Турбокомпресори майже повсюдно використовуються в дорожніх дизельних двигунах середнього та великого діаметру в Північній Америці, і вони також майже повністю поширені в двигунах малого діаметра. Визначення турбокомпресора - це відцентровий насос, що приводиться в дію вихлопними газами, який може «рекуперувати» частину відпрацьованого тепла з циліндрів двигуна. У конкретних застосуваннях гоночних двигунів швидкість обертання турбокомпресора може перевищувати 200 000 обертів на хвилину, але в дизельних двигунах його максимальна швидкість обертання зазвичай приблизно на 30% нижча. Основною функцією турбокомпресора є подача повітря під тиском у циліндри двигуна. Коротше кажучи, це збільшує щільність кисню у всмоктуваному повітрі. Крім того, турбіна-приводу в рух відпрацьованих газів також може приводити в дію редуктор, з’єднаний із колінчастим валом двигуна через гідромуфту. У цей момент турбокомпресор може допомогти в приводі колінчастого вала. Цей метод називається технологією турбокомпозиту, і зараз він використовується в останньому поколінні дизельних двигунів Детройта. Він буде представлений далі в цій главі. На малюнку 12-7 показаний вид справа двигуна Cummins ISX 2010, на якому позначено положення турбокомпресора.
Малюнок 12-7 Вид справа на двигун Cummins ISX (позначений положенням турбокомпресора)
Принцип роботи
Турбокомпресор — це повітряний насос, що приводиться в дію відпрацьованим газом і складається з турбіни та робочого колеса, встановлених на одному валу (див. Малюнок 12-8). Вал підвішений на підшипнику ковзання за допомогою мастила під тиском (гідродинамічна підвіска). Робоче колесо турбіни приводиться в рух енергією (теплом) вихлопних газів двигуна та обертається всередині корпусу турбіни, куди протікають вихлопні гази. Крильчатка розташована в окремому корпусі компресора і діє на повітря впускної системи, перекачуючи його в напірну сторону впускної системи. Відпрацьований газ, що приводить в дію турбіну, не контактує з всмоктуваним повітрям, що діє на робоче колесо. На малюнку 12-9 показані шляхи потоку газу та мастила в простому турбокомпресорі.
Рисунок 12-8 Крильчатка турбокомпресора (або колесо компресора)
Рисунок 12-9 Поперечний розріз турбокомпресора (включаючи канал для мастила та напрямок потоку газу)
Принцип роботи компресора
Відфільтроване всмоктуване повітря втягується в корпус компресора і приводиться в рух робочим колесом з боку компресора валу турбіни. Турбіна змушує робоче колесо обертатися з іншого боку валу турбіни, тому фактична швидкість обертання робочого колеса залежить від умов роботи всередині корпусу турбіни. Коли крильчатка обертається, повітря у впускній системі прискорюється до високої швидкості. Високо{3}}потік повітря надходить у дифузор радіально назовні. Дифузор — це дросельний пристрій, метою якого є перетворення кінетичної енергії (енергії руху) повітря, що надходить, у тиск під час проходження потоку повітря. Дифузор може бути спирального типу (у формі равлика) або лопатевого типу (див. Малюнок 12-9). ККД лопатевого дифузора вище.
Принцип роботи турбіни
Відпрацьовані гази направляються в корпус турбіни. Чим більше відпрацьоване тепло двигуна (яке зазвичай зростає зі збільшенням вихідної потужності двигуна), тим вище теплова енергія вихлопних газів. Вихлопні гази радіально надходять у корпус турбіни, а потім через спіраль (структура у формі равлика-з поперечним-перерізом, що поступово зменшується). Спіраль являє собою форму дроселювання. Але коли вихлопний газ витікає з спіралі, він розширюється і діє на лопаті турбіни, а потім надходить у вихлопну систему вздовж осьового напрямку.
