Принцип работы турбины с изменяемой геометрией: устройство и принцип работы.

Содержание

устройство и принцип работы. — Турбобаланс

Обычная турбина представляет собой 2 крыльчатки, соединенные осью. Располагаются крыльчатки в разных камерах. Одну крыльчатку вращают выхлопные газы, а вторая вращается за счет первой, тем самым подводя новый воздух в систему.

Общее устройство турбины с изменяемой геометрией ( турбокомпрессора )крыльчатки и принцип нагнетания дополнительного воздуха не отличается от обычных турбокомпрессоров. Основная особенность в поворотных лопатках, механизме управления и вакуумном приводе.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией крыльчатки основывается на регулировании потока отработавших газов, направляемых на колесо турбины. Регулировка позволяет подстраивать проходное сечение для потока отработавших газов под режим работы двигателя.

При движении на маленькой скорости, турбина крутится медленно. Однако блок управления выставляет лепестки так, чтобы расстояние между ними было минимальным. При малом объеме, газу тяжело поступить через маленькое отверстие, что вынуждает его передвигаться с большей скоростью.

В ходе перекрывания, обороты турбины увеличиваются, а значит повышается давление наддува.

С помощью таких лепестков, можно поднять скорость вращения турбины не изменяя объем поступающих газов. На высокой скорости компрессор наоборот раздвигает лепестки. Это предусмотрено для поддержания безопасного давления внутри системы и исключения перегрева.

Принцип работы изменяемой геометрии позволяет отказаться от перепускного клапана (wastegate). Через крыльчатку «горячей» части проходит весь поток выхлопных газов. Предотвращение избыточного наддува осуществляется изменением положения поворотных лопаток.

Изменение расстояния между направляющими элементами, в зависимости от типа и модели турбодвигателя управляться как давлением компрессора (или его отсутствием), так и вакуумным приводом, а в некоторых случаях — шаговым электромотором

Преимущества данной турбины можно выделить следующие:

авто с изменяемой геометрией турбонаддува могут выдавать большую мощность уже с самих низких оборотов.
снижение расхода топлива и количества вредных выбросов в атмосферу
из-за отсутствующего клапана wastegate в «горячей» части уменьшается количество разнонаправленных потоков газов, что улучшает прохождение газов через турбину.
улучшение эластичности двигателя

Настройка и регулировка турбины с изменяемой геометрией.

Эфективная и правильная настройка и регулировка турбины важна и для эффективности ее работы, и для снижения темпа износа деталей всего механизма, и даже для экономии денег на топливе.

Связано это с тем, что неправильные параметры настройки работы или неправильное (несвоевременное) проведение регулировки турбины непосредственно влияют на весь автомобиль и удобство его управления.

В то время как о некоторых действиях, обычно упоминаемых в инструкции к обслуживанию авто и его механизмов, владелец способен позаботиться самостоятельно, даже без специальных инструментов, опыта и знаний — для большинства из них потребуется внимание профессионала

Каждый разумный и заботливый автовладелец должен помнить о таких принципах как: своевременная профилактика и обслуживание, а также уклонение от вреда своими действиями. Это верно и для бензинового двигателя, и для дизельного.

Турбина двигателя с изменяемой геометрией (VNT)

Турбина с изменяемой геометрией

Содержание:

Принцип работы турбины
Преимущества турбины
Регулировка турбины
Чистка турбины
Как и где отремонтировать

Турбокомпрессор используется для увеличения мощности двигателя, которая напрямую зависит от объема воздуха и топлива, подаваемого в цилиндр. Ведущими частями любого турбокомпрессора являются турбина и насос, которые соединены между собой жесткой осью. Турбина двигателя с изменяемой геометрией необходима для образования оптимальной мощности двигателя, имеет свойство изменять сечение турбинных колес в зависимости от общей нагрузки. Если двигатель работает на низких оборотах, то турбина может увеличить скорость отвода выхлопных газов. Это позволяет турбине вращаться быстрее, при этом количество топлива остается небольшим.

Как устроена турбина и как она работает

Турбина с измененной геометрией отличается от классических турбокомпрессоров тем, что имеет в своей конструкции кольцо и специальные лопасти с аэродинамической формой, которая способствует увеличению эффективности наддува. В автомобилях с двигателями небольшой мощности сечение регулируется посредством изменения ориентации этих лопастей. В двигателях большой мощности лопасти не вращаются, а покрываются специальным кожухом или перемещаются вдоль оси камеры.

