Turbina s promjenjivom geometrijom: princip rada, uređaj, popravak

Razvojem turbina za motore s unutarnjim izgaranjem proizvođači pokušavaju povećati njihovu dosljednost s motorima i učinkovitost. Tehnički najnaprednije serijsko rješenje je promjena geometrije ulaznog dijela. Slijedi dizajn turbina s promjenjivom geometrijom, princip rada, značajke održavanja.

Opće značajke

Turbine o kojima je riječ razlikuju se od uobičajenih po tome što se mogu prilagoditi načinu rada motora promjenom omjera A/A koji određuje kapacitet. Ovo je geometrijska karakteristika kućišta, predstavljena kvocijentom površine poprečnog presjeka kanala i udaljenosti između težišta određenog presjeka i središnje osi turbine.

Relevantnost turbopunjača s promjenjivom geometrijom posljedica je činjenice da se za velike i male brzine optimalne vrijednosti ovog parametra značajno razlikuju. Dakle, s malom veličinom Ina / Ina, protok ima veliku brzinu, zbog čega se turbina brzo okreće, ali je granični kapacitet mali. Velike vrijednosti ovog parametra, naprotiv, određuju veliku propusnost i malu brzinu ispušnih plinova.

Slijedom toga, s pretjerano visokim pokazateljem i/o turbina neće moći stvoriti pritisak pri malim okretajima, a ako je preniska, zadavit će motor na vrhu (zbog povratnog tlaka u ispušnom razvodniku, performanse će pasti). Stoga se na turbopunjačima s fiksnom geometrijom odabire Prosječna vrijednost IPA/IPA koja vam omogućuje funkcioniranje u cijelom rasponu okretaja, dok se princip rada turbina s promjenjivom geometrijom temelji na održavanju njegove optimalne vrijednosti. Stoga su takve opcije s niskim pragom pojačanja i minimalnim zaostajanjem vrlo učinkovite pri velikim brzinama.

Osim osnovnog naziva (turbine s promjenjivom geometrijom (UNAP, UNAP)), ove su varijante poznate kao modeli s promjenjivom mlaznicom (unap), s promjenjivim rotorom (unap), s mlaznicom turbine s promjenjivom površinom (unap).

Turbinu s promjenjivom geometrijom dizajnirao je Carpentians. Osim toga, i drugi proizvođači, uključujući Ace i ACE, bave se izdavanjem takvih detalja. Glavni proizvođač opcija s kliznim prstenom je.

Unatoč upotrebi turbina s promjenjivom geometrijom uglavnom na dizelskim motorima, one su vrlo česte i stječu popularnost. Pretpostavlja se da će 2020. takvi će modeli zauzeti više od 63 % svjetskog tržišta turbina. Širenje uporabe ove tehnologije i njezin razvoj prvenstveno je posljedica pooštravanja ekoloških propisa.

Dizajn

Uređaj turbine s promjenjivom geometrijom razlikuje se od konvencionalnih modela po prisutnosti dodatnog mehanizma u ulaznom dijelu kućišta turbine. Postoji nekoliko mogućnosti za njegov dizajn.

Najčešći tip je klizni prsten. Ovaj je uređaj predstavljen prstenom s nizom čvrsto učvršćenih lopatica smještenih oko rotora i koji se kreću u odnosu na fiksnu ploču. Klizni mehanizam služi za sužavanje / širenje prolaza za protok plinova.

Zbog činjenice da prsten lopatice klizi u aksijalnom smjeru, ovaj je mehanizam vrlo kompaktan, a minimalni broj slabih točaka osigurava čvrstoću. Ova je opcija prikladna za velike motore, stoga se uglavnom koristi na kamionima i autobusima. Karakterizira ga jednostavnost, visoke performanse na "nizah", pouzdanost.

Druga opcija također pretpostavlja prisutnost režnjastog prstena. Međutim, u ovom je slučaju čvrsto pričvršćen na ravnu ploču, a lopatice su postavljene na igle koje osiguravaju njihovu rotaciju u aksijalnom smjeru, s druge strane. Na taj se način geometrija turbine mijenja pomoću lopatica. Ova se opcija odlikuje boljom učinkovitošću.

