Геометрия турбины

VNT-турбина объединяет направляющие лопатки, механизм управления и вакуумный привод. Направляющие лопатки предназначены для изменения скорости и направления потока отработавших газов за счет изменения величины сечения канала. Они поворачиваются на определенный угол вокруг свой оси.

1 — направляющие лопатки; 2 — кольцо; 3 — рычаг; 4 — тяга вакуумного привода; 5 — турбинное колесо

Поворот лопаток производится с помощью механизма управления. Механизм состоит из кольца и рычага. Срабатывание механизма управления обеспечивает вакуумный привод, воздействующий через тягу на рычаг управления. Работа вакуумного привода регулируется клапаном ограничения давления наддува, подключенным к системе управления двигателем. Клапан ограничения давления наддува срабатывает в зависимости от величины давления наддува, измеряемой двумя датчиками: датчиком давления наддува и датчиком температуры воздуха на впуске.

Принцип работы наддува двигателя TDI

При работе системы наддува двигателя TDI обеспечивается оптимальное давление воздуха в широком диапазоне частоты вращения двигателя.

Это достигается за счет регулирования энергии потока отработавших газов.

При низких оборотах двигателя энергия отработавших газов невелика. Для эффективного ее использования направляющие лопатки находятся в закрытом положении, при котором площадь канала отработавших газов наименьшая. За счет малой площади сечения поток отработавших газов усиливается и заставляет турбину вращаться быстрее. Соответственно быстрее вращается компрессорное колесо, а производительность турбокомпрессора увеличивается.

При резком увеличении оборотов двигателя, вследствие инерционности системы, энергии отработавших газов становиться недостаточно. Поэтому для прохождения «турбоямы» лопатки поворачиваются с некоторой задержкой, чем достигается оптимальное давление наддува.

На высоких оборотах двигателя энергия отработавших газов максимальная. Для предотвращения избыточного давления наддува лопатки поворачиваются на максимальный угол, обеспечивая наибольшую площадь поперечного сечения канала.

принцип работы, устройство, чистка (видео). Как проверить клапан управления, отрегулировать

Рассматривая принцип работы турбонаддува, мы затронули проблемы, ограничивающие эффективность газовых турбокомпрессоров. Турбина с изменяемой геометрией позволяет расширить зону действия турбонаддува и сделать двигатель более приемистым. Поговорим не только об устройстве системы, но и о симптомах неисправности клапана управления, чистке и регулировке VNT-турбонагнетателей.

Устройство VNT-турбины

На рисунке изображена турбина с изменяемой геометрией, устанавливаемая на автомобили Volkswagen, Skoda. Общее устройство турбокомпрессора и принцип нагнетания дополнительного воздуха не отличается от обычных турбокомпрессоров. Основная особенность в поворотных лопатках, механизме управления и вакуумном приводе.

Принцип работы

Поворотные лопатки вращаются на осях, установленных в опорном кольце. К оси каждой лопатки прикреплены тяги управления, которые при монтаже входят в зацепление с регулировочным кольцом. Направляющий рычаг соединяет регулировочное кольцо с рычагом тяги управления и осью вакуумного привода поворотных лопаток.

При изменении положения оси вакуумного привода регулировочное кольцо проворачивается на определенный угол. За счет этого происходит поворот оси лопаток в опорном кольце. Они синхронно меняют свое положение, изменяя тем самым сечение для потока выхлопных газов.

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

Как изменяется давление наддува?

Когда мы рассматривали принцип работы системы изменяемой геометрии впускного коллектора, то говорили о зависимости скорости потока газов от проходного сечения канала. При одинаковом давлении скорость потока газа будет выше в канале с суженым сечением.

Для быстрого выхода турбины в зону эффективной работы на низких оборотах двигателя необходимо высокое давление наддува. В таком режиме работы лопатки уменьшают сечение канала, по которому отработанные газы движутся к крыльчатке турбины. В итоге повышается давление наддува.

В зоне высоких оборотов двигателя увеличивается объем выхлопных газов. Небольшое сечение канал приведет к чрезмерному подпору выхлопных газов, что приведет к плохому наполнению цилиндров свежим зарядом ТПВС. Поэтому с повышением оборотов двигателя лопатки меняют свое положение, увеличивая сечение для прохождения выхлопных газов.

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.

Система в разрезе

1. Лопатки расположены перпендикулярно радиальным линиям, что равняется узкому сечению для потока выхлопных газов. Обеспечивается быстрое нарастание наддува и прибавка крутящего момента в зоне низких оборотов двигателя.
2. Ступенчатое расположение лопаток – большое сечение для потока выхлопных газов. Этот же режим используется в качестве аварийного, когда система самодиагностики регистрирует некорректную работу системы, отсутствует питание на электромагнитном клапане.

Управление геометрией

Изменение геометрии турбины осуществляется блоком управления двигателем. Принцип работы рассмотренной выше системы предполагает наличие электромагнитного клапана управления наддувом. Управляется клапан ШИМ-сигналом. Изменяя скважность сигнала, ЭБУ двигателя устанавливает необходимое разряжение в вакуумной среде привода поворотных лопаток. При таком управлении ЭБУ может плавно и точно управлять регулировочным кольцом, что обеспечивает эффективное сгорание ТПВС на всех режимах работы двигателя.