Особенностью VNT турбины являются поворотные лопасти, механизм управления и вакуумный привод. Принцип работы основывается на регулировке потока отработавших газов, которые направляются на колесо турбины. Точная регулировка позволяет настроить проходное сечение для потока газов под режим работы двигателя. Если автомобиль двигается на небольшой скорости, то и турбина крутится медленнее, но при этом лепестки устанавливаются в такое положение, чтобы расстояние между ними было минимальным. Газу в малом объеме сложно преодолеть небольшое отверстие, поэтому он будет передвигаться с большей скоростью, за счет чего обороты турбины увеличиваются, увеличивая при этом давление наддува.

При помощи данных лопастей можно существенно увеличить скорость вращения турбины, не меняя объемы поступающих газов. На большой скорости компрессор раздвигает лопасти – это обеспечивает поддержание безопасного давления внутри системы и исключает перегревы. Принцип изменяемой геометрии позволяет не использовать перепускной клапан, так как весь объём выхлопных газов выходит через горячую часть крыльчатки. Изменение положения поворотных предотвращает избыточный наддув.

Преимущества турбины с изменяемой геометрией

Автомобили с такими турбинами развивают большую скорость с самых низких оборотов.
Существенно снижается объем необходимого топлива, а также количество вредных выбросов в атмосферу.
Улучшается прохождение газов через турбину из-за отсутствия клапана Wastegate и уменьшения количества разнонаправленных потоков газа.
Улучшается эластичность двигателя.

Возможные неисправности

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией представляет собой сложный механизм, поэтому он больше подвержен различным поломкам. Однако, такие турбины сталкиваются лишь с несколькими проблемами:

Подклинивание лопастей в движении. Такая ситуация может сложиться из-за сильного износа трущихся пар и образовании нагара. Масляные, а также углеродистые отложения мешают плавному движению регулировочного кольца.

Заклинивание лопаток в одном положении. Это может происходить по причине критического нагарообразования, когда силы вакуума не хватает для движения регулировочного кольца.
Поломки вакуумного привода поворотных лопастей или клапана управления давлением.

Симптомами поломок считаются подергивание при разгонах, потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива, а также срабатывание индикатора на приборной панели Check Engine.

Как настроить и отрегулировать турбину

Правильная регулировка турбины с изменяемой геометрией крайне важна для эффективной работы, и для того, чтобы предотвратить быстрый износ деталей и снизить потребление топлива. Если отрегулировать турбину неправильно, то в дальнейшем это повлияет на работу всего автомобиля и удобство его управления.

Любой современный автовладелец немного разбирается в устройстве своего автомобиля и даже может устранить определенные небольшие поломки. Однако, чтобы сделать серьезный ремонт автомобиля, необходим специальный инструмент и оборудование, которого у обычного потребителя может и не быть.

Поэтому, если вы хотите, чтобы работа турбины была эффективной и качественной – обращайтесь за помощью к специалистам, которые правильно настроят механизм и расскажут, как лучше всего за ним ухаживать. Также, не стоит забывать о своевременных диагностиках и профилактике.

Как почистить турбину своими руками

Устройство турбины постоянно сталкивается с непрерывной нагрузкой, подвергается воздействиям продуктов горения масла и топлива, поэтому нуждается в регулярной чистке для профилактики различных поломок, которые могут быть с этим связаны. Зачастую, достаточно обработать турбину специальным средством и прогнать его через механизм для качественной очистки. Однако, иногда придется приложить побольше усилий для того, чтобы удалить все загрязнения с устройства. Также стоит помнить о том, что турбина не требует частой чистки, поэтому если она сильно загрязняется за короткое время, значит есть неполадки в ее работе или настройке.

Причинами сильных загрязнений могут выступать:

Увеличение нормы давления газов.
Износ лопастей турбины.
Превышение необходимого срока эксплуатации поршневого отсека.
Засора сапуна.
Износ прокладок.

Именно поэтому каждый автовладелец должен понимать, что сделать качественную чистку самостоятельно возможно, но далеко не всегда результат таких действий положительно влияет на работу механизма, а в некоторых случаях может и вовсе ухудшать ситуацию.