Međutim, zbog velikog broja pokretnih elemenata, ovaj je dizajn manje pouzdan, posebno u uvjetima visoke temperature. Uočeni problemi uzrokovani su trenjem metalnih dijelova koji se tijekom zagrijavanja šire.

Druga mogućnost je pokretni zid. U mnogočemu je slična tehnologiji kliznog prstena, međutim, u ovom su slučaju fiksne oštrice postavljene na statičku ploču, a ne na klizni prsten.

Turbopunjač s promjenjivom površinom (IAS) pretpostavlja lopatice koje se okreću oko točke ugradnje. Za razliku od sheme s rotacijskim lopaticama, one nisu postavljene oko opsega prstena, već u nizu. Zbog činjenice da ova opcija zahtijeva složen i skup mehanički sustav, razvijene su pojednostavljene verzije.

Jedan od njih je turbopunjač s promjenjivim protokom (asa) . Tijelo turbine podijeljeno je u dva kanala fiksnom oštricom i opremljeno je zaklopkom koja distribuira protok između njih. Još nekoliko fiksnih lopatica ugrađeno je oko rotora. Oni osiguravaju zadržavanje i spajanje protoka.

Druga opcija, koja se naziva shematski prikaz, bliža je onome u vezi s prikazom, Međutim, ovdje se umjesto niza lopatica koristi jedna oštrica, koja također kruži oko točke postavljanja. Postoje dvije vrste takvog dizajna. Jedan od njih uključuje ugradnju oštrice u središnji dio tijela. U drugom slučaju, nalazi se usred kanala i dijeli ga u dva odjeljka, poput vesla za ramena.

Za upravljanje turbinom s promjenjivom geometrijom koriste se pogoni: električni, hidraulički, pneumatski. Turbopunjač kontrolira upravljačka jedinica motora (ECU, Bud).

Treba napomenuti da takve turbine ne zahtijevaju premosni ventil, jer je zahvaljujući preciznoj kontroli moguće usporiti protok ispušnih plinova na način bez dekompresije i propustiti višak kroz turbinu.

Načelo funkcioniranja

Princip rada turbina s promjenjivom geometrijom je održavanje optimalne vrijednosti i/o i kuta vrtloga promjenom površine presjeka ulaznog dijela. Temelji se na činjenici da je brzina protoka ispušnih plinova povezana obrnutim odnosom sa širinom kanala. Stoga na "nizah" za brzo odmotavanje smanjuje se presjek ulaznog dijela. S povećanjem broja okretaja radi povećanja protoka, postupno se širi.

Mehanizam promjene geometrije

Mehanizam provedbe ovog postupka određen je dizajnom. U modelima s rotirajućim lopaticama to se postiže promjenom njihovog položaja: kako bi se osigurao uski presjek, lopatice su postavljene okomito na radijalne linije, a kako bi proširile kanal, prelaze u stepenasti položaj.

U turbinama s kliznim prstenom i Pomičnim zidom dolazi do aksijalnog pomicanja prstena, što također mijenja presjek kanala.

Princip funkcioniranja interneta temelji se na odvajanju protoka. Njegovo ubrzanje pri malim brzinama vrši se preklapanjem vanjskog odjeljka kanala zaklopkom, zbog čega plinovi idu najkraćim putem do rotora. Kako se opterećenje povećava, zaklopka se podiže, dopuštajući protok kroz oba odjeljka kako bi se proširio kapacitet.

Za modele i modele, geometrija se mijenja okretanjem oštrice: pri niskim okretajima ona se podiže, sužavajući prolaz kako bi ubrzala protok, a pri visokim brzinama uz turbinski kotač, proširujući kapacitet. Za turbine drugog tipa, suprotno je karakteristično postupak rada oštrice.

Dakle, na "nizah" prianja uz rotor, zbog čega protok teče samo duž vanjske stijenke kućišta. Kako se broj okretaja povećava, lopatica se podiže, otvarajući prolaz oko rotora kako bi se povećao kapacitet.