Когда электромагнитный клапан обесточен, в вакуумной среде атмосферное давление, лопатки установлены в ступенчатом положении. Для плавной регулировки давления наддува ЭБУ постоянно опрашивает датчиковую аппаратуру двигателя.

Принципиальное отличие

Автомобильные газовые турбины всех типов имеют 3 режима работы:

• выход в рабочую зону. Раскручивающийся вал турбины создает сопротивление потоку выхлопных газов, что снижает наполняемость цилиндров и, как следствие, КПД двигателя. Именно с режимом раскручивания турбинного колеса водители связывают явление «турбоямы»;
• зона эффективной работы. При достижении рабочей зоны скорость вращения компрессорного колеса позволяет нагнетать в цилиндры большее количество воздуха, что ощущается прибавкой в крутящем моменте;
• зона оверспина (от англ. over—spinning – избыточное вращение). Устройство турбокомпрессора предполагает зоны эффективности. Конструкция двигателя также рассчитывается на определенную величину наддува. Если скорость потока выхлопных газов превысит зону оптимальной эффективности и расчетную величину наддува, дальнейшее использование турбонаддува только снизит КПД двигателя. Также превышение расчетной скорости вращения крыльчатки ведет к срыву потока воздуха. Поэтому устройство большинства турбин предполагает наличие клапана Последний на определенных оборотах двигателя пускает поток выхлопных газов в обход турбинного колеса.

Устройство турбины с фиксированной геометрией – это всегда компромисс между скоростью выхода в зону эффективности, величиной наддува и границей пиковой мощности. На эти параметры влияет диаметр каналов для движения газов, соотношение площади индюсера и эксдюсера, Area/Radius хаузинга, конструкция клапана wastegate, blow-off. Но из-за того, что характеристики турбины закладываются еще на стадии проектирования, ее рабочая зона довольно узкая.

Преимущества

• Активное изменение сечения канала «горячей» части турбины позволяет расширить зону ее эффективной работы. Авто с изменяемой геометрией турбонаддува могут выдавать большую мощность уже с самих низких оборотов.

• Уменьшенный подпор выходу выхлопных газов на высоких оборотах. Из-за отсутствующего клапана wastegate в «горячей» части уменьшается количество разнонаправленных потоков газов, что улучшает прохождение газов через турбину.
• Улучшение эластичности двигателя.
• Снижение расхода топлива и количества вредных выбросов в атмосферу.

Возможные неисправности

Усложнение конструкции турбины неминуемо приводит к увеличению риска поломки. Но в случае с работой изменяемой геометрии ситуация не так плоха, как может показаться. У механизма лишь несколько основных проблем:

• движение лопаток с подклиниванием. Происходит из-за критического износа трущихся пар и при нагарообразовании. Углеродистые и масляные отложения препятствуют плавному перемещению регулировочного кольца;
• заклинивание лопаток в одном из положений. Из-за критического нагарообразования силы вакуума недостаточно для перемещения регулировочного кольца;
• неисправность вакуумного привода поворотных лопаток, клапана управления давлением турбонаддува.

Среди основных симптомов поломки – подергивания при разгоне, потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива и появление на панели приборов индикации Check Engine.

Геометрия турбины, 038253019J, 038253019JX, 038253019JV, 3M219G438AA, 1253768, 4M219G438BA, 1365669, 038253019H, 038253056D,

До конца акции осталось

Цена:

2250. 85 грн.

2065 грн.

Осталось: 7 шт.

Аналоги: 080-130-002, AM.KP39, 3000-016-030, NR-N012

ХАРАКТЕРИСТИКИ: 8 лопаток, максимальный диаметр 75.6 мм, минимальный диаметр 44,3 по кромке 40.6 мм, высота лопатки 5.3 мм

Применяется в турбинах: KKK

Подробнее

Оригинальный номер турбины: 038253019J, 038253019JX, 038253019JV, 3M219G438AA,1253768, 4M219G438BA,1365669, 038253019H, 038253056D

Заводской номер турбины: 54399700005, 54399880005, 54399700006, 54399700007, 54399700008, 54399700010, 54399700009, 54399700011, 54399700026, 54399880006, 54399880007, 54399880008, 54399880010, 54399880009, 54399880011, 54399880026, 54399700012, 54399880012, 54399700002, 54399880002

Подробнее

Поломка «геометрии» турбины

Теме турбокомпрессоров мы посвятили не один материал. И не зря. Ведь все прелести «даунсайзинга», который почти всегда предполагает использование турбины, уже давно знакомы владельцам подержанных автомобилей. Но на одной из потенциальных проблем турбин с изменяемой «геометрией», а именно — заклинивании, пожалуй, стоит остановиться подробнее. Каковы причины его появления и способы устранения? Обязательна ли разборка? Как этого избежать?

Турбокомпрессоры с изменяемой «геометрией» получили свое название из-за наличия у них направляющего аппарата, с помощью которого в зависимости от режима работы двигателя изменяются проходное сечение на входе выхлопных газов в турбину и угол атаки, с которым газы бьют по лопастям колеса турбины. Независимо от марки двигателя и турбокомпрессора основных причин неисправности направляющего аппарата две.