Отсутствие надлежащего опыта, проверенных чистящих средств, специальных инструментов – все это может негативно сказаться на результате вашей чистки, поэтому лучше всего обращаться в специализированные центры, где такой работой занимаются профессионалы.

Как сделать ремонт турбины?

Ремонт турбин гораздо проще предупредить посредством регулярного обслуживания и диагностики, чем потом пытаться исправить ситуацию самостоятельно. Процесс осложняется еще и тем, что многие автовладельцы боятся высоких цен на профессиональные услуги, забывая о том, что самостоятельное проведение ремонта отнимает также немало денег и времени. К тому же, не все получается с первого раза, и затраты на самостоятельный ремонт могут быть достаточно внушительными.

Поэтому мы настоятельно рекомендуем автовладельцам без опыта, знаний, навыков, а, самое главное, необходимого оборудования, не пытаться ремонтировать сложное устройство турбины самостоятельно, поскольку это может привести к еще более серьезным поломкам, устранить которые не сможет даже опытный специалист. При первых признаках поломки обращайтесь в наш сервисный центр, где наши мастера помогут вам восстановить картридж турбокомпрессора, а также устранить другие неисправности быстро и качественно.

Как работает турбокомпрессор с изменяемой геометрией для судовых двигателей?

Автор: Аниш 29 марта 2019 г. 14 сентября 2021 г. Морские технологии

Чтобы добиться максимальной эффективности судовых двигателей, они должны работать на самых высоких номинальных оборотах. Однако при наличии ряда норм, правил дорожного движения, коэффициента топливной экономичности и т. д. судовые двигатели не всегда могут эксплуатироваться на высоких оборотах. По мере того, как число оборотов двигателя уменьшается, подача воздуха от турбонагнетателя также уменьшается, что приводит к нехватке воздуха в камере сгорания и приводит к неправильному сгоранию и увеличению расхода топлива. Чтобы решить эту проблему, установлены вспомогательные воздуходувки. Эти воздуходувки вступают в действие при особенно низких нагрузках.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией или турбокомпрессор с изменяемым углом наклона турбины (VTA) — это решение для подачи достаточного количества продувочного воздуха в цилиндр морского двигателя во всех диапазонах нагрузки. Давайте узнаем, что такое ВТА и как он работает.

Что такое турбокомпрессор с изменяемой геометрией или VTA?

VGT или VTA — это турбокомпрессор, в котором подвижные лопасти заменены на обычные неподвижные лопасти, которые могут изменять угол для управления потоком выхлопных газов на лопатках турбины. Это помогает системе управления двигателем сбалансировать объем воздуха и топлива во всем диапазоне нагрузок двигателя.

Работа VTA

VGT или VTA состоит из сопловых колец, оснащенных лопатками с регулируемым углом наклона.

Каждая лопатка соединена с кольцом управления с помощью рычага, что снижает тепловой гистерезис и повышает точность позиционирования.

Положение или угол наклона лопасти регулируется кольцом управления, соединенным с электродвигателем положения через редуктор.

Система управления управляет работой позиционного двигателя с микропроцессорным управлением. Таким образом, положение или угол лопастей изменяются после сравнения сигналов обратной связи – давления воздуха после нагнетателя и температуры выхлопных газов до и после турбонагнетателя.

Преимущества ВТА

Работает во всем диапазоне нагрузок двигателя

Устраняет необходимость во вспомогательном вентиляторе

Снижает расход топлива

Снижает выбросы выхлопных газов и, следовательно, загрязнение воздуха

Выбросы CO ₂ , Nox и Sox

Уменьшает образование сажи и нагара в камере сгорания и выхлопе

Уменьшает загрязнение деталей двигателя

Повышает эффективность двигателя

Экономичный в эксплуатации

Если у вас есть вопросы, задавайте их в комментариях ниже.

Ярый моряк и технарь Аниш Ванкхеде побывал на нескольких кораблях в качестве морского механика. Он любит многозадачность, работу в сети и устранение неполадок. Именно он стоит за уникальной креативностью и эстетикой Marine Insight.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) — x-engineer.org

Турбокомпрессор — это наиболее распространенная технология, используемая в двигателях внутреннего сгорания для принудительного впуска воздуха. Основными компонентами турбокомпрессора являются турбина и компрессор. Роль турбины заключается в использовании тепловой и кинетической (турбокомпрессоры с двойной спиралью) энергии выхлопных газов и преобразовании ее в механическую энергию. Роль компрессора заключается в использовании механической энергии и сжатии всасываемого воздуха для увеличения его плотности.