Pogon

Među pogonima najčešće su pneumatske varijante, gdje se mehanizmom upravlja klipom koji se zrakom pomiče unutar cilindra.

Položaj lopatica kontrolira se membranskim aktuatorom povezanim šipkom s upravljačkim prstenom lopatice, tako da se vrat može stalno mijenjati. Aktuator pokreće šipku ovisno o razini vakuuma, suprotstavljajući se opruzi. Modulacija vakuuma kontrolira električni ventil koji isporučuje linearnu struju ovisno o parametrima vakuuma. Vakuum se može stvoriti vakuumskom pumpom pojačivača kočnice. Struja se napaja iz baterije i modulira ECU.

Glavni nedostatak takvih pogona posljedica je teško predvidljivog stanja plina nakon kompresije, posebno pri zagrijavanju. Stoga su hidraulički i električni pogoni napredniji.

Hidraulički aktuatori funkcioniraju na istom principu kao i pneumatski, ali umjesto zraka u cilindru se koristi tekućina koja se može predstaviti motornim uljem. Osim toga, ne komprimira se, zbog čega takav sustav pruža bolju kontrolu.

Za pomicanje prstena elektromagnetski ventil koristi tlak ulja i ECU signal. Hidraulički klip pomiče mehanizam zupčanika i zupčanika koji okreće zupčanik, zbog čega su lopatice zglobno spojene. Da bi se prenio položaj lopatice, Analogni senzor položaja pomiče se duž brega njegovog pogona. Pri niskom tlaku ulja lopatice se otvaraju i zatvaraju s povećanjem.

Električni pogon je najtočniji jer napon može pružiti vrlo finu kontrolu. Međutim, potrebno je dodatno hlađenje koje pružaju cijevi rashladne tekućine (u pneumatskim i hidrauličkim varijantama za uklanjanje toplina koristi tekućinu).

Za pogon uređaja za promjenu geometrije koristi se mehanizam za odabir.

Neki modeli turbina koriste rotirajući električni pogon s izravnim koračnim motorom. U tom se slučaju položaj lopatica regulira elektroničkim povratnim ventilom kroz mehanizam zupčanika i zupčanika. Za povratne informacije s Bud-om koristi se Brijeg pričvršćen na zupčanik s magnetorezistentnim senzorom.

Ako je potrebno okrenuti lopatice, ECU osigurava opskrbu strujom u određenom rasponu kako bi ih prebacio u zadani položaj, nakon čega, primivši signal od senzora, isključuje povratni ventil.

Upravljačka jedinica motora

Iz navedenog proizlazi da se princip rada turbina s promjenjivom geometrijom temelji na optimalnoj koordinaciji dodatnog mehanizma u skladu s načinom rada motora. Stoga je potrebno njegovo precizno pozicioniranje i stalna kontrola. Stoga turbine promjenjive geometrije kontroliraju upravljačke jedinice motora.

Koriste strategije usmjerene na maksimalne performanse, ili za poboljšanje ekoloških performansi. Postoji nekoliko načela funkcioniranja Budim.

Najčešći uključuje upotrebu pozadinskih informacija temeljenih na empirijskim dokazima i modelima motora. U ovom slučaju kontroler naprijed odabire vrijednosti iz tablice i koristi povratne informacije za smanjenje pogrešaka. To je svestrana tehnologija koja omogućuje primjenu različitih strategija upravljanja.

Njegov glavni nedostatak su ograničenja tijekom prijelaznih procesa (oštra ubrzanja, promjene stupnja prijenosa). Da bi se to eliminiralo, korišteni su višeparametarski, IPP i IP kontroleri. Potonji se smatraju najperspektivnijim, ali nisu dovoljno precizni u cijelom rasponu opterećenja. To je riješeno primjenom nejasna logika algoritama donošenje odluka korištenje oceana.

Postoje dvije tehnologije za pružanje pozadinskih informacija: model motora srednje vrijednosti i umjetne neuronske mreže. Potonja uključuje dvije strategije. Jedan od njih uključuje održavanje pojačanja na određenoj razini, drugi-održavanje negativne razlike tlaka. U drugom slučaju postižu se bolji ekološki pokazatelji, ali dolazi do prekoračenja brzine turbine.

