Турбіна зі змінюваною геометрією: принцип роботи, пристрій, ремонт

З розвитком турбін для ДВЗ виробники намагаються підвищити їх узгодженість з моторами і ефективність. Найбільш технічно досконалим серійним рішенням є зміна геометрії впускний частини. Далі розглянута конструкція турбін із змінною геометрією, принцип роботи, особливості обслуговування.

Загальні особливості

Розглянуті турбіни відрізняються від звичайних можливістю адаптації до режиму роботи двигуна шляхом зміни співвідношення A/R, що визначає пропускну здатність. Це геометрична характеристика корпусів, представлена приватним площі поперечного перерізу каналу і відстані між центром ваги даного перерізу і центральною віссю турбіни.

Актуальність турбокомпресорів із змінною геометрією обумовлена тим, що для високих і низьких оборотів оптимальні значення цього параметра істотно відрізняються. Так, при малій величиние A/R потік має велику швидкість, внаслідок чого турбіна швидко розкручується, однак гранична пропускна спроможність невелика. Великі значення даного параметра, навпаки, визначають більшу пропускну здатність і малу швидкість вихлопних газів.

Отже, при надмірно високому показнику A/R турбіна не зможе створити тиск на низьких оборотах, а при занадто низькому задушить мотор на верхах (через протитиску у випускному колекторі впаде продуктивність). Тому на турбокомпресорах з фіксованою геометрією підбирають середнє значення A/R, що дозволяє функціонувати у всьому діапазоні оборотів, в той час як принцип роботи турбін із змінною геометрією заснований на підтримці його оптимальної величини. Тому такі варіанти при низькому порозі наддуву і мінімальному лагу високоефективні на великих оборотах.

Крім основного назви (турбіни із змінною геометрією (VGT, VTG)) дані варіанти відомі як моделі із змінним соплом (VNT), із змінною крильчаткою (VVT), з турбінним соплом змінної площі (VATN).

Турбіна зі змінюваною геометрією була розроблена Garrett. Крім неї, випуском таких деталей займаються інші виробники, в тому числі MHI і BorgWarner. Основним виробником варіантів з ковзаючим кільцем є Cummins Turbo Technologies.

Незважаючи на застосування турбін із змінною геометрією переважно на дизельних двигунах, вони досить поширені і набирають популярність. Передбачається, що до 2020 р. такі моделі будуть займати більше 63 % світового ринку турбін. Розширення використання цієї технології і її розвиток зумовлений, насамперед, посиленням екологічних норм.

Конструкція

Пристрій із змінною геометрією турбіни від звичайних моделей відрізняється наявністю додаткового механізму у вхідній частині турбінного корпусу. Існує кілька варіантів його конструкції.

Найбільш поширеним типом є ковзне лопатеві кільце. Цей пристрій представлено кільцем з рядом жорстко закріплених лопаток, розташованих навколо ротора і рухаються відносно нерухомої пластини. Ковзаючий механізм служить для звуження/розширення проходу для потоку газів.

Зважаючи на те, що лопатеві кільце ковзає в осьовому напрямку, цей механізм досить компактний, а мінімальна кількість слабких місць забезпечує міцність. Даний варіант підходить для великих двигунів, тому застосовується в основному на вантажівках і автобусах. Він характеризується простотою, високою продуктивністю на "низах", надійністю.

Другий варіант також припускає наявність лопатевого кільця. Проте в даному випадку воно жорстко закріплено на плоскій пластині, а лопатки встановлені на штифтах, що забезпечують їх обертання в осьовому напрямку, по іншу її сторону. Таким чином, геометрія турбіни змінюється за допомогою лопатей. Цей варіант відрізняється кращою ефективністю.

Однак зважаючи на велику кількість рухомих елементів така конструкція менш надійна, особливо у високотемпературних умовах. Зазначені проблеми обумовлені тертям металевих деталей, які при нагріванні розширюються.

Ще один варіант - рухома стінка. Багато в чому він аналогічний технології ковзного кільця, проте в даному випадку нерухомі лопаті встановлені на статичній пластині, а не на ковзному кільці.

Турбокомпресор із змінною площею (VAT) передбачає наявність лопаток, що обертаються навколо точки установки. На відміну від схеми з поворотними лопатями вони встановлені не по колу кільця, а в ряд. Зважаючи на те, що такий варіант вимагає складної і дорогої механічної системи, що були розроблені спрощені версії.