Чтобы лучше понять, что такое турбокомпрессор (с фиксированной геометрией) и как работает турбонаддув, прочитайте статьи:

Как работает турбонаддув
Как работают турбокомпрессоры
Турбокомпрессоры с двойной спиралью

диапазоне скоростей, имеется несоответствие между потоком выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и радиальным потоком турбонагнетателя.

Если геометрия (проходное сечение) турбины рассчитана на полную скорость и нагрузку двигателя (большая площадь), то на низких и средних оборотах реакция турбонагнетателя будет плохой. Если геометрия турбины подобрана для быстрого отклика (малая площадь), то при работе двигателя на высоких оборотах могут быть достигнуты пределы дроссельной заслонки, и турбонагнетатель может выйти за пределы скорости, или давление воздуха на впуске может превысить максимальный предел.

Идеальный турбокомпрессор должен обеспечивать требуемое давление воздуха на впуске (наддув) независимо от рабочей точки двигателя (частоты вращения и крутящего момента). Это невозможно из-за того, что частота вращения вала турбокомпрессора зависит от массового расхода выхлопных газов, который зависит от рабочей точки двигателя.

Для турбокомпрессора с фиксированной геометрией при низких оборотах двигателя массовый расход отработавших газов низкий, поэтому скорость вала турбокомпрессора низкая, что означает низкий наддув воздуха. С другой стороны, при высоких оборотах двигателя массовый расход выхлопных газов высок, а частота вращения вала турбокомпрессора также высока, что приводит к высокому наддуву (давлению) всасываемого воздуха.

Поток жидкости по трубе

Чтобы понять принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией (VGT) , нам необходимо вспомнить некоторые законы гидродинамики.

Представьте, что у вас есть труба с переменным диаметром по всей длине.

Изображение: Сплошность потока жидкости

A [м ² ] – площадь
v [м/с] – скорость
p [Па] – давление

На большей площади A ₁ жидкость собирается имеют определенный массовый расход [кг/с]. Поскольку масса жидкости сохраняется, для того, чтобы та же масса могла пройти через меньшую площадь A ₂ , необходимо увеличить скорость жидкости.

Следующие законы применимы к жидкости, протекающей по трубе переменного диаметра:

\[A_1 \cdot v_1 = A_2 \cdot v_2 = \text{const. } \tag{1}\]

Это означает, что, чтобы результат произведения оставался постоянным, при уменьшении проходного сечения скорость жидкости должна увеличиваться. Это называется законом непрерывности .

Существует еще одна взаимосвязь, включающая также давление жидкости. Предполагая, что труба горизонтальна или проходные сечения находятся на одной высоте, применимо следующее соотношение: 92}{2} + p_1 = \text{const.} \tag{2}\]

ρ [кг/м ³ ] – плотность жидкости

Это означает, что на участке с меньшей скоростью жидкости в чтобы поддерживать постоянную сумму между членами, давление должно быть увеличено. Это называется законом Бернулли .

Подводя итог, для жидкости, протекающей через два поперечных сечения с разными площадями, верны следующие соотношения:0082 \end{split} \]

Соотношение A/R турбонагнетателя

Важной геометрической характеристикой (параметром) турбокомпрессора является отношение A/R , где A – площадь поперечного сечения входного сечения турбины/компрессора, а R для радиуса центральной линии турбокомпрессора до центра тяжести области A.

Отношение A/R (площадь, деленная на радиус) применяется как для компрессора, так и для турбины, но основное влияние на производительность турбокомпрессора связано с соотношение A/R турбины .

1 Соотношение A/R корпуса и оказывает существенное влияние на общую производительность турбокомпрессора.

маленькое отношение A/R увеличит скорость выхлопных газов, когда они входят в турбинное колесо, компрессор будет вращаться быстрее и обеспечит увеличение наддува всасываемого воздуха. Отрицательным эффектом малого отношения A/R является тангенциальное течение выхлопных газов в турбинное колесо, что снижает пропускную способность турбокомпрессора. Эффект заключается в повышенном противодавлении в выпускном коллекторе при высоких оборотах двигателя, что приводит к затрудненному газообмену (выхлопной газ против всасываемого воздуха) двигателя и снижению пиковой мощности.