Ступінь розширення газу в корпусі турбіни залежить від тепла вихлопних газів. За умов високої-потужності двигуна відпрацьоване тепло від двигуна збільшується, а ефект розширення вихлопних газів на лопатях турбіни збільшить швидкість турбіни. Слід підкреслити, що швидкість обертання турбокомпресора в основному залежить від тепла вихлопних газів, а не від їх тиску. Необхідно також розуміти значення спіралі: чим менший розмір спіралі, тим сильніший дроселювальний ефект на повітряний потік, але малий-розмір спіралі означає, що вихлопний газ розширюється повніше, коли витікає. Найкращим рішенням є можливість контролювати площу потоку волюта, про що далі буде розказано нижче. На рисунку 12-10 показана схема потоку газу в турбокомпресорі, яка ілюструє ключові функції спіралі та дифузора: Будь ласка, зверніть увагу на напрямки, в яких газ надходить у корпус турбіни та корпус компресора та виходить із них.
Шлях потоку повітря
Як показано на малюнку 12-10, повітряний потік надходить у корпус турбіни за радіальним входом і осьовим потоком. Повітря проходить через корпус крильчатки в аксіальному напрямку та виходить радіально. У найпростішій конструкції турбокомпресора впускний канал або горловина корпусу турбіни не сегментована, тобто випускні отвори всіх циліндрів ведуть до одного впускного каналу. Однак турбокомпресори зі змінною геометрією можуть регулювати потік повітря в корпус турбіни та з нього. Про це йтиметься далі в цьому розділі.
Рисунок 12-10 Принципова схема повітряного потоку турбокомпресора, що демонструє функції спіралі та дифузора.
Тип турбокомпресора
Перш за все, важливо розрізняти турбокомпресори з-фіксованою геометрією та турбокомпресори зі змінною-геометрією. Ця стаття визначає це так:
• Турбокомпресор-з фіксованою геометрією: усі вихлопні гази проходять через корпус турбіни незалежно від умов роботи двигуна.
• Турбокомпресор зі змінною геометрією: зовнішнім або внутрішнім керуванням регулюється площа потоку всередині корпусу турбіни або частина вихлопних газів обходить корпус турбіни.
Станом на 2001 рік турбокомпресори, які використовуються в більшості комерційних дизельних двигунів на шосе, все ще належали до типу фіксованої геометрії. Але ця ситуація змінилася. Зараз, коли ми бачимо турбокомпресор із фіксованою-геометрією на дизельному двигуні вантажівки, зазвичай він є членом серії турбонаддувів або частиною складеної системи турбонаддуву. В даний час майже всі турбокомпресори використовують певну технологію регулювання (контролю) потоку вихлопних газів через корпус турбіни, чи то через перепускний клапан вихлопного газу, чи то за допомогою внутрішньої змінної геометрії.
Турбокомпресор-з фіксованою геометрією
Давайте спочатку опишемо принцип роботи турбокомпресора-з фіксованою геометрією. Турбокомпресори з фіксованою-геометрією розроблено для досягнення оптимальної продуктивності за певних швидкостей і певних навантажень відпрацьованого тепла, що означає, що вони не дуже універсальні. Інженери повинні вибрати час роботи, коли ККД турбіни найвищий. Більшість дорожніх двигунів, які використовують турбокомпресори-з фіксованою геометрією, як правило, досягають найвищої ефективності своїх турбін при повному навантаженні та максимальних швидкостях обертання. Якщо робочий діапазон буде перевищено, продуктивність знизиться. Турбокомпресор із фіксованою-геометрією має просту структуру. На рисунку 12-9 показана його типова структура.
Встановлення максимальної ефективності турбіни на максимальній швидкості крутного моменту, а не на номінальній швидкості, дає змогу турбонагнітачу з фіксованою-геометрією мати-саморегульовані характеристики: коли швидкість двигуна збільшується, фактичний час, доступний для створення тиску та впорскування палива в циліндр, скорочується. Якщо турбокомпресор із фіксованою-геометрією працює поза вказаним діапазоном швидкостей, крива крутного моменту двигуна швидко впаде, через що двигун працюватиме на низьких швидкостях і високих навантаженнях. При навантаженні на високих швидкостях швидкість буде стрімко падати, а також погіршиться економія палива.