Malo se proizvođača bavi razvojem Bud-a za turbopunjače s promjenjivom geometrijom. Veliku većinu predstavljaju proizvodi proizvođača automobila. Međutim, na tržištu postoje neka vrhunska računala trećih strana dizajnirana za takve turbine.

Opće odredbe

Glavne karakteristike turbina predstavljene su masenim protokom zraka i brzinom protoka. Područje usisnog dijela odnosi se na čimbenike koji ograničavaju performanse. Opcije s promjenjivom geometrijom omogućuju vam promjenu određenog područja. Dakle, efektivno područje određuje se visinom prolaza i kutom lopatica. Prvi pokazatelj mijenjamo u varijantama s kliznim prstenom, drugi-u turbinama s rotacijskim lopaticama.

Dakle, turbopunjači promjenjive geometrije kontinuirano pružaju potrebno pojačanje. Zahvaljujući tome, motori opremljeni njima nemaju zaostajanja zbog vremena okretanja turbine, kao kod konvencionalnih velikih turbopunjača, i ne guše se pri velikim brzinama, kao kod malih.

Na kraju, valja napomenuti da je, unatoč činjenici da su turbopunjači promjenjive geometrije dizajnirani za rad bez premosnog ventila, utvrđeno da oni pružaju povećanje performansi prije svega na "nizah", a pri velikim brzinama s potpuno otvorenim lopaticama ne mogu se nositi s velikim protokom mase. Stoga, kako bi se spriječio višak protutlaka preporučuje se upotreba vizigate.

Prednosti i nedostaci

Prilagođavanje turbine načinu rada motora poboljšava sve pokazatelje u usporedbi s opcijama s fiksnom geometrijom:

• najbolji odziv i performanse u cijelom rasponu okretaja;
• ravnomjernija krivulja okretnog momenta pri srednjim okretajima;
• mogućnost rada motora pod djelomičnim opterećenjem na učinkovitijoj mješavini goriva i zraka;
• bolja toplinska učinkovitost;
• sprječavanje prekomjernog pojačanja pri visokim okretajima;
• bolji ekološki pokazatelji;
• manja potrošnja goriva;
• prošireni radni raspon turbine.

Glavni nedostatak turbopunjača s promjenjivom geometrijom je znatno kompliciran dizajn. Zbog prisutnosti dodatnih pokretnih elemenata i pogona, oni su manje pouzdani, a održavanje i popravak ove vrste turbina je složeniji. Osim toga, modifikacije benzinskih motora vrlo su skupe (oko 3 puta skuplje od običnih). Konačno, ove turbine je teško kombinirati s motorima koji nisu dizajnirani za njih.

Treba napomenuti da su turbine s promjenjivom geometrijom po vršnim performansama često inferiorne u odnosu na konvencionalne analoge. To je zbog gubitaka u kućištu i oko nosača pokretnih elemenata. Osim toga, maksimalna produktivnost naglo pada kada se odmaknete od optimalnog položaja. Međutim, ukupna učinkovitost turbopunjača ovog dizajna veća je od učinkovitosti inačica s fiksnom geometrijom zbog većeg radnog raspona.

Primjena i dodatne značajke

Opseg turbina s promjenjivom geometrijom određen je njihovom vrstom. Dakle, opcije s rotirajućim lopaticama ugrađene su na motore automobila i lakih gospodarskih vozila, a modifikacije s kliznim prstenom koriste se uglavnom na kamionima.

Općenito, turbine s promjenjivom geometrijom najčešće se koriste na dizelskim motorima. To je zbog niske temperature njihovih ispušnih plinova.

Na putničkim dizelskim motorima takvi turbopunjači prvenstveno služe za nadoknađivanje gubitka performansi iz sustava recirkulacije ispušnih plinova.

Na kamionima same turbine mogu poboljšati ekološku prihvatljivost kontroliranjem količine ispušnih plinova koji se recirkuliraju na usis motora. Dakle, pomoću turbopunjača s promjenjivom geometrijom moguće je povećati tlak u ispušnom razvodniku na vrijednost veću nego u usisnom kako bi se ubrzala recirkulacija. Iako prekomjerni protutlak negativno utječe na učinkovitost goriva, doprinosi smanjenju emisija dušikovog oksida.