Первая — ресурсный износ подвижных деталей, вследствие чего в механизме появляются чрезмерные люфты. Вторая причина — нагар, откладывающийся в направляющем аппарате и нарушающий подвижность его деталей.

Когда нагара много, подвижные детали и вовсе заклинивают. В каждом из случаев лопатки перестают поворачиваться как требуется либо не поворачиваются вовсе. В результате давление наддува перестает соответствовать необходимому.

Главную роль в заклинивании так или иначе играет нагарообразование. Источником нагара может быть моторное масло, которое при износе поршневых колец, клапанов и их направляющих или при выходе из строя уплотнений ротора в картридже самого турбокомпрессора поступает в турбину, где и коксуется.

К этому же ведет и эксплуатация в условиях, благоприятных образованию сажи. Поскольку сажа — продукт неполного сгорания топлива, то качество топлива, безусловно, имеет значение. Кроме того, сажа интенсивнее появляется при проблемах со смесеобразованием и воспламенением горючей смеси, а они могут быть следствием неисправностей и нарушений регулировок в системе зажигания, когда двигатель бензиновый, в системе питания топливом и воздухом или в системе охлаждения независимо от типа силового агрегата.

 

Темп езды, а вернее — условия движения автомобиля, тоже влияют на образование сажи. Способствует появлению сажи движение с недостаточно прогретым мотором на низких оборотах, преждевременное включение высших передач, езда «в натяг». В то же время при движении с высокой скоростью и повышенными оборотами саже свойственно выгорать. Поэтому загородные поездки можно рассматривать как способ борьбы с нагаром.

Что касается забитого катализатора и, конечно, сажевого фильтра, то их действие сказывается не столько на механизме изменения «геометрии», сколько на самом турбокомпрессоре. Из-за затруднений со свободным выходом из турбины в выхлопную систему отработавшие газы оказывают давление на турбинное колесо, что ведет к появлению продольного люфта ротора турбокомпрессора.

Не имеет значения, с турбокомпрессором какого производителя мы имеем дело, — чтобы очистить направляющий аппарат от отложений нагара, турбокомпрессор придется разбирать. Иначе как без разборки добраться до подвижных деталей «геометрии»?

И не факт, что с помощью очистки неисправность удастся устранить, потому что при заклинивании подвижных деталей возможны проблемы с тем, благодаря чему они двигаются, — их приводом, который в результате заклинивания способен сломаться.

Алексей Оргиш, «Турбохэлп»:

— Кроме сажи причиной заклинивания лопаток механизма еще может быть попадание посторонних предметов со стороны выпускного коллектора. Это могут быть фрагменты поршневых колец, седел клапанов, оплавленные куски поршней, окалина, твердый кокс и так далее. Практически всегда после такого рода случаев требует замены и ротор турбины.

Сергей БОЯРСКИХ 
Фото автора
ABW.BY

Восстановление геометрии турбины: основные моменты

Все об изменяемой геометрии турбины для авто

Крыльчатка турбины двигателя вращается под воздействием выхлопных газов, которые могут разогнать ее до 21000 об/мин. От количества газов в турбине зависит скорость вращения ротора. Проблема состоит в том, что на момент ускорения не всегда имеется достаточный объем для быстрого разгона автомобиля, при нажатии на газ возникает задержка под названием турбояма. При этом топливо сначала сгорает и только потом образуются выхлопные газы, необходимые для разгона турбины. Изменяемая геометрия турбины применяется для предотвращения эффекта турбоямы.

Как работает наддув с изменяемой геометрией

В отличие от классических устройств изменяемая геометрия турбины использует специальные лепестки направляющего действия. Они размещены на входе в канал, по которому проходят отработавшие газы. В зависимости от заданных нагрузок изменяется проходное сечение турбины.

Алгоритм изменения геометрии:

1. При работе двигателя на малых оборотах образуется небольшое количество выхлопа.
2. В момент резкого ускорения на турбину поступает сигнал с блока управления.
3. Происходит взаимное смещение (поворот) лопаток, расстояние между ними резко уменьшается.
4. Отработанным газам приходиться с усилием проникать в узкие пространства.
5. При увеличении скорости газов возрастают обороты турбины и давление наддува.

В результате машина ускоряется без дополнительных объемов газов. Далее газовый поток постепенно возрастает, лепестки раздвигаются, увеличивается просвет, давление наддува устанавливается на оптимальном уровне.

Причины поломок геометрии турбины

Независимо от модели турбокомпрессора и марки мотора геометрия турбины чаще всего выходит из строя по следующим причинам:

• естественный износ элементов в результате длительной эксплуатации приводит к образованию перекосов и люфтов;
• нарушение подвижности и заклинивание поворотных лопаток из-за нагара, откладывающегося на рабочих поверхностях турбины.