УВАГА:
Неналежне підібрання-геометрії турбокомпресорів може призвести до надмірно високого тиску в циліндрі, що спричинить поломку двигуна або, навпаки, призведе до недостатньої потужності, викидів чорного диму та збільшення шкідливих викидів.
Технічні поради:
Незважаючи на те, що дизельні двигуни вантажівок із турбокомпресорами з фіксованою-геометрією розроблені для досягнення найвищої ефективності використання газу при максимальному крутному моменті, більшість інших дизельних двигунів із використанням турбокомпресорів із фіксованою-геометрією (наприклад, не-важке обладнання або генераторні установки) зазвичай досягають цього за номінальної швидкості (максимальної потужності). У цих додатках турбокомпресори з фіксованою-геометрією залишаються звичайними й зазвичай оптимізовані для повної-потужності та високих-швидкісних умов роботи.
Турбокомпресор із змінною геометрією
Мета турбокомпресора зі змінною геометрією можна підсумувати так:
• Коли навантаження на двигун низьке, змусьте турбіну реагувати так само швидко, як маленький турбокомпресор.
• Коли навантаження на двигун високе, зробіть так, щоб турбіна забезпечувала достатній наддув, як великий турбокомпресор.
Сучасні турбокомпресори, керовані ECM, можуть досягти всіх вищезазначених цілей і точного регулювання всіх проміжних ступенів, таким чином забезпечуючи більш високі швидкості відгуку (зменшення турбогістерезису) і нижчі викиди. Деякі сучасні турбокомпресори також поєднують використання зовнішніх вихлопних перепускних клапанів і внутрішньої змінної геометрії для керування тиском наддуву в найширшому діапазоні швидкостей і навантажень.
• Тип управління перепускним клапаном вихлопних газів
Турбокомпресор типу перепускного клапана вихлопних газів використовується протягом багатьох років. Його принцип роботи такий: через «клапан» весь вихлопний газ протікає через корпус турбіни, або частина вихлопного газу потрапляє безпосередньо у вихлопну систему. В даний час існує в основному два методи контролю:
• Пневматичне керування: Робота перепускного клапана залежить від тиску у впускному колекторі. Зазвичай використовується резервуар приводу з пружиною. За замовчуванням закритий стан дозволяє вихлопним газам повністю проходити через турбіну. Коли тиск наддуву в колекторі досягає встановленого значення, тиск долає силу пружини, щоб штовхати робочий стрижень, відкриваючи клапан для обходу частини вихлопного газу.
• Електронне керування: Керується ECM двигуна. Наприклад, деякі двигуни використовують байпасні турбіни вихлопу з подвійними впускними отворами. ECM точно керує тиском, що діє на привод через електромагнітні клапани та тиск у колекторі, забезпечуючи багато-ступінчасте регулювання наддуву. Його принцип керування можна підсумувати як складений механізм керування "електронним - електричним керуванням - пневматичним".
• Турбіна зі змінною геометрією з об’ємним керуванням
Турбокомпресори зі змінною геометрією з об’ємним керуванням широко застосовуються в сучасних дизельних двигунах. У гоночних двигунах протягом багатьох років використовувалися сопла зі змінною апертурою, щоб контролювати площу потоку спіралі, а дизельні двигуни запозичили цю технологію. Перший регульований турбокомпресор, застосований до дизельних двигунів, з’явився на початку 1990-х років, але мало початковий успіх. Але в наш час переважна більшість виробників дизельних двигунів віддають перевагу використанню технології змінного обігу, а не традиційного турбокомпресора з перепускним клапаном вихлопу. Наприклад, типовим представником є турбіна зі змінною геометрією (VGT), встановлена на двигуні Paccar MX13, показаному на малюнку 12-11. Щоб проілюструвати принцип роботи турбіни зі змінною геометрією, ми візьмемо для ілюстрації типовий турбокомпресор з спіральним керуванням, показаний на малюнку 12-12.