Одна з них - турбокомпресор із змінною витратою (VFT) Aisin Seiki. Корпус турбіни розділений на два канали нерухомої лопатою і оснащений заслінкою, що розподіляє потік між ними. Ще кілька нерухомих лопаток встановлені навколо ротора. Вони забезпечують утримання та злиття потоку.

Другий варіант, званий схемою Switchblade, ближче до VAT, однак тут замість ряду лопаток використовується одна лопать, також обертається навколо точки установки. Існує два типи такої конструкції. Один з них передбачає встановлення лопаті в центральній частині корпусу. У другому випадку вона знаходиться посередині каналу і розділяє його на два відсіки, як лопатка VFT.

Для керування турбіною із змінною геометрією застосовуються приводи: електричні, гідравлічні, пневматичні. Контроль турбокомпресора здійснює блок управління двигуном (ЕБУ, БУД).

Слід зазначити, що для таких турбін не потрібно перепускний клапан, так як завдяки точному контролю можна уповільнити потік вихлопних газів недекомпрессионным способом і пропустити надлишки через турбіну.

Принцип функціонування

Принцип роботи турбін із змінною геометрією полягає в підтримці оптимального значення A/R і кута завихрення шляхом зміни площі поперечного перерізу впускний частини. Він заснований на тому, що швидкість потоку вихлопних газів пов'язана зворотною залежністю з шириною каналу. Тому на "низах" для швидкої розкрутки переріз вхідної частини зменшується. Із зростанням оборотів для збільшення потоку воно поступово розширюється.

Механізм зміни геометрії

Механізм здійснення даного процесу визначається конструкцією. У моделях з обертовими лопатями це досягається шляхом зміни їх положення: для забезпечення вузького перерізу лопатки розташовуються перпендикулярно радіальних лініях, а для розширення каналу вони переходять в ступеневу положення.

У турбін з ковзаючими кільцем і рухомою стінкою відбувається осьове переміщення кільця, що також змінює перетин каналу.

Принцип функціонування VFT заснований на поділі потоку. Прискорення його на низьких обертах здійснюється шляхом перекриття заслінкою зовнішнього відсіку каналу, внаслідок чого гази йдуть до ротору найкоротшим шляхом. При зростанні навантаження заслінка піднімається, пропускаючи потік через обидва відсіку для розширення пропускної здатності.

Для VAT і моделей Switchblade зміна геометрії здійснюється за допомогою повороту лопаті: на низьких оборотах вона піднімається, звужуючи прохід для прискорення потоку, а на високих прилягає до турбінного колеса, розширюючи пропускну здатність. Для турбін Switchblade другого типу характерний зворотний порядок роботи лопаті.

Так, на "низах" вона прилягає до ротору, внаслідок чого потік йде тільки уздовж зовнішньої стінки корпуса. Із зростанням оборотів лопатка піднімається, відкриваючи прохід навколо крильчатки для підвищення пропускної здатності.

Привід

Серед приводів найбільш поширені пневматичні варіанти, де управління механізмом здійснюється поршнем, що переміщуються всередині циліндра повітрям.

Положення лопатей регулюється мембранним приводом, пов'язаних штоком з лопатевим кільцем управління, тому горловина може постійно змінюватися. Актуатор призводить шток в залежності від рівня вакууму, протидіючи пружині. Модуляція вакууму контролює електричний клапан, що подає лінійний струм в залежності від параметрів вакууму. Вакуум може створюватися вакуумним насосом підсилювача гальм. Струм подається від акумулятора і модулює ЕБУ.

Основний недолік таких приводів обумовлений складно передбачуваним станом газу після стиснення, особливо при нагріванні. Тому більш досконалими є гідравлічні і електричні приводи.

Гідравлічні приводи функціонують за тим же принципом, що і пневматичні, але замість повітря в циліндрі використовується рідина, яка може бути представлена моторним маслом. До того ж вона не стискається, внаслідок чого така система забезпечує кращий контроль.

Для переміщення кільця електромагнітний клапан використовує тиск масла і сигнал ЕБУ. Гідравлічний поршень переміщує зубчасто-рейковий механізм, що обертає зубчасту шестерню, внаслідок чого лопаті шарнірно з'єднуються. Для передачі положення лопаті БУД по кулачку її приводу переміщається аналоговий датчик положення. При малому тиску масла лопаті відкриті і закриваються з його зростанням.

Електричний привід є найбільш точним, так як напруга може забезпечити дуже тонкий контроль. Однак він вимагає додаткового охолодження, що забезпечують трубками з охолоджуючою рідиною (у пневматичних і гідравлічних варіантах для видалення тепла використовується рідина).