Osim toga, mehanizam se može modificirati kako bi se smanjila učinkovitost turbine u određenom položaju. To se koristi za povećanje temperature ispušnih plinova kako bi se pročistio filter čestica oksidacijom zarobljenih čestica ugljika zagrijavanjem.

Ove funkcije zahtijevaju hidraulički ili električni pogon.

Uočene prednosti turbina s promjenjivom geometrijom u odnosu na konvencionalne definiraju ih kao najbolju opciju za sportske motore. Međutim, izuzetno su rijetki na benzinskim motorima. Poznato je samo nekoliko sportskih automobila opremljenih njima (trenutno-asa 718, 911 asa i asa). Prema riječima jednog od menadžera, to je zbog vrlo visokih troškova proizvodnje takvih turbina, zbog potrebe za korištenjem specijaliziranih otpornih na toplinu materijali za interakcije s visokotemperaturnim ispušnim plinovima benzinskih motora (ispušni plinovi dizela imaju mnogo nižu temperaturu, pa su turbine za njih jeftinije).

Prvi IAS korišteni na benzinskim motorima bili su izrađeni od konvencionalnih materijala, pa su se morali koristiti sofisticirani rashladni sustavi kako bi se osigurao prihvatljiv vijek trajanja. Dakle, na 1988. takva turbina kombinirana je s međuhladnjakom za hlađenje vodom. Osim toga, za motore ovog tipa raspon propusnosti ispušnih plinova je opsežniji, stoga je potrebna mogućnost obrade većeg raspona masenog protoka.

Proizvođači postižu potrebne pokazatelje performansi, odzivnosti, učinkovitosti i ekološke prihvatljivosti najjeftinijim metodama. Iznimka su izolirani slučajevi kada konačni trošak nije prioritet. U ovom kontekstu, to je, na primjer, postizanje rekordnih rezultata na Asa: 1 ili prilagođavanje asa 911 asa civilnoj eksploataciji.

Općenito, velika većina automobila s turbopunjačem opremljena je konvencionalnim turbopunjačima. Za sportske motore visokih performansi često se koriste dvokrilne varijante. Iako su takvi turbopunjači inferiorni u odnosu na iPhone, oni nude iste prednosti u odnosu na konvencionalne turbine, samo u manjoj mjeri, i još uvijek imaju gotovo isti jednostavan dizajn kao i potonji. Što se tiče podešavanja, ovdje je upotreba turbopunjača s promjenjivom geometrijom, osim visokih troškova, ograničena složenošću njihovog podešavanja.

Za benzinske motore u studiji o NASA-i. Ishihara, K. Adachi i S. Kao najoptimalnija među astronomima, istaknuta je turbina s promjenjivim protokom (ipaid). Sa samo jednim pokretnim elementom smanjeni su troškovi proizvodnje i povećana temperaturna stabilnost. Osim toga, takva turbina djeluje prema jednostavnom Budd algoritmu, sličnom verzijama s fiksnom geometrijom, opremljenom premosnim ventilom. Posebno dobri rezultati postignuti su kombiniranjem takve turbine s oceanom. Međutim, za sustave prisilne indukcije dolazi do povećanja temperature ispušnih plinova za 50-100 AAS-a, što utječe na ekološke performanse. Taj je problem riješen upotrebom vodeno hlađenog aluminijskog kolektora.

Rješenje za benzinske motore bilo je kombiniranje tehnologije dvostrukog skrininga i dizajna promjenjive geometrije u turbini s promjenjivom geometrijom predstavljenoj na 2015. godine. Njegov je dizajn sličan turbini s dvostrukim klizanjem: ovaj turbopunjač ima dvostruki ulazni dio i dvostruki monolitni turbinski kotač i kombinira se s dvostrukim kliznim razvodnikom, uzimajući u obzir redoslijed rada cilindara kako bi se uklonilo Mreškanje ispušnih plinova kako bi se stvorio gušći protok.