Большое отношение A/R улучшит пропускную способность турбонагнетателя на высоких оборотах двигателя, снизив противодавление в выпускном коллекторе. Это улучшит способность двигателя «дышать» (газообмен) на высоких оборотах и подтолкнет пиковую мощность к более высоким значениям. Недостатком является то, что на низких и средних оборотах двигателя скорость выхлопных газов будет ниже (из-за большей площади проходного сечения) и увеличение наддува всасываемого воздуха будет медленнее (турбо-лаг).

Изображение: BV50 – турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) для бензиновых двигателей
Кредит: BorgWarner

Для лучшего понимания возьмем в качестве примера два турбонагнетателя с разным соотношением A/R и один и тот же базовый двигатель (6 цилиндров объемом 3 литра).

Изображение: Соотношение A/R турбонагнетателя (1)

Изображение: Соотношение A/R турбокомпрессора (2)
Кредит: Honeywell Garrett

A/R ratio

Turbocharger characteristics

Engine/vehicle performance

low flow capacity
high flow velocity
fast air boost response
Высокое обратное напряжение выхлопных газов

ДВИГАТЕЛЬ:

Высокий низкий крутящий момент
Ответ крутящий момент
Limited Peak Power

Fast Acceleration вождение

1,22

высокая пропускная способность
низкая скорость потока
более медленная реакция наддува воздуха (турбо-лаг)
Низкое выхлопное обратное давление

Двигатель:

Небольшой крутящий момент
Медленный крутящий момент
Более высокий пик

. — городское вождение

В двух словах, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией (VGT) сочетают в себе преимущества малого отношения A/R и большого отношения A/R в одном блоке , объединяющий преимущества обоих типов.

Типы турбокомпрессоров с изменяемой геометрией

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией означают переменное отношение A/R . Единственный возможный способ получить переменное отношение A/R состоит в изменении площади поперечного сечения A потока выхлопных газов. Радиус R всегда будет постоянным.

По сравнению с турбокомпрессорами с фиксированной геометрией, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией предназначены для:

увеличения давления наддува всасываемого воздуха при низких оборотах двигателя
улучшить время отклика турбонагнетателя на переходных фазах работы двигателя
увеличить доступность максимального крутящего момента двигателя
предотвратить чрезмерный наддув при высоких оборотах двигателя

уменьшить выбросы выхлопных газов и улучшить топливную экономичность производителя турбокомпрессора, в автомобильной промышленности доступно несколько технических решений. Независимо от используемой механической системы результат один и тот же: используйте подвижные компоненты, чтобы обеспечить переменную площадь поперечного сечения A, чтобы получить общее переменное отношение A/R.

Наиболее распространенными типами турбокомпрессоров с изменяемой геометрией являются:

поворотные лопатки
подвижная стенка
скользящее кольцо
изменяемая площадь

поворотные лопатки изменяемой геометрии транспортных средств, и они являются наиболее распространенным типом турбокомпрессоров с изменяемой геометрией (VGT).

Изображение: Турбокомпрессор с изменяемой геометрией – компоненты

Турбинный корпус
Турбинное колесо
Venes
Unison Ring
Регулируемое кольцо

. турбины достигается за счет вращения лопаток (3). Они механически связаны с регулируемым кольцом (5), которое управляется пневматическим приводом (9) через систему механических рычагов (6).

В зависимости от режима работы двигателя модуль управления двигателем (ECM) регулирует давление воздуха в пневматическом приводе, закрывающем или открывающем поворотные лопатки.

Изображение: Узкий лопасный отверстие Кредит: Volvo
Изображение: VGT (Узкое Фул -Открытие) Кредит: Borgwarner	Изображение. БоргВорнер

При низких оборотах двигателя лопатки находятся в узком положении, площадь поперечного сечения потока отработавших газов мала, отношение A/R минимально, а скорость отработавших газов через турбина на максимуме. Это приводит к высокой скорости компрессора и высокому наддуву всасываемого воздуха.

Изображение: Широкое отверстие лопасти
Предоставлено: Volvo0007

Изображение: поток отработавших газов (широкое отверстие лопастей)
Кредит: BorgWarner

большой, отношение A/R имеет максимальное значение, а скорость выхлопных газов через турбину минимальна. Скорость компрессора будет ниже, но достаточной для обеспечения необходимого наддува всасываемого воздуха.