Для приводу пристрою зміни геометрії служить селекторний механізм.

У деяких моделях турбін використовується обертовий електричний привід з прямим кроковим двигуном. В даному випадку положення лопатей регулюється електронним клапаном зворотного зв'язку через механізм рейкової передачі. Для зворотного зв'язку з БУД служить прикріплений до шестірні кулачок з магниторезистивным датчиком.

При необхідності повороту лопаток ЕБУ забезпечує подачу струму в певному діапазоні для переходу їх у задане положення, після чого, отримавши сигнал від датчика, знеструмлює клапан зворотного зв'язку.

Блок управління двигуном

З вищесказаного випливає, що принцип роботи турбін із змінною геометрією заснований на оптимальної координації додаткового механізму у відповідності з режимом роботи двигуна. Отже, потрібне точне його позиціонування і постійний контроль. Тому турбіни зі змінюваною геометрією контролюються блоками управління двигуном.

Вони використовують стратегії, спрямовані на максимальну продуктивність, або на поліпшення екологічних показників. Існує кілька принципів функціонування БУД.

Найбільш поширений з них передбачає використання довідкової інформації, заснованої на емпіричних даних і моделях двигуна. В даному випадку контролер прямого зв'язку вибирає значення з таблиці і використовує зворотний зв'язок для скорочення помилок. Це універсальна технологія, що дозволяє застосовувати різні стратегії управління.

Основний її недолік полягає в обмеженнях при перехідних процесах (різких прискореннях, перемиканнях передач). Для його усунення використовували багатопараметричні, PD - і PID-контролери. Останні вважають найбільш перспективними, проте вони недостатньо точні у всьому діапазоні навантажень. Це вирішили шляхом застосування нечіткої логіки алгоритмів прийняття рішень з використанням MAS.

Існує дві технології надання довідкової інформації: модель двигуна середніх значень та штучні нейронні мережі. Остання включає дві стратегії. Одна з них передбачає підтримання наддуву на заданому рівні, інша - підтримання від'ємної різниці тиску. У другому випадку досягаються кращі екологічні показники, але спостерігається перевищення швидкості турбіни.

Не багато виробників займаються розробкою БУД для турбокомпресорів із змінною геометрією. Переважна їх частина представлена продукцією автовиробників. Однак на ринку існують деякі сторонні висококласні ЕБУ, розраховані на такі турбіни.

Загальні положення

Основні характеристики турбін представлені масовою витратою повітря та швидкістю потоку. Площа впускний частини відноситься до обмежує продуктивність факторів. Варіанти із змінною геометрією дозволяють змінювати дану область. Так, ефективна площа визначається висотою проходу і кутом лопатей. Перший показник змінюємо у варіантах з ковзаючим кільцем, другий - у турбінах з поворотними лопатками.

Таким чином, турбокомпресори із змінною геометрією постійно забезпечують необхідний наддув. Завдяки цьому оснащені ними двигуни не мають лагів, обумовлених часом розкрутки турбіни, як з звичайними великими турбонагнітачами, і не задихаються на високих обертах, як із маленькими.

Нарешті, слід зазначити, що, незважаючи на те, що турбокомпресори із змінною геометрією розраховані на роботу без перепускного клапана, було встановлено, що вони забезпечують збільшення продуктивності, насамперед, на "низах", а на високих оборотах при повністю відкритих лопатках не в змозі впоратися з великою масовою витратою. Тому для запобігання надлишкового протитиску рекомендується використовувати вестгейт.

Переваги і недоліки

Підстроювання турбіни під режим роботи двигуна забезпечує поліпшення всіх показників у порівнянні з варіантами з фіксованою геометрією:

  • кращі чуйність і продуктивність у всьому діапазоні оборотів;
  • більш рівна крива крутного моменту на середніх обертах;
  • можливість функціонування двигуна при частковому навантаженні на більш ефективної збідненої паливо-повітряної суміші;
  • краща теплова ефективність;
  • запобігання надмірного наддуву на високих обертах;
  • кращі екологічні показники;
  • менший витрата палива;
  • розширений робочий діапазон турбіни.

Основним недоліком турбокомпресорів із змінною геометрією є значно ускладнена конструкція. Зважаючи на наявність додаткових рухомих елементів і приводів вони менш надійні, а обслуговування і ремонт турбін такого типу складніше. До того ж модифікації для бензинових моторів дуже дороги (приблизно в 3 рази дорожче звичайних). Нарешті, дані турбіни складно поєднати з не розрахованими на них двигунами.

