Turbine med variabel geometri: funktionsprincip, enhed, reparation

2024 Forfatter: Erin Ralphs | [email protected]. Sidst ændret: 2024-02-19 13:03

Med udviklingen af ICE-turbiner forsøger producenterne at forbedre deres overensstemmelse med motorer og effektivitet. Den mest teknisk avancerede serielle løsning er en ændring af indløbets geometri. Dernæst overvejes designet af turbiner med variabel geometri, driftsprincippet og vedligeholdelsesfunktioner.

Generelle funktioner

De overvejede turbiner adskiller sig fra de sædvanlige i evnen til at tilpasse sig motorens driftstilstand ved at ændre A/R-forholdet, som bestemmer gennemløbet. Dette er en geometrisk karakteristik af husene, repræsenteret ved forholdet mellem kanalens tværsnitsareal og afstanden mellem tyngdepunktet for denne sektion og turbinens midterakse.

Relevansen af turboladere med variabel geometri skyldes, at for høje og lave hastigheder er de optimale værdier af denne parameter væsentligt forskellige. Så for en lille værdi af A/R, flowethar en høj hastighed, hvorved møllen snurrer hurtigt op, men den maksimale gennemstrømning er lav. Store værdier af denne parameter bestemmer tværtimod en stor gennemstrømning og lav udstødningsgashastighed.

Følgelig vil turbinen med en for høj A/R ikke være i stand til at skabe tryk ved lave hastigheder, og hvis det er for lavt, vil det kvæle motoren i toppen (på grund af modtryk i udstødningsmanifold, vil ydeevnen falde). På turboladere med fast geometri vælges derfor en gennemsnitlig A/R-værdi, der gør det muligt at køre over hele hastighedsområdet, mens princippet om drift af turbiner med variabel geometri er baseret på at opretholde dens optimale værdi. Derfor er sådanne muligheder med en lav boost-tærskel og minimal forsinkelse yderst effektive ved høje hastigheder.

Udover hovednavnet (turbiner med variabel geometri (VGT, VTG)) er disse varianter kendt som modeller med variabel dyse (VNT), variabel pumpehjul (VVT), turbinedyser med variabelt areal (VATN).

The Variable Geometry Turbine blev udviklet af Garrett. Ud over det er andre producenter involveret i frigivelsen af sådanne dele, herunder MHI og BorgWarner. Den primære producent af slæberingsvarianter er Cummins Turbo Technologies.

På trods af brugen af turbiner med variabel geometri hovedsageligt på dieselmotorer, er de meget almindelige og vinder popularitet. Det antages, at sådanne modeller i 2020 vil besætte mere end 63% af det globale turbinemarked. Udvidelsen af brugen af denne teknologi og dens udvikling skyldes primært stramning af miljøbestemmelserne.

Design

Turbineanordning med variabel geometri adskiller sig fra konventionelle modeller ved tilstedeværelsen af en ekstra mekanisme i indløbsdelen af turbinehuset. Der er flere muligheder for dets design.

Den mest almindelige type er den glidende padlering. Denne anordning er repræsenteret af en ring med et antal stift fastgjorte blade placeret rundt om rotoren og bevæger sig i forhold til den faste plade. Glidemekanismen bruges til at indsnævre/udvide passagen for strømmen af gasser.

På grund af det faktum, at skovlringen glider i aksial retning, er denne mekanisme meget kompakt, og det minimale antal svage punkter sikrer styrke. Denne mulighed er velegnet til store motorer, så den bruges hovedsageligt på lastbiler og busser. Den er kendetegnet ved enkelhed, høj ydeevne i bunden, pålidelighed.

Den anden mulighed forudsætter også tilstedeværelsen af en vingering. Men i dette tilfælde er det stift fastgjort på en flad plade, og knivene er monteret på stifter, der sikrer deres rotation i aksial retning, på den anden side af den. Således ændres møllens geometri ved hjælp af vingerne. Denne mulighed har den bedste effektivitet.

På grund af det store antal bevægelige dele er dette design imidlertid mindre pålideligt, især under høje temperaturforhold. Markeretproblemer er forårsaget af friktion af metaldele, som udvider sig, når de opvarmes.

En anden mulighed er en bevægelig væg. Det ligner på mange måder slæberingsteknologien, men i dette tilfælde er de faste klinger monteret på en statisk plade i stedet for en slæbering.

Variable area turbocharger (VAT) har blade, der roterer rundt om installationspunktet. I modsætning til ordningen med roterende knive er de installeret ikke langs ringens omkreds, men i en række. Fordi denne mulighed kræver et komplekst og dyrt mekanisk system, er der blevet udviklet forenklede versioner.