Источник нагара – коксование излишков моторного масла, поступающего через изношенные поршневые кольца, клапаны, уплотнения ротора картриджа турбокомпрессора. Чтобы не повредить геометрию, следует соблюдать несложные правила эксплуатации:

1. Использовать топливо, а также моторное масло соответствующего качества во избежание интенсивного образования нагара и сажи.
2. Проверять регулировки зазоров клапанов в системе зажигания.
3. Не допускать агрессивную езду.
4. Тщательно прогревать мотор перед началом движения.
5. Исключить попадание посторонних предметов во впускной коллектор.

Восстановление функций геометрии турбины

Механизмы, работающие в условиях повышенных нагрузок, под воздействием продуктов сгорания масла, топлива, нуждаются в регулярном уходе. Периодическая чистка геометрии турбины предотвратит преждевременные поломки и сохранит эффективность ее работы.

Важно: учитывая сложность конструкции устройства, опытные автовладельцы не рекомендуют проводить самостоятельный ремонт геометрии турбины. При малейших сбоях в работе турбонаддува лучше обратиться в турбо сервис, специализирующийся на ремонте моторов. Квалифицированные специалисты проведут диагностику, определят причину нарушения геометрии, восстановят ее работу. При необходимости будет проведена замена геометрии турбины на новый экземпляр.

Установка геометрии турбины

При изготовлении элементов турбонаддува в заводских условиях не производится настройка геометрии турбины.  Данная процедура осуществляется при ее замене перед непосредственной установкой. Правильные балансировки и регулировки проводятся специалистами на специальных стендах в условиях автомастерских.  В турбосервисе данная операция занимает не более 15 минут.

Симптомы неисправности турбины: Заклинивание изменяемой геометрии

Многим владельцем поддержанных автомобилей достаётся при покупке турбина с заклиниванием. Речь идёт о компрессорах с возможностью изменения сечения в зависимости от оборотов транспортного средства.

При низких-компрессор сужает проход, при высоких-расширяет, благодаря кольцу из лопастей. Все это нужно для повышения эффекта от работы турбины. Такие компрессоры называются ТИГ. Изначально они применялись только на дизельных транспортных средствах, из-за работы при характерных пониженных температурах. Сейчас же все изменилось, на современные гоночные болиды ставят ТИГ.
Поскольку кольцо из лопастей постоянно в действии, в отличии от большинства деталей, оно не застраховано от заклинивания.

Признаки заклинивания геометрии

1. посредством нажатия на педаль газа, определяем дует ли из патрубков и как;
2. мощность пропала;
3. большой расход топлива;
4. при разгоне автотехника начинает дергаться;
5. на приборное панели загорелся значок «ремонт двигателя».
Обращая внимание на описанные проблемы, можно предотвратить тяжелые последствия выхода из строя турбины и двигателя.

Причины изменения геометрии турбины

1. Обычный износ подвижных деталей, в результате возникает большая подвижно деталей.
2. Нагар, сажа, скапливающая толстым чёрным слоем на кольце с лопастями, что приводит к заклиниванию системы, когда лопасти работают медленно или вообще не прекращают функционировать.
3. Не профессиональное техническое обслуживание, приводящие к попаданию через коллектор в лопасти мелких частиц деталей.
4. Не герметичность проводящих трубок, с попаданием пыли, песка, грязи в крыльчатку.
Износ-расшатывание деталей
Нагар, и другие скопления на лопастях во многом зависят от качества моторного масла, заливаемого в автотехнику, о смешении разных видом масла. Рекомендуется использовать только оригинальное масло, используемое заводом-изготовителем транспортного средства.
Сажа напрямую образуется на деталях турбины в результате залива автолюбителем в бензобак некачественного топлива. Эксплуатация транспортного средства так же влияет на образование сажи. Езда с холодным двигателем, при пониженных оборотах — причины образований.
Все описанные причины приводят к малой работоспособности, или её отсутствию вообще.
Убрать новообразования с лопастей и восстановить нормальную работу турбокомпрессора не всегда удастся обычной прочисткой. В запущенных случаях возможна замена уже поврежденных деталей.

Профилактика «заклинивания» геометрия турбокомпрессора

1. Качественная заливка топлива.
2. Использование специального масла, без смешивания.
3. Езда на скорости прочищает нагар, сажу.
4. Техническое обслуживание и ремонтные работы должны проводится только профессиональными мастерами.

Турбина и двигатель в транспортном средстве связанные между собой вещи, плохая работа турбины обязательно приведёт к поломке двигателя, и наоборот. Производить ремонтные работы без профессиональных мастеров чревато отказом работы техники.

Турбина с изменяемой геометрией: как обойти недостатки?

Турбокомпрессор в дизельном двигателе – центральный элемент комфортного и динамичного управления автомобилем. Благодаря турбине, машины даже с небольшим объёмом двигателя становятся настоящими суперкарами, существенно прибавив в мощности.

Но у турбо-технологии есть один недостаток, который водители называют “турбояма”. Он проявляется в снижении мощности двигателя на малых оборотах. Поскольку турбокомпрессор разгоняют выхлопные газы, на небольших оборотах их становится недостаточно для набора оптимальной скорости работы.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией и её преимущества

Убрать турбояму позволяет установка агрегата с меньшим сечением проточной части. Но на высоких оборотах это станет преградой для входящего воздуха и только ограничит мощность двигателя.

