilă, asigură modificarea raportului A/R în funcție de sarcină, adaptând turbina la modul de funcționare a motorului, ceea ce extinde domeniul de funcționare. În același timp, designul considerat este considerabil mai simplu și mai ieftin, deoarece utilizează doar un singur element mobil, care funcționează conform unui algoritm simplu și nu necesită aplicarea de materiale rezistente la căldură. Aceasta din urmă se datorează unei reduceri a temperaturii care rezultă din pierderea de căldură prin pereții carcasei turbinei duble. Trebuie remarcat faptul că soluții similare au mai fost întâlnite înainte (de exemplu, supape cu bobină rapidă), dar, dintr-un anumit motiv, această tehnologie nu a devenit foarte răspândită.

Întreținere și reparații

Principala operațiune de întreținere a turbinei este curățarea. Acest lucru este necesar din cauza interacțiunii lor cu gazele de eșapament, care constau în produse de ardere a combustibilului și a uleiului. Cu toate acestea, curățarea este foarte rar necesară. Murdărirea puternică indică o funcționare defectuoasă, care poate fi cauzată de o presiune excesivă, garnituri sau manșoane de rotor și compartimentul pistonului uzate, obturarea sistemului de aerisire.

Turbinele cu geometrie variabilă sunt mai sensibile la contaminare decât turbinele convenționale. Acest lucru se datorează faptului că o acumulare de funingine în paleta de ghidare a discului oscilant determină blocarea sau pierderea mobilității. Ca urmare, turbocompresorul funcționează defectuos.

În cel mai simplu caz, curățarea se realizează cu ajutorul unui lichid special, dar implică adesea muncă manuală. Turbina trebuie mai întâi dezasamblată. Atunci când se deconectează mecanismul de modificare a geometriei, trebuie avut grijă să se evite tăierea șuruburilor de fixare. Perforarea ulterioară a resturilor lor poate provoca deteriorarea găurilor. Prin urmare, curățarea unei turbine cu geometrie variabilă este oarecum complicată.

În plus, rețineți că o manipulare dură a cartușului poate deteriora sau deforma lamelele rotorului. În cazul în care este dezasamblat, va fi necesară reechilibrarea după ce curățarea a fost finalizată, dar interiorul cartușului nu va fi de obicei curățat.

Reziduurile de ulei de pe roți indică uzura segmentelor de piston sau a sistemului de supape și a garniturilor de etanșare a rotorului din cartuș. Nu se recomandă curățarea fără a elimina aceste defecțiuni ale motorului sau fără a repara turbina.

După înlocuirea cartușului turbocompresorului, geometria trebuie reajustată. Șuruburile de reglare a opririi și a rugozității sunt utilizate pentru acest lucru. Trebuie remarcat faptul că unele modele din prima generație nu sunt setate inițial de către producători, ceea ce duce la performanțe reduse la "în jos" cu 15-25 %. Acest lucru este valabil în special pentru turbinele Garrett. Puteți găsi instrucțiuni pe internet despre cum să reglați un turbo cu geometrie variabilă.

Rezumat

Turbocompresoarele cu geometrie variabilă reprezintă cea mai înaltă etapă în dezvoltarea turbinelor pentru motoarele cu ardere internă. Un mecanism suplimentar în admisie asigură adaptarea turbinei la modul de funcționare a motorului prin reglarea configurației. Acest lucru îmbunătățește performanța, economia și performanța de mediu. Cu toate acestea, enigma VGT este complexă, iar modelele pentru motoare pe benzină sunt foarte scumpe.