Den ene er Aisin Seiki Variable Flow Turbocharger (VFT). Turbinehuset er opdelt i to kanaler med en fast vinge og er udstyret med et spjæld, der fordeler flowet mellem dem. Et par flere faste klinger er installeret rundt om rotoren. De giver fastholdelse og flowsammensmeltning.

Den anden mulighed, kaldet Switchblade-ordningen, er tættere på moms, men i stedet for en række af vinger, bruges en enkelt klinge, som også roterer rundt om installationspunktet. Der er to typer af en sådan konstruktion. En af dem involverer installation af bladet i den centrale del af kroppen. I det andet tilfælde er den midt i kanalen og deler den i to rum, som en VFT-pagaj.

Til at styre en turbine med variabel geometri bruges drev: elektrisk, hydraulisk, pneumatisk. Turboladeren styres af styreenhedenmotor (ECU, ECU).

Det skal bemærkes, at disse turbiner ikke kræver en bypass-ventil, da det på grund af præcis styring er muligt at bremse strømmen af udstødningsgasser på en ikke-dekompressiv måde og føre det overskydende gennem turbinen.

Driftsprincip

Turbiner med variabel geometri fungerer ved at opretholde den optimale A/R og hvirvelvinkel ved at ændre tværsnitsarealet af indløbet. Det er baseret på det faktum, at udstødningsgassens strømningshastighed er omvendt relateret til kanalbredden. Derfor, på "bundene" for hurtig forfremmelse, er tværsnittet af input-delen reduceret. Med stigningen i hastigheden for at øge flowet, udvider den sig gradvist.

Mekanisme til ændring af geometri

Mekanismen for implementeringen af denne proces bestemmes af designet. I modeller med roterende knive opnås dette ved at ændre deres position: For at sikre en smal sektion er knivene vinkelret på de radiale linjer, og for at udvide kanalen går de i en trinvis position.

Slipringturbiner med en bevægelig væg har en aksial bevægelse af ringen, hvilket også ændrer kanalsektionen.

VFT's funktionsprincip er baseret på flowadskillelse. Dens acceleration ved lave hastigheder udføres ved at lukke det ydre rum af kanalen med en dæmper, som et resultat af hvilken gasserne går til rotoren på den kortest mulige måde. Efterhånden som belastningen øges, vil spjældetstiger for at tillade flow gennem begge bugter for at udvide kapaciteten.

For VAT- og Switchblade-modeller ændres geometrien ved at dreje vingen: ved lave hastigheder stiger den, indsnævrer passagen for at fremskynde flowet, og ved høje hastigheder støder den op til turbinehjulet og udvider sig gennemløb. Type 2 switchblade turbiner har omvendt vingedrift.

Så på "bundene" støder det op til rotoren, som et resultat af hvilket flowet kun går langs ydervæggen af huset. Når omdrejningstallet stiger, stiger bladet og åbner en passage rundt om pumpehjulet for at øge gennemløbet.

Kør

Blandt drevene er de mest almindelige pneumatiske muligheder, hvor mekanismen styres af et stempel, der bevæger luft inde i cylinderen.

Vingernes position styres af en membranaktuator, der er forbundet med en stang til vingekontrolringen, så halsen konstant kan ændre sig. Aktuatoren driver frempinden afhængigt af vakuumniveauet og modvirker fjederen. Vakuummodulation styrer en elektrisk ventil, der leverer en lineær strøm afhængigt af vakuumparametrene. Vakuum kan genereres af bremseforstærkervakuumpumpen. Strømmen leveres fra batteriet og modulerer ECU'en.

Den største ulempe ved sådanne drev skyldes, at det er vanskeligt at forudsige gassens tilstand efter kompression, især ved opvarmning. Derfor mere perfekter hydrauliske og elektriske drev.

Hydrauliske aktuatorer fungerer efter samme princip som pneumatiske aktuatorer, men i stedet for luft i cylinderen bruges en væske, som kan repræsenteres af motorolie. Derudover komprimerer det ikke, så dette system giver bedre kontrol.

Magnetventilen bruger olietryk og et ECU-signal til at flytte ringen. Det hydrauliske stempel bevæger tandstangen og tandhjulet, som roterer tandhjulet, hvilket resulterer i, at knivene er drejeligt forbundet. For at overføre ECU-bladets position bevæger en analog positionssensor sig langs drevets knast. Når olietrykket er lavt, åbner og lukker vingene, når olietrykket stiger.