По словам специалистов компании Турбомикрон, вариант с изменяемой геометрией объединяет преимущества узла с небольшим сечением на малых оборотах и большого турбокомпрессора на высоких. Работает система так:

• вокруг крыльчатки, которую разгоняют отработанные газы, устанавливаются специальные регулируемые лопатки;
• в момент недостаточного давления газов лопатки изменяют геометрию потока, ускоряя его и повышая производительность турбокомпрессора;
• при наборе мощности вакуумный клапан плавно регулирует геометрию открытия канала, обеспечивая в любой момент времени оптимальные условия работы двигателя.

Такой принцип работы позволяет без существенного изменения конструкции двигателя обойти все недостатки стандартных турбин:

• пропадает провал (турбояма) в тяге на низких оборотах;
• уменьшается расход топлива за счёт более полного сгорания;
• снижается рабочая температура отработанных газов и двигателя;
• увеличивается ресурс двигателя за счёт повышения КПД его работы.

Поломки турбины и их диагностика

Но не лишена такая конструкция и недостатков. К популярным “болезням” турбокомпрессоров добавляется еще и образование нагара, который мешает нормальному функционированию лопаток. Затрудненное или неполное закрытие/открытие лопаток приводит к двум негативным последствиям:

1. передув – когда на высоких оборотах лопатки не отбрасываются, создаётся избыточное давление в системе подачи воздуха. В результате такой неисправности обедняется топливная смесь и даже происходит подрыв выпускных клапанов. Двигатель троит и отказывается работать на высоких оборотах;
2. недодув – обратная сторона предыдущей проблемы, при которой ярко проявляется турбояма.

Восстановление геометрии турбины

В компании Турбомикрон рассказали, что ремонт турбин с поломками геометрии выполняется только путем механической чистки и устранения причины перебоев в работе системы, поскольку кроме засора лопаток нагаром, причина плохой работы геометрии может быть в изношенном клапане актуатора.

Безусловно, работу по восстановлению агрегата лучше доверить профессионалам. Кроме быстрого определения проблемы и качественного решения, они правильно отрегулируют работу геометрии на специальном стенде. Сделать это в домашних условиях не только трудно, но и чревато дополнительными проблемами. Плюс, специалисты дадут гарантию на свою работу от 1 до 3 лет. Это удобно и надежно.

Объяснение технологии: изменяемая геометрия турбины

Объяснение технологии: изменяемая геометрия турбины

В турбокомпрессоре

выхлопные газы используются для привода насоса с турбинным приводом, который нагнетает воздух во впускной коллектор под давлением, превышающим атмосферное (отсюда и термин «принудительная индукция»).

Чем больше турбокомпрессор, тем больше давление на входе в двигатель, что приводит к большей топливно-воздушной смеси и большей мощности. Однако постоянное прикручивание более крупных турбин с целью увеличения мощности приводит к внутреннему недостатку турбонагнетателя: задержке.

Чтобы противостоять этому, меньшие турбокомпрессоры (с их более легкими турбинами) требуют меньшего усилия для раскрутки, что приводит к увеличению отклика. Тем не менее, из-за своего меньшего размера они не могут удовлетворить потребность двигателя в большем количестве воздуха на более высоких скоростях.

Тем не менее, чтобы обеспечить лучшее из обоих миров, Porsche с 2005 года использует технологию изменяемой геометрии турбины в своих двигателях с турбонаддувом.

Изменяемая геометрия турбины была представлена ​​на Porsche 997 Turbo первого поколения.

Хотя это решение нашло свое применение в турбодизельных двигателях более 20 лет назад, более высокие температуры выхлопных газов бензиновых двигателей Porsche с принудительной индукцией (около 1000 градусов Цельсия) затрудняли внедрение этого решения.

Тем не менее, благодаря технологии материалов 21-го века и использованию Porsche дополнительной системы водяного охлаждения (с инерционным насосом) VTG стала возможной на первом поколении 997 Turbo.

Внутри корпуса турбокомпрессора Porsche VTG, с внешней стороны турбины, находится набор направляющих лопаток.Положение этих лопастей с электронным управлением можно регулировать в зависимости от частоты вращения двигателя.

На низких оборотах система Motronic ECU наклоняет направляющие лопатки, пока они не станут почти плоскими, создавая небольшой зазор, через который проходит выхлопной газ. Проходя через небольшой зазор, газ ускоряется, вращая турбину с большей силой, чем турбина без VTG.

Турбонагнетатель VTG в тихоходном режиме с закрытыми направляющими лопатками.

Это позволяет турбокомпрессору «раскручивать» быстрее, что приводит к улучшенному отклику на низких частотах.Как только уровень наддува достигает 1 бара (в 997 Turbo), направляющие лопатки открываются с помощью регулятора с электрическим приводом в течение 100 миллисекунд.

Это создает большую площадь, через которую проходит выхлопной газ, улучшая «дыхание» турбокомпрессора на высоких оборотах двигателя и устраняя необходимость в перепускном клапане. Это позволяет турбокомпрессору продолжать работать эффективно, что приводит к знаменитой плоской кривой крутящего момента Turbo.