Razlika je u prisutnosti zaklopke u ulaznom dijelu, koja, ovisno o opterećenju, raspoređuje protok duž rotora. Pri malim brzinama sav ispušni plin ide na mali dio rotora, a veliki je blokiran, što omogućuje još brže okretanje od uobičajenog turbine s dvostrukim klizanjem. Kako se opterećenje povećava, zaklopka postupno prelazi u srednji položaj i ravnomjerno raspoređuje protok pri velikim brzinama, kao u standardnom dizajnu s dvostrukim klizanjem. Odnosno, prema uređaju mehanizma za promjenu geometrije, takva je turbina bliska onome što je poznato kao CLIPPANT.

Dakle, ova tehnologija, poput tehnologije promjenjive geometrije, omogućuje promjenu omjera una/u ovisno o opterećenju, prilagođavajući turbinu načinu rada motora, što proširuje radni raspon. Istodobno, razmatrani dizajn je mnogo jednostavniji i jeftiniji, jer se ovdje koristi samo jedan pokretni element koji radi prema jednostavnom algoritmu, a nije potrebna uporaba materijala otpornih na toplinu. Potonje je posljedica smanjenja temperature zbog gubitka topline na zidovima dvostrukog kućišta turbine. Treba napomenuti da su se slična rješenja susretala i ranije (na primjer, na primjer, na internetu), ali ova tehnologija iz nekog razloga nije pronašla distribuciju.

Održavanje i popravak

Glavna operacija održavanja turbina je čišćenje. Potreba za njom je zbog njihove interakcije s ispušnim plinovima, predstavljenim proizvodima gorenje goriva i ulja. Međutim, čišćenje je vrlo rijetko potrebno. Intenzivno zagađenje ukazuje na kršenje načina rada, što može biti uzrokovano prekomjernim pritiskom, trošenjem brtvi ili čahura rotora, kao i klipnim odjeljkom, začepljenim odzračnikom.

Turbine s promjenjivom geometrijom osjetljivije su na onečišćenje od konvencionalnih. To je zbog činjenice da nakupljanje naslaga ugljika u vodilici uređaja za promjenu geometrije dovodi do njegovog klinanja ili gubitka pokretljivosti. Kao rezultat toga, rad turbopunjača je poremećen.

U najjednostavnijem slučaju čišćenje se provodi pomoću posebne tekućine, ali često su potrebni ručni radovi. Prvo morate rastaviti turbinu. Prilikom odvajanja mehanizma za promjenu geometrije treba biti oprezan kako bi se izbjeglo rezanje pričvrsnih vijaka. Naknadno bušenje njihovih krhotina može oštetiti rupe. Stoga je čišćenje turbine promjenjive geometrije donekle komplicirano.

Osim toga, mora se imati na umu da ako nepažljivo rukujete uloškom, možete oštetiti ili deformirati lopatice rotora. Ako se rastavi po završetku čišćenja, bit će potrebno balansiranje, ali čišćenje se obično ne vrši unutar uloška.

Naslage ugljika na kotačima ukazuju na trošenje klipnih prstenova ili skupine ventila, kao i na brtve rotora u ulošku. Čišćenje bez otklanjanja ovih kvarova motora ili popravka turbine je nepraktično.

Nakon zamjene uloška za dotični Tip turbopunjača potrebno je podešavanje geometrije. Za to se koriste potisni i grubi vijci za podešavanje. Treba napomenuti da neki modeli prve generacije u početku nisu konfigurirani od strane proizvođača, zbog čega imaju smanjene performanse na "nizah" na 15-25 %. Konkretno, to je relevantno za turbine u svemiru. Na internetu možete pronaći upute za podešavanje turbine s promjenjivom geometrijom.

Sažetak

Turbopunjači s promjenjivom geometrijom predstavljaju najviši stupanj razvoja serijskih turbina za motore s unutarnjim izgaranjem. Dodatni mehanizam u usisnom dijelu omogućuje prilagodbu turbine načinu rada motora podešavanjem konfiguracije. Poboljšava performanse, ekonomičnost i održivost. Međutim, oportunizam je kompliciran, a modeli za benzinske motore vrlo su skupi.