Рисунок 12-11 Турбіна зі змінною геометрією (VGT), що використовується на двигуні Paccar MX13
Рисунок 12-12 Розріз турбіни зі змінною геометрією (VGT) з акцентом на її приводі
Турбокомпресор зі змінним соплом
На малюнку 12-12 показано поперечний переріз типового турбокомпресора зі змінними форсунками. Зверніться до Малюнку 12-13, щоб визначити ключові компоненти, такі як турбіна, шестерня, лопатка сопла та синхронне кільце.
Рисунок 12-13 Принцип роботи компонентів турбокомпресорів VN.
Турбокомпресор зі змінним соплом створює необхідний тиск наддуву, регулюючи кут нахилу лопатей, щоб змінити площу об’ємного потоку. Цей процес досягається за рахунок тиску масла, що діє на поршень, який зчеплюється з CAM-редуктором і колінчастим валом, таким чином приводячи в обертання синхронне кільце. Синхронне кільце підтримує всі вузли лопатей. Кожна лопатка оснащена гвинтовою канавкою. Коли положення обертання синхронного кільця змінюється, лезо обертається зі своїм штифтовим валом як точкою опори, таким чином досягаючи синхронного регулювання кута нахилу леза. За допомогою цього механізму можна збільшити або зменшити площу потоку спіралі (сторона всмоктування), що безпосередньо впливає на ефективність газу всередині корпусу турбіни. Коротше кажучи, площа потоку спіралі визначає швидкість турбіни і, зрештою, тиск наддуву, створюваний компресором турбіни.
Регулювання форсунок
Турбокомпресор зі змінними форсунками регулюється клапаном регулювання форсунок. Цей регулюючий клапан є пропорційним приводом, керованим модулем керування двигуном, здатним перетворювати вхідний струмовий сигнал у певне положення поршневого кільця. Коли лопаті знаходяться близько до закритого положення (лопаті ніколи не будуть закриті повністю), турбокомпресор створює максимальний тиск наддуву. Управління стисненим повітрям повністю залежить від положення лопатей, оскільки кут лопатей безпосередньо визначає те, як вихлопний газ діє на турбіну. На малюнку 12-14 показано, як тиск масла змушує поршневе кільце приводити в дію CAM і кривошипно-шатунний механізм, змушуючи синхронне кільце обертатися за годинниковою стрілкою, тим самим розширюючи лопаті та знижуючи газовий ККД турбіни.
Рисунок 12-14 Турбокомпресор VN: Збільште отвір лопатей, щоб зменшити ефективність турбіни.
Коли тиск масла штовхає поршень до руху вліво (Малюнок 12-15), синхронне кільце обертається проти годинникової стрілки, регулюючи лопаті під кутом, близьким до закритого положення, підвищуючи ККД турбіни для забезпечення максимального прискорення. Цей процес дій показано на малюнку 12-16.
Малюнок 12-15 Турбокомпресор VN: Зменште отвір лопатей, щоб досягти максимального наддуву.
Рисунок 12-16 Роль синхронного кільця в управлінні відкриттям лопаті.
Швидкість обертання турбокомпресора з регульованою форсункою подається назад на модуль керування двигуном через датчик осьової швидкості, заснований на принципі індукційного генератора імпульсів. Його тригерний сигнал береться з плоскої структури в певному місці на валу турбіни.
3. Спіральна турбіна з точковим кільцем
Інша змінна структура спиралі, прийнята в турбокомпресорах Cummins Honicell: площа потоку регулюється переміщенням контактного кільця через привід VG. Його мета така ж, як і у турбіни Caterpillar VN, але спосіб її досягнення дещо інший. На малюнку 12-17 показано типовий модуль приводу VG, який використовується на двигунах після 2010 року.
Рисунок 12-17: Модуль приводу VG, який використовувався на типовому двигуні через 10 років.