Наши онлайн-функции «Объяснение технологий» — идеальный способ освежить в памяти все более сложные инженерные разработки Porsche.Прочтите их все здесь.

Турбокомпрессор VTG в высокоскоростном режиме с открытыми направляющими лопатками.

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

Турбокомпрессор — это наиболее распространенная технология, которая используется в двигателях внутреннего сгорания для принудительной подачи всасываемого воздуха. Основными компонентами турбонагнетателя являются турбина и компрессор. Роль турбины заключается в использовании тепловой и кинетической (турбонагнетатели 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 турбонагнетатель (с фиксированной геометрией) и как работает турбонаддув, прочтите статьи:

Из-за геометрии и работы в другом диапазоне скоростей существует несоответствие между потоком выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. и радиальный поток турбокомпрессора. Если геометрия (проходное сечение) турбины спроектирована таким образом, чтобы соответствовать полной скорости и нагрузке двигателя (большая площадь), на низких и средних оборотах реакция турбонагнетателя будет плохой.Если геометрия турбины подобрана для быстрого отклика (малая площадь), когда двигатель будет работать на высокой скорости, могут быть достигнуты пределы дросселирования, и турбокомпрессор может выйти за пределы скорости или давление всасываемого воздуха может превысить максимальный предел.

Идеальный турбокомпрессор должен обеспечивать необходимое давление всасываемого воздуха (наддув) независимо от рабочей точки двигателя (скорости 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 выхлопных газов невелик, поэтому скорость вала турбокомпрессора мала, что означает низкий наддув воздуха. С другой стороны, при высоких оборотах двигателя массовый расход выхлопных газов высок, также высока скорость вала турбокомпрессора, что приводит к высокому наддува (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 длине.

Изображение: Непрерывность потока жидкости

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

В большей области A ₁ жидкость собирается иметь определенный массовый расход [кг / с]. Поскольку масса жидкости сохраняется, для того, чтобы можно было пропустить ту же массу через меньшую область A ₂ , скорость жидкости должна быть увеличена.

Следующие законы применяются к жидкости, протекающей по трубе с переменным диаметром:

\ [A_1 \ cdot v_1 = A_2 \ cdot v_2 = \ text {const.2} {2} + p_1 = \ text {const.} \ Tag {2} \]

ρ [кг / м ³ ] — плотность жидкости

Это означает, что на участке с более низкой скоростью жидкости в порядке чтобы поддерживать постоянную сумму между членами, давление должно быть увеличено. Это называется закон Бернулли .

Подводя итог, для жидкости, протекающей через два поперечных сечения с разными площадями, справедливы следующие соотношения:

\ [\ begin {split}
A_1> A_2 \\
p_1> p_2 \\
v_1
\ end { split} \]

Передаточное отношение A / R турбокомпрессора

Важной геометрической характеристикой (параметром) турбокомпрессора является отношение A / R , где A — площадь поперечного сечения на входе турбины / компрессора, а R — радиус от оси турбонагнетателя до центра тяжести области A.

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

Изображение: Передаточное отношение турбонагнетателя (1)

Изображение: Передаточное отношение турбокомпрессора (2) Кредит: Honeywell Garrett

Производительность турбины зависит от Соотношение A / R корпуса и оказывает значительное влияние на общую производительность турбокомпрессора.

Малое передаточное отношение A / R увеличит скорость выхлопного газа, когда он входит в колесо турбины, компрессор будет вращаться быстрее и обеспечит увеличение наддува всасываемого воздуха. Отрицательным эффектом небольшого отношения A / R является тангенциальный поток выхлопных газов в турбинное колесо, что снижает пропускную способность турбокомпрессора. Следствием этого является повышенное противодавление в выпускном коллекторе на высоких оборотах двигателя, что приводит к затрудненному газообмену (выхлопные газы против.всасываемый воздух) двигателя и снижение пиковой мощности.

A большое передаточное отношение A / R улучшает пропускную способность турбокомпрессора на высоких оборотах двигателя, уменьшая противодавление в выпускном коллекторе. Это улучшит способность двигателя «дышать» (обмен газа) на высоких оборотах и ​​подтолкнет пиковую мощность к более высоким значениям. Недостатком является то, что при низких и средних оборотах двигателя скорость выхлопных газов будет ниже (из-за большей площади проходного сечения) и увеличение наддува всасываемого воздуха будет медленнее (турбо-задержка).

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

Для лучшего понимания давайте возьмем в качестве примера два турбокомпрессора с разными передаточными числами и один и тот же базовый двигатель (6 цилиндров объемом 3 литра). ).

Передаточное отношение A / R	Характеристики турбокомпрессора	Характеристики двигателя / транспортного средства
0,83	низкая пропускная способность высокая скорость потока быстрый отклик наддува воздуха высокое противодавление выхлопных газов	Двигатель: высокий крутящий момент на низких оборотах быстрый отклик крутящего момента ограниченная пиковая мощность Автомобиль: быстрое ускорение с места удовольствие от вождения подходит для городского движения
1.22	высокая пропускная способность низкая скорость потока более медленная реакция наддува воздуха (турбо-задержка) низкое противодавление выхлопных газов	Двигатель: малый крутящий момент на низких оборотах медленная реакция крутящего момента выше пиковая мощность Автомобиль: Плохое ускорение с места более высокая максимальная скорость подходит для вождения за городом

В двух словах, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией (VGT) сочетают в себе преимущества небольшое соотношение A / R и большое соотношение A / R в одном устройстве , объединяющем преимущества обоих типов.