Также увеличена пропускная способность турбины, что уменьшит противодавление выхлопных газов и позволит двигателю нормально «дышать».

Положение лопастей (соотношение A/R) можно регулировать между минимальным (полностью закрытым) и максимальным (полностью открытым) положением. Точное положение лопастей зависит от рабочей точки двигателя внутреннего сгорания (частоты вращения и крутящего момента) и регулируется модулем управления двигателем (ECM) или модулем управления силовым агрегатом (PCM).

Изображение: турбокомпрессор GT17VNT с изменяемой геометрией
Фото: Honeywell Turbo Technologies

Изображение: турбокомпрессор GT17VNT с изменяемой геометрией
Кредит: Honeywell Turbo Technologies

Наиболее распространенная конструкция турбокомпрессоров с изменяемой геометрией использует вращающиеся лопатки (аэродинамические профили), расположенные в виде планок в жалюзи вокруг турбинного колеса. Эти лопатки перемещаются, чтобы регулировать площадь поперечного сечения потока выхлопных газов через турбину. Лопасти установлены в корпусе турбины одним концом к корпусу. Другой конец лопасти соединен через штифт с пластиной, называемой унисонным кольцом. Вращение этого кольца унисона заставляет все лопасти вращаться вокруг фиксированной точки поворота.

Изображение: Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) — узел поворотных лопаток

Узел поворотных лопаток также известен как кольцо сопла .

При высоких температурах выхлопных газов сухое трение металла о металл между лопастями, шарнирами и кольцом может создавать проблемы и вызывать залипание поворотного механизма. Если они застревают в открытом положении, работа двигателя будет плохой на малых оборотах. Если лопатки застревают в закрытом (узком) положении, на высоких оборотах двигателя будет возникать значительное противодавление выхлопных газов, что приведет к превышению скорости и даже к выходу из строя турбины.

Конструкция с поворотными лопастями чаще всего используется в дизельных и бензиновых двигателях легковых автомобилей.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией с подвижной стенкой

Еще один способ получения переменного отношения A/R — использование подвижной стенки внутри турбонагнетателя. Между подвижной стенкой и корпусом турбины будет создаваться переменная площадь поперечного сечения.

Изображение: Турбокомпрессор с подвижной стенкой с изменяемой геометрией (VGT) — эксплуатация
Предоставлено: Cummins Turbo Technology

compressor wheel
shaft speed sensor
pneumatic actuator
fixed shroud plate
turbine wheel
sliding nozzle ring and vanes (moving wall)
push rod and bushes
operating yoke

In this design подвижная стенка (6) содержит сопловое кольцо с лопастями, закрепленными под постоянным углом. Положение соплового кольца относительно корпуса турбины регулируется пневмоприводом (3). При уменьшении площади поперечного сечения лопатки соплового кольца входят в неподвижную стенку (4) через радиальные щели.

. кольцо сопла смещается вправо, уменьшая площадь поперечного сечения и соотношение A/R. Это вызовет увеличение скорости выхлопных газов, турбонагнетатель будет вращаться быстрее, а наддув всасываемого воздуха увеличится.

Когда кольцо сопла (движущаяся стенка) находится в крайнем левом положении, площадь поперечного сечения потока отработавших газов максимальна. Соотношение A/R также находится на максимальном значении, когда двигатель работает на высокой скорости .

Преимущество турбокомпрессоров с изменяемой геометрией подвижных стенок по сравнению с конструкцией с поворотными лопастями состоит в меньшем количестве движущихся частей, что означает меньшее количество точек износа и большую надежность (меньше вероятность отказа). Конструкция с подвижной стенкой может повысить эффективность при высоком потоке выхлопных газов. Отсутствие нескольких точек поворота снижает утечку выхлопных газов и повышает общую эффективность. Основным недостатком конструкции с подвижной стенкой являются высокие производственные затраты, в основном из-за малого зазора и минимального контакта между лопатками соплового кольца и отверстиями в кожухе.

Конструкция с движущейся стенкой чаще всего используется в дизельных двигателях коммерческого транспорта. Например, Scania использует в своих дизельных двигателях турбокомпрессор с изменяемой геометрией со скользящим соплом (VGT).