Elektrisk drev er det mest nøjagtige, fordi spændingen kan give meget fin kontrol. Det kræver dog yderligere køling, som leveres af kølevæskerør (pneumatiske og hydrauliske versioner bruger væske til at fjerne varme).

Vælgermekanismen tjener til at drive geometriskifteren.

Nogle modeller af turbiner bruger et roterende elektrisk drev med en direkte stepmotor. I dette tilfælde styres knivenes position af en elektronisk feedbackventil gennem tandstangsmekanismen. Til feedback fra ECU'en bruges en knast med en magnetoresistiv sensor fastgjort til gearet.

Hvis det er nødvendigt at dreje knivene, sørger ECU'en forforsyning af strøm i et bestemt område for at flytte dem til en forudbestemt position, hvorefter den, efter at have modtaget et signal fra sensoren, deaktiverer tilbagekoblingsventilen.

Motorkontrolenhed

Af ovenstående følger, at princippet om drift af turbiner med variabel geometri er baseret på den optimale koordinering af en ekstra mekanisme i overensstemmelse med motorens driftstilstand. Derfor er dens præcise positionering og konstant overvågning påkrævet. Derfor styres turbiner med variabel geometri af motorstyringsenheder.

De bruger strategier til enten at maksimere produktiviteten eller forbedre miljøpræstationen. Der er flere principper for, hvordan BUD'en fungerer.

Den mest almindelige af disse involverer brugen af referenceoplysninger baseret på empiriske data og motormodeller. I dette tilfælde vælger feedforward-controlleren værdier fra en tabel og bruger feedback til at reducere fejl. Det er en alsidig teknologi, der giver mulighed for en række forskellige kontrolstrategier.

Dens største ulempe er begrænsningerne under transienter (skarp acceleration, gearskift). For at eliminere det, blev multi-parameter, PD- og PID-controllere brugt. Sidstnævnte anses for at være de mest lovende, men de er ikke nøjagtige nok i hele belastningsområdet. Dette blev løst ved at anvende fuzzy logic beslutningsalgoritmer ved hjælp af MAS.

Der er to teknologier til at give referenceoplysninger: den gennemsnitlige motormodel og kunstigneurale netværk. Sidstnævnte omfatter to strategier. En af dem involverer at opretholde boost på et givet niveau, den anden - at opretholde en undertryksforskel. I det andet tilfælde opnås den bedste miljøpræstation, men turbinen kører for højt.

Der er ikke mange producenter, der udvikler ECU'er til turboladere med variabel geometri. Langt de fleste af dem er repræsenteret af produkter fra bilproducenter. Der er dog nogle tredjeparts high-end ECU'er på markedet, som er designet til sådanne turboer.

Generelle bestemmelser

De vigtigste egenskaber ved turbiner er luftmassestrøm og strømningshastighed. Indløbsareal er en af de præstationsbegrænsende faktorer. Variable geometriindstillinger giver dig mulighed for at ændre dette område. Så det effektive område bestemmes af højden af passagen og vinklen på knivene. Den første indikator kan udskiftes i versioner med en glidering, den anden - i turbiner med roterende vinger.

Således giver turboladere med variabel geometri konstant det nødvendige boost. Som følge heraf har motorer udstyret med dem ikke den forsinkelse, der er forbundet med turbinens spin-up tid, som med konventionelle store turboladere, og kvæler ikke ved høje hastigheder, som med små.

Til sidst skal det bemærkes, at selvom turboladere med variabel geometri er designet til at fungere uden en bypass-ventil, har de vist sig at give ydelsesforbedringer primært i den lave ende og ved høje omdrejninger ved helt åbenvinger er ikke i stand til at klare en stor massestrøm. For at forhindre for stort modtryk anbefales det derfor stadig at bruge en wastegate.

Fordele og ulemper

Justering af turbinen til motorens driftstilstand giver en forbedring af alle indikatorer sammenlignet med optioner med fast geometri:

• bedre reaktionsevne og ydeevne i hele omdrejningsområdet;
• fladere mellemtonedrejningsmomentkurve;
• evne til at betjene motoren ved delvis belastning på en mere effektiv mager luft/brændstofblanding;
• bedre termisk effektivitet;
• forebyggelse af overdreven boost ved høje rpm;
• bedste miljøpræstation;
• mindre brændstofforbrug;
• udvidet turbinedriftsområde.