Типы турбонагнетателей с изменяемой геометрией

Турбонагнетатели с изменяемой геометрией означают переменных передаточных отношений . Единственный реальный способ получить переменное отношение A / R — это изменить площадь 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
• улучшения времени отклика турбонагнетателя во время переходных фаз работы двигателя
• увеличения максимальной готовности двигателя крутящий момент
• предотвращает чрезмерное усиление при высоких оборотах двигателя
• снижает выбросы выхлопных газов и улучшает экономию топлива

В зависимости от 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 соотношение A / R.

Наиболее распространенными типами турбонагнетателей с изменяемой геометрией являются:

• поворотные лопатки
• подвижная стенка
• скользящее кольцо
• регулируемая площадь

Поворотные лопатки Турбонагнетатели с изменяемой геометрией

Поворотные (вращающиеся) лопатки широко используются в турбокомпрессорах для пассажиров. применения в транспортных средствах, и они являются наиболее распространенным типом турбокомпрессоров с изменяемой геометрией (VGT).

Изображение: Турбокомпрессор с изменяемой геометрией — компоненты

1. кожух турбины
2. рабочее колесо турбины
3. лопатки
4. унисонное кольцо
5. регулируемое кольцо
6. рычажная система
7. колесо компрессора
8. корпус компрессора
9. привод компрессора
10. площади проходного сечения турбины достигается вращающимися лопатками (3). Они механически связаны с регулируемым кольцом (5), которым управляет пневматический привод (9) через систему механических рычагов (6).

    В зависимости от рабочей точки двигателя модуль управления двигателем (ЕСМ) регулирует давление воздуха в пневматическом приводе, который закрывает или открывает поворотные лопатки.

    Изображение: Узкое отверстие лопасти Кредит: Volvo
    Изображение: VGT (узкое отверстие лопасти) Кредит: BorgWarner	Изображение: Поток выхлопных газов (узкое отверстие лопасти) Кредит: BorgWarner

    При низких оборотах двигателя лопатки находятся в узком положении, площадь поперечного сечения для потока выхлопных газов мала, соотношение A / R находится на минимальном значении, а скорость выхлопной газ через турбину на максимуме.Это приводит к высокой скорости компрессора и сильному наддува всасываемого воздуха.

    Изображение: Широкое отверстие лопасти Кредит: Volvo
    Изображение: VGT (широкое отверстие лопасти) Кредит: BorgWarner	Изображение: Поток выхлопных газов (широкое отверстие лопасти) BorgWarner

    При высоких оборотах двигателя лопатки находятся в широком положении, площадь поперечного сечения для потока выхлопных газов большая, соотношение A / R находится на максимальном значении, а скорость выхлопные газы через турбину по минимуму.Скорость компрессора будет ниже, но достаточной для обеспечения необходимого наддува всасываемого воздуха.

    Кроме того, увеличивается пропускная способность турбины, что снижает противодавление выхлопных газов и позволяет двигателю нормально «дышать».

    Положение лопаток (соотношение A / R) можно регулировать от минимального (полностью закрытого) до максимального (полностью открытого) положения. Точное положение лопаток зависит от рабочей точки двигателя внутреннего сгорания (скорости и крутящего момента) и регулируется модулем управления двигателем (ECM) или модулем управления трансмиссией (PCM).

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

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

    Наиболее распространенная конструкция турбокомпрессора с изменяемой геометрией вращающиеся лопатки (аэродинамические поверхности), расположенные как ламели в оконной шторке вокруг турбинного колеса. Эти лопатки перемещаются для регулирования площади поперечного сечения потока выхлопных газов через турбину.Лопатки установлены в корпусе турбины одним концом, прикрепленным к корпусу пальцами. Другой конец лопасти соединен штифтом с пластиной, называемой унисонным кольцом. Вращение этого унисонного кольца заставляет все лопатки вращаться вокруг фиксированной точки поворота.

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

    Узел поворотных лопаток также известен как кольцо сопла .

    При высоких температурах выхлопных газов сухое трение металл о металл между лопатками, шарнирами и кольцом может быть проблематичным и вызвать заедание механизма поворота.Если они застрянут в открытом положении, работа двигателя на низких оборотах будет плохой. Если лопатки застревают в закрытом (узком) положении, на высоких оборотах двигателя будет значительное противодавление выхлопных газов, что приведет к превышению скорости и даже к отказу турбины.

    Поворотные лопатки чаще всего используются в дизельных и бензиновых двигателях легковых автомобилей.

    Турбокомпрессор с изменяемой геометрией с подвижной стенкой

    Другой способ получения переменного соотношения A / R — использование подвижной стенки внутри турбокомпрессора.Между подвижной стенкой и корпусом турбины будет создаваться переменная площадь поперечного сечения.