Слід зазначити, що за пікової продуктивності турбіни зі змінюваною геометрією нерідко поступаються звичайним аналогам. Це пояснюється втратами в корпусі і навколо опор рухливих елементів. До того ж максимальна продуктивність різко падає при відході від оптимального положення. Проте загальна ефективність турбокомпресорів такої конструкції вище, ніж у варіантів з фіксованою геометрією, зважаючи більшого робочого діапазону.

Застосування і додаткові функції

Сфера застосування турбін із змінною геометрією визначається їх типом. Так, на двигуни легкових і легких комерційних автомобілів встановлюють варіанти з обертовими лопатями, а модифікації з ковзаючими кільцем застосовують в основному на вантажівках.

В цілому найчастіше із змінною геометрією турбіни використовують на дизельних двигунах. Це пояснюється невисокою температурою їх вихлопних газів.

На легкових дизелях такі турбонагнетатели служать, насамперед, для компенсації втрати продуктивності від системи рециркуляції відпрацьованих газів.

На вантажівках самі турбіни можуть покращувати екологічність шляхом контролю кількості вихлопних газів, рециркулируемых до впускного отвору двигуна. Так, з використанням турбокомпресорів із змінною геометрією можна підвищити тиск у випускному колекторі до величини, більшої, ніж у впускному, з метою прискорення рециркуляції. Незважаючи на те, що надмірне протитиск негативно позначається на ефективності використання палива, воно сприяє скороченню викидів оксиду азоту.

До того ж механізм можна модифікувати з метою скорочення ефективності турбіни в заданому положенні. Це використовується для підвищення температури вихлопних газів з метою продувки сажового фільтра шляхом окислення застрягли вуглецевих частинок в результаті нагрівання.

Дані функції вимагають наявності гідравлічного або електричного приводу.

Зазначені переваги турбін із змінною геометрією перед звичайними визначають їх як оптимальний варіант для спортивних моторів. Однак на бензинових двигунах вони зустрічаються вкрай рідко. Відомо всього кілька оснащених ними спорткарів (в даний час - Porsche 718, 911 Turbo і Suzuki Swift Sport). За словами одного з менеджерів BorgWarner, це пояснюється дуже високою вартістю виробництва таких турбін, зумовленої необхідністю застосування спеціалізованих термостійких матеріалів для взаємодії з високотемпературними вихлопними газами бензинових моторів (вихлопні гази дизелів мають набагато меншу температуру, тому турбіни для них дешевше).

Перші VGT, використовувані на бензинових двигунах, були зроблені зі звичайних матеріалів, тому для забезпечення прийнятного терміну експлуатації доводилося використовувати складні системи охолодження. Так, на Honda Legend 1988 р. таку турбіну поєднали з интеркуллером водяного охолодження. До того ж для двигунів цього типу більш широкий діапазон пропускної здатності вихлопних газів, отже, потрібна можливість обробки більшого діапазону масової витрати.

Виробники досягають необхідних показників продуктивності, чуйності, ефективності і екологічності найбільш дешевими методами. Виняток становлять поодинокі випадки, коли кінцева вартість не пріоритетна. В даному контексті це, наприклад, досягнення рекордних показників на Koenigsegg One: 1 або адаптація Porsche 911 Turbo до громадянської експлуатації.

У цілому переважна більшість турбованих автомобілів оснащують турбокомпресорами звичайної конструкції. Для високопродуктивних двигунів спортивних нерідко використовують твинскрольные варіанти. Хоча такі турбокомпресори поступаються VGT, вони володіють тими ж перевагами перед звичайними турбінами, тільки в меншій мірі, і при цьому мають майже таку ж просту конструкцію, як і останні. Що стосується тюнінгу, тут використання турбокомпресорів із змінною геометрією, крім високої вартості, обмежена складністю їх налаштування.

Для бензинових двигунів в дослідженні H. Ishihara, K. Adachi і S. Kono як найбільш оптимальної серед VGT була відзначена турбіна із змінною витратою (VFT). Завдяки тільки одному рухомого елементу скорочені витрати на виробництво і підвищена температурна стійкість. До того ж така турбіна діє за простим алгоритмом БУД, аналогічного варіантів з фіксованою геометрією, оснащеним перепускним клапаном. Особливо гарні результати були отримані при суміщенні такої турбіни з iVTEC. Однак для систем примусової індукції спостерігається підвищення температури вихлопних газів на 50-100 °C, що позначається на екологічних показниках. Дану проблему вирішили використанням алюмінієвого колектора з водяним охолодженням.