Den største ulempe ved turboladere med variabel geometri er deres betydeligt komplicerede design. På grund af tilstedeværelsen af yderligere bevægelige elementer og drev er de mindre pålidelige, og vedligeholdelse og reparation af turbiner af denne type er vanskeligere. Derudover er ændringer til benzinmotorer meget dyre (ca. 3 gange dyrere end konventionelle). Endelig er disse turbiner svære at kombinere med motorer, der ikke er designet til dem.

Det skal bemærkes, at med hensyn til topydelse er turbiner med variabel geometri ofte ringere end deres konventionelle modstykker. Dette skyldes tab i huset og omkring understøtningerne af de bevægelige elementer. Derudover falder den maksimale ydeevne kraftigt, når man bevæger sig væk fra den optimale position. Dog den almEffektiviteten af turboladere af dette design er højere end for varianter med fast geometri på grund af det større driftsområde.

Applikation og yderligere funktioner

Omfanget af turbiner med variabel geometri bestemmes af deres type. For eksempel er motorer med roterende knive installeret på motorer i biler og lette erhvervskøretøjer, og modifikationer med en glidering bruges hovedsageligt på lastbiler.

Generelt bruges turbiner med variabel geometri oftest på dieselmotorer. Dette skyldes den lave temperatur af deres udstødningsgasser.

På dieselmotorer til passagerer tjener disse turboladere primært til at kompensere for tabet af ydeevne fra udstødningsgasrecirkulationssystemet.

På lastbiler kan turbinerne i sig selv forbedre den miljømæssige ydeevne ved at kontrollere mængden af udstødningsgasser, der recirkuleres til motorens indtag. Med brugen af turboladere med variabel geometri er det således muligt at øge trykket i udstødningsmanifolden til en værdi større end i indsugningsmanifolden for at accelerere recirkulationen. Selvom for stort modtryk er skadeligt for brændstofeffektiviteten, hjælper det med at reducere nitrogenoxidemissioner.

Derudover kan mekanismen modificeres for at reducere effektiviteten af turbinen i en given position. Dette bruges til at øge temperaturen på udstødningsgasserne for at rense partikelfilteret ved at oxidere de fastsiddende kulstofpartikler ved opvarmning.

Datafunktioner kræver hydraulisk eller elektrisk drev.

De bemærkede fordele ved turbiner med variabel geometri i forhold til konventionelle gør dem til den bedste mulighed for sportsmotorer. De er dog yderst sjældne på benzinmotorer. Kun få sportsvogne udstyret med dem kendes (i øjeblikket Porsche 718, 911 Turbo og Suzuki Swift Sport). Ifølge en BorgWarner-chef skyldes dette de meget høje omkostninger ved at producere sådanne turbiner, på grund af behovet for at bruge specialiserede varmebestandige materialer til at interagere med højtemperaturudstødningsgasserne fra benzinmotorer (dieseludstødningsgasser har en meget lavere temperatur, så turbiner er billigere for dem).

De første VGT'er brugt på benzinmotorer var lavet af konventionelle materialer, så komplekse kølesystemer skulle bruges for at sikre en acceptabel levetid. Så på Honda Legend fra 1988 blev en sådan turbine kombineret med en vandkølet intercooler. Derudover har denne type motor et bredere udstødningsgasflowområde, hvilket kræver evnen til at håndtere et større masseflowområde.

Producenter opnår de påkrævede niveauer af ydeevne, lydhørhed, effektivitet og miljøvenlighed på den mest omkostningseffektive måde. Undtagelsen er enkeltstående tilfælde, hvor den endelige udgift ikke er en prioritet. I denne sammenhæng er det for eksempel at opnå en rekordpræstation på Koenigsegg One: 1 eller at tilpasse en Porsche 911 Turbo til en civiloperation.

Generelt er langt de fleste turboladede biler udstyret med konventionelle turboladere. Til højtydende sportsmotorer bruges der ofte twin-scroll muligheder. Selvom disse turboladere er ringere end VGT'er, tilbyder de de samme fordele i forhold til konventionelle turbiner, kun i mindre grad, og har alligevel næsten det samme enkle design som sidstnævnte. Hvad angår tuning, er brugen af turboladere med variabel geometri, ud over høje omkostninger, begrænset af kompleksiteten af deres tuning.

For benzinmotorer rangerede en undersøgelse af H. Ishihara, K. Adachi og S. Kono turbinen med variabel flow (VFT) som den mest optimale VGT. Takket være kun ét bevægeligt element reduceres produktionsomkostningerne og den termiske stabilitet øges. Derudover fungerer en sådan turbine i henhold til en simpel ECU-algoritme, svarende til faste geometriske muligheder udstyret med en bypass-ventil. Særligt gode resultater er opnået, når en sådan turbine kombineres med en iVTEC. Men for tvungen induktionssystemer observeres en stigning i udstødningsgastemperaturen med 50-100 °C, hvilket påvirker miljøpræstationen. Dette problem blev løst ved at bruge en vandkølet aluminiumsmanifold.