Изображение: Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) – скользящая пластина
Предоставлено: Scania

воздухозаборник
колесо компрессора
выпуск наддувочного воздуха
датчик скорости
привод
впускной патрубок
выпускной патрубок

Геометрия и расход газа в турбонагнетателе с изменяемой геометрией регулируются скользящим сопловым кольцом, которое управляется электроприводом. Это позволяет точно контролировать как подачу наддувочного воздуха в двигатель, так и поток EGR.

Поток всасываемого воздуха можно оптимизировать во всем диапазоне рабочих оборотов двигателя. Это означает, что VGT можно использовать для улучшения реакции двигателя и крутящего момента на низких оборотах. Он также используется для ускорения переключения передач с помощью Scania Opticruise за счет поддержания частоты вращения турбины во время переключения передач.

Подвижное кольцо турбокомпрессора с изменяемой геометрией

Конструкция бокового кольца аналогична архитектуре подвижной стенки. Основное отличие состоит в том, что лопасти закреплены в неподвижной пластине сопла. Изменение проходного сечения отработавших газов осуществляется подвижным (осевым) кольцом.

Изображение: скользящий сопло Турбогнаргер — Узкий
Кредит: Cummins Turbo Technology

Изображение: Spliting Turboarger — Wide
Credit: Cummins Turbo Technology

Изображение: Турбокомпрессор GT17 со скользящим кольцом
Предоставлено: Honeywell Turbo Technologies

В закрытом (узком) положении скользящее кольцо близко к пластине сопла, и весь поток выхлопных газов проходит через лопасти. Это положение с наименьшим отношением A/R, высокой частотой вращения вала и высоким наддувом всасываемого воздуха.

Когда скользящее кольцо отходит от пластины сопла, выхлопной газ частично обходит блок лопаток и поступает непосредственно в турбину. В этом положении турбина имеет более высокое отношение A/R, более низкую частоту вращения вала, а компрессор обеспечивает более низкий наддув воздуха.

Турбокомпрессор с изменяемой площадью

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией с поворотными лопатками обеспечивает переменное отношение A/R за счет вращения лопаток вокруг точки их поворота. Основным недостатком этой технологии является сложная и дорогостоящая механическая система.

Компания Aisin Seiki разработала турбокомпрессор с изменяемой геометрией, который имеет гораздо более простую механическую систему, что снижает стоимость производства и повышает надежность. Турбокомпрессор с переменным расходом (VFT), разработанный Aisin Seiki, основан на принципе переменной площади. Корпус турбины имеет две спирали, внутреннюю спираль и внешнюю спираль. Центральный поворотный клапан направляет поток выхлопных газов через внутреннюю лопатку, внешнюю лопатку или обе, в зависимости от рабочей точки двигателя (частоты вращения и крутящего момента).

Вдоль стенки турбокомпрессора, между внутренней и внешней спиралью, также расположены неподвижные лопатки, помогающие перенаправить поток выхлопных газов в турбинном колесе.

По сравнению с турбокомпрессором с изменяемой геометрией с поворотными лопатками количество компонентов в турбокомпрессоре с регулируемым потоком меньше. Кроме того, имеется только одна движущаяся часть, центральный клапан, который позволяет модулю управления двигателем (ECM) использовать простой алгоритм управления, аналогичный тому, который используется для турбокомпрессоров с фиксированной геометрией и перепускным клапаном.

Image: Variable flow turbocharger (VFT) – low flow rate
Credit: Aisin Seiki

Image: Variable flow turbocharger (VFT) – high flow rate
Credit: Aisin Seiki

внутренняя спираль
внешняя спираль
центральный регулирующий клапан
стационарные лопасти

При низкой частоте вращения двигателя (низкий расход отработавших газов) центральный клапан (3) полностью закрыт, и отработавшие газы проталкиваются через внутренняя спираль (1), которая имеет меньшую площадь поперечного сечения и соотношение A/R. В этом состоянии нет потока выхлопных газов во внешнюю спираль, хотя между внешней и внутренней спиралью есть проходы, так как внешняя спираль (2) рассматривается как камера со статическим давлением.