Рішенням BorgWarner для бензинових двигунів стало поєднання твинскрольной технології та конструкції із змінною геометрією в твинскрольной турбіну із змінною геометрією, представлена на SEMA 2015 р. Її конструкція аналогічна твинскрольной турбіні: даний турбокомпресор має подвійну вхідну частину і здвоєне монолітне турбінне колесо і суміщений з твинскрольным колектором, що враховує послідовність роботи циліндрів для усунення пульсації вихлопних газів з метою створення більш щільного потоку.

Відмінність полягає в наявності у вхідній частині заслінки, яка в залежності від навантаження розподіляє потік по крильчатка. На низьких обертах всі відпрацьовані гази йдуть на маленьку частину ротора, а велика перекрита, що забезпечує ще більш швидку розкрутку, ніж у звичайній твинскрольной турбіни. З ростом навантаження заслінка поступово переходить в середнє положення і рівномірно розподіляє потік на високих обертах, як у стандартній конструкції твинскрольной. Тобто по влаштуванню механізму зміни геометрії така турбіна близька до VFT.

Таким чином, дана технологія, як і технологія із змінною геометрією, забезпечує зміна співвідношення A/R в залежності від навантаження, підлаштовуючи під турбіну режим роботи двигуна, що розширює робочий діапазон. При цьому розглянута конструкція значно простіше і дешевше, так як тут використовується тільки один рухомий елемент, що працює за простим алгоритмом, і не потрібно застосування термостійких матеріалів. Останнє зумовлено зниженням температури за рахунок втрати тепла на стінках подвійного корпусу турбіни. Слід зазначити, що подібні рішення зустрічалися і раніше (наприклад, quick spool valve), однак ця технологія з якихось причин не знайшла поширення.

Обслуговування та ремонт

Основною операцією обслуговування турбін є чищення. Необхідність у ній обумовлена їх взаємодією з вихлопними газами, представленими продуктами горіння палива і масел. Однак чистка потрібно дуже рідко. Інтенсивне забруднення свідчить про порушення режиму функціонування, що може бути спричинене надмірним тиском, зносом прокладок або втулок крильчаток, а також поршневого відсіку, засміченням сапуна.

Турбіни зі змінюваною геометрією більш чутливі до забруднення, ніж звичайні. Це обумовлено тим, що накопичення нагару в спрямовуючий апараті пристрою зміни геометрії призводить до його подклиниванию або втрати рухливості. В результаті порушується функціонування турбокомпресора.

У найпростішому випадку чистку здійснюють шляхом використання спеціальної рідини, однак нерідко потрібні ручні роботи. Попередньо необхідно розібрати турбіну. При від'єднанні механізму зміни геометрії слід дотримуватися обережності, щоб уникнути обрізання кріпильних болтів. Подальше висвердлювання їх уламків може призвести до пошкодження отворів. Таким чином, чистка турбіни зі змінюваною геометрією дещо ускладнена.

До того ж потрібно враховувати, що при необережному поводженні з картриджем можна пошкодити або деформувати лопаті ротора. У разі його розбирання по завершенні чищення потрібно балансування, однак всередині картриджа чистку зазвичай не роблять.

Масляний нагар на колесах свідчить про знос поршневих кілець або клапанної групи, а також ущільнень ротора у картриджі. Чистка без усунення даних несправностей двигуна або ремонту турбіни недоцільна.

Після заміни картриджа для турбокомпресорів розглянутого типу потрібна настройка геометрії. Для цього служать наполеглива і шорсткий регулювальні гвинти. Слід зазначити, що деякі моделі першого покоління спочатку не налаштовані виробниками, внаслідок чого у них знижена продуктивність на "низах" на 15-25 %. Зокрема, це актуально для турбін Garrett. В Інтернеті можна знайти інструкції, як відрегулювати турбіну із змінною геометрією.

Резюме

Турбокомпресори із змінною геометрією представляють вищий щабель розвитку серійних турбін для ДВЗ. Додатковий механізм у впускний частини забезпечує адаптацію турбіни до режиму роботи двигуна шляхом регулювання конфігурації. Це покращує показники продуктивності, економічності та екологічності. Однак конутрукция VGT складна, а моделі для бензинових моторів дуже дороги.