BorgWarners løsning til benzinmotorer var at kombinere twin scroll teknologi og variabel geometri design til en twin scroll variabel geometri turbine introduceret ved SEMA 2015. Hendessamme design som twin scroll turbine, denne turbolader har dobbelt indløb og dobbelt monolitisk turbinehjul og er kombineret med twin scroll manifold, sekvensering for at eliminere udstødningspulsering for tættere flow.

Forskellen er tilstedeværelsen af et spjæld i indløbsdelen, som afhængigt af belastningen fordeler flowet mellem løbehjulene. Ved lave hastigheder går alle udstødningsgasserne til en lille del af rotoren, og den store del er blokeret, hvilket giver endnu hurtigere spin-up end en konventionel twin-scroll turbine. Efterhånden som belastningen øges, flytter spjældet sig gradvist til midterpositionen og fordeler flowet jævnt ved høje hastigheder, som i et standard twin-scroll design. Det vil sige, hvad angår mekanismen til ændring af geometrien, er en sådan turbine tæt på en VFT.

Denne teknologi giver, ligesom teknologi med variabel geometri, en ændring i A/R-forholdet afhængigt af belastningen, og justerer turbinen til motorens driftstilstand, hvilket udvider driftsområdet. Samtidig er det overvejede design meget enklere og billigere, da der kun bruges et bevægeligt element her, der fungerer i henhold til en simpel algoritme, og varmebestandige materialer er ikke påkrævet. Sidstnævnte skyldes et fald i temperaturen på grund af varmetab på væggene i turbinens dobbelte hus. Det skal bemærkes, at lignende løsninger er stødt på før (for eksempel hurtig spoleventil), men af en eller anden grund har denne teknologi ikke vundet popularitet.

Vedligeholdelse ogreparation

Den vigtigste vedligeholdelsesoperation for turbiner er rengøring. Behovet for det skyldes deres interaktion med udstødningsgasser, repræsenteret af forbrændingsprodukter af brændstof og olier. Rengøring er dog sjældent nødvendig. Intens forurening indikerer en funktionsfejl, som kan være forårsaget af for højt tryk, slid på pakninger eller bøsninger på løbehjulene samt stempelrummet, tilstopning af udluftningen.

Turbiner med variabel geometri er mere følsomme over for tilsmudsning end konventionelle turbiner. Dette skyldes det faktum, at ophobningen af sod i ledeskovlen på geometriændringsanordningen fører til dens fastkilning eller tab af mobilitet. Som et resultat afbrydes turboladerens funktion.

I det enkleste tilfælde udføres rengøringen ved hjælp af en speciel væske, men der kræves ofte manuelt arbejde. Turbinen skal først skilles ad. Når du afmonterer geometriændringsmekanismen, skal du passe på ikke at skære monteringsboltene over. Efterfølgende boring af deres fragmenter kan føre til beskadigelse af hullerne. Derfor er det noget vanskeligt at rense turbinen med variabel geometri.

Derudover skal man huske på, at skødesløs håndtering af patronen kan beskadige eller deformere rotorbladene. Hvis den skilles ad efter rengøring, vil den kræve afbalancering, men indersiden af patronen renses norm alt ikke.

Oliesod på hjulene indikerer slid på stempelringene eller ventilgruppen, samt rotorpakningerne i patronen. Rengøring udeneliminering af disse motorfejl eller reparation af turbinen er upraktisk.

Efter udskiftning af patronen til turboladere af den pågældende type, er geometrijustering påkrævet. Til dette bruges vedvarende og ru justeringsskruer. Det skal bemærkes, at nogle modeller af den første generation ikke oprindeligt blev konfigureret af producenter, som et resultat af, at deres ydeevne i "bunden" er reduceret med 15-25%. Dette gælder især for Garrett-møller. Instruktioner kan findes online om, hvordan man justerer turbinen med variabel geometri.

CV

Turboladere med variabel geometri repræsenterer det højeste trin i udviklingen af serielle turbiner til forbrændingsmotorer. En ekstra mekanisme i indløbsdelen sikrer, at turbinen tilpasses motorens driftstilstand ved at justere konfigurationen. Dette forbedrer ydeevne, økonomi og miljøvenlighed. Designet af VGT er dog komplekst, og benzinmodellerne er meget dyre.