При высоких оборотах двигателя (высокий расход отработавших газов) центральный клапан регулирует количество отработавших газов, поступающих во внешнюю спираль. Газ, поступающий во внешнюю спираль, подается во внутреннюю спираль через стационарные лопатки и соединяется с потоком внутренней спиральной камеры. Направление потока на ротор турбины представляет собой комбинацию векторов двух потоков. Изменение угла потока на ротор турбины может управлять скоростью турбины и, следовательно, регулировать давление на входе в турбину (противодавление выхлопных газов двигателя).

Турбокомпрессор с регулируемым расходом (VFT) является гораздо более простым и дешевым вариантом по сравнению с турбокомпрессором с изменяемой геометрией турбины с поворотной лопастью или подвижной стенкой. Японские производители автомобилей (Honda) интегрировали VFT как в бензиновые, так и в дизельные двигатели.

Что касается исполнительных систем , то турбонагнетатели с изменяемой геометрией имеют пневматический привод или электрический привод . Несмотря на более высокую стоимость, турбокомпрессоры с электрическим приводом имеют более быстрое время отклика и более точное срабатывание подвижных элементов.

Изображение: Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) – электрический привод
Авторы и права: Audi

Преимущества турбокомпрессоров с изменяемой геометрией

По сравнению с турбокомпрессором с фиксированной геометрией турбокомпрессор с изменяемой геометрией имеет следующие преимущества: максимальный крутящий момент : турбокомпрессор с изменяемой геометрией может улучшить максимальный крутящий момент двигателя в области низких оборотов благодаря способности турбокомпрессора обеспечивать большее количество воздушной массы; это приводит к впрыскиванию большего количества топлива, следовательно, к более высокому среднему эффективному давлению и крутящему моменту

более быстрая реакция двигателя на крутящий момент : особенно в области низких скоростей отставание крутящего момента двигателя сводится к минимуму благодаря способности турбонагнетателя ускоряться быстрее и обеспечивать требуемый наддув всасываемого воздуха
более высокое соотношение воздух-топливо при низких число оборотов двигателя : дополнительный наддув воздуха на впуске обеспечивает более высокое соотношение воздух-топливо (больше воздуха, доступного для сгорания), что может помочь снизить выбросы выхлопных газов
снижение дроссельных потерь в выпускном коллекторе : турбокомпрессор с изменяемой геометрией не нуждается в перепускном клапане, поскольку поток выхлопных газов регулируется поворотными лопатками, скользящим кольцом или центральным клапаном; поэтому снижаются дроссельные потери выпускного коллектора, что увеличивает способность двигателя «дышать» (выполнять газообмен) с меньшими потерями
улучшает показатели рециркуляции отработавших газов (EGR) клапан рециркуляции отработавших газов открыт, важно, чтобы давление выхлопных газов было выше, чем давление воздуха на впуске, чтобы обеспечить поток газа; Способный увеличить противодавление в выпускном коллекторе, турбокомпрессор с изменяемой геометрией повышает эффективность системы рециркуляции отработавших газов
улучшает эффективность торможения двигателем : когда двигатель находится в режиме выбега (торможение двигателем), если соотношение A/R турбины мало, противодавление в выпускном коллекторе будет выше; в этом случае тормозной момент двигателя будет выше, так как потребуется сжать воздух в выхлопе на более высоком уровне. Сравнение крутящего момента двигателя
Credit: Garrett Engine Boosting Systems
Image: Engine power comparison
Credit: Garrett Engine Boosting Systems
Image: Fuel consumption comparison
Credit: Garrett Engine Boosting Systems
AVNT ^TM – Усовершенствованный турбокомпрессор с регулируемым соплом (торговая марка: Garrett Engine Boosting Systems)
Исследования, проведенные Garrett Engine Boosting Systems, показывают значительное улучшение кривой крутящего момента двигателя благодаря улучшенному контролю соотношения воздух-топливо. Для данного силового агрегата момент включения сцепления увеличился до 45 %, а пиковый крутящий момент — более чем на 30 %. Эти два улучшения напрямую связаны с увеличенным потоком всасываемого воздуха, создаваемым AVNT 9.0118 ТМ при низких оборотах двигателя.
Кроме того, была оценена более высокая номинальная мощность до 6 % благодаря способности AVNT ^TM снижать уровни наддува при высоких оборотах двигателя, тем самым уменьшая давление зажигания в цилиндре двигателя и тепловую нагрузку наддувочного воздуха.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией: устройство и принцип работы. — Турбобаланс