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

    1. колесо компрессора
    2. датчик скорости вала
    3. пневмопривод
    4. неподвижный кожух
    5. колесо турбины
    6. скользящее сопло и лопатки (подвижная стенка)
    7. толкатель и втулки
    8. рабочая вилка

    В этой конструкции подвижная стенка (6) содержит кольцо сопла, а лопатки закреплены 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 прорези.

    Изображение: Турбокомпрессор со скользящим соплом — узкий Кредит: Cummins Turbo Technology

    Изображение: Турбокомпрессор со скользящим соплом — широкий Кредит: Cummins Turbo Technology

    При низких оборотах двигателя , Кольцо форсунки сдвинуто вправо, уменьшая площадь поперечного сечения и соотношение A / R.Это приведет к увеличению скорости выхлопных газов, турбонагнетатель будет вращаться быстрее, а наддув всасываемого воздуха увеличится.

    Когда кольцо форсунки (подвижная стенка) находится в крайнем левом положении, площадь поперечного сечения для потока выхлопных газов максимальна. Передаточное отношение A / R также находится на максимальном значении, когда двигатель работает на высокой скорости .

    По сравнению с конструкцией поворотных лопаток, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией с подвижной стенкой имеют преимущество в том, что они имеют меньшее количество движущихся частей, что означает меньшее количество точек износа и лучшую надежность (меньше шансов на отказ).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 является высокая стоимость изготовления, в основном из-за малого зазора и минимального контакта между лопатками соплового кольца и отверстиями в кожухе.

    Конструкция с подвижной стенкой чаще всего используется в дизельных двигателях коммерческих автомобилей. Например, Scania использует в своих дизельных двигателях турбонагнетатель с изменяемой геометрией (VGT) со скользящим соплом.

    Изображение: Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) — лопасть
    Кредит: Scania

    1. воздухозаборник
    2. компрессорное колесо
    3. выпускное отверстие наддувочного воздуха
    4. датчик скорости
    5. привод
    6. скользящее сопло-кольцо
    7. выпускное колесо
    8. турбинное колесо
    впуск газа
    9. выпуск выхлопного газа

    Геометрия и поток газа в турбокомпрессоре с изменяемой геометрией регулируются скользящим сопловым кольцом, которым управляет электрический привод.Это позволяет точно контролировать как наддувочный воздух, поступающий в двигатель, так и поток рециркуляции отработавших газов.

    Поток всасываемого воздуха можно оптимизировать во всем диапазоне рабочих скоростей 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, поддерживая частоту вращения турбины во время переключения передач.

    Турбокомпрессор с изменяемой геометрией с подвижным кольцом

    Конструкция сайдингового кольца аналогична архитектуре подвижной стены.Основное отличие состоит в том, что лопатки закреплены в неподвижной пластине сопла. Изменение площади поперечного сечения потока выхлопных газов осуществляется подвижным (осевым) кольцом.

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

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

    В закрытом (узком) положении скользящий Кольцо расположено близко к сопловой пластине, и весь поток выхлопных газов проходит через лопатки.Это положение с наименьшим соотношением A / R, высокой частотой вращения вала и большим наддувом всасываемого воздуха.

    Когда скользящее кольцо отходит на от сопловой пластины, выхлопной газ частично обходит лопаточный узел и попадает непосредственно в турбину. В этом положении турбина имеет более высокое соотношение A / R, более низкую скорость вращения вала, а компрессор обеспечивает более низкий наддув.

    Турбокомпрессор с изменяемой площадью

    Турбонагнетатель с регулируемой геометрией с поворотными лопастями обеспечивает изменяемое соотношение A / R за счет вращения лопаток вокруг их точки поворота.Главный недостаток этой технологии — сложная и дорогостоящая механическая система.

    Айсин Сейки разработал турбокомпрессор с изменяемой геометрией, который имеет гораздо более простую механическую систему, что снижает стоимость производства и повышает надежность. Турбокомпрессор с регулируемым потоком (VFT), разработанный Aisin Seiki, основан на принципе переменного сечения. Корпус турбины имеет две спирали, внутреннюю и внешнюю. Центральный поворотный клапан направляет поток выхлопных газов через внутреннюю, внешнюю или обе лопасти, в зависимости от рабочей точки двигателя (скорости и крутящего момента).

    Вдоль стенки турбокомпрессора, между внутренней и внешней спиралями, также есть несколько неподвижных лопаток, которые помогают перенаправлять поток выхлопных газов в турбинное колесо.

    По сравнению с турбонагнетателем с регулируемой геометрией с поворотными лопатками, количество компонентов в турбонагнетателе с регулируемым потоком меньше. Кроме того, есть 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.

    Изображение: Турбонагнетатель с регулируемым расходом (VFT) — низкий расход Кредит: Aisin Seiki

    Изображение: Турбонагнетатель с регулируемым расходом (VFT) — высокий расход Кредит: Aisin Seiki

    1. внутренняя спираль
    2. внешняя спираль
    3. центральный регулирующий клапан
    4. неподвижные лопатки

    При низкой частоте вращения двигателя (низкий расход выхлопных газов) центральный клапан (3) полностью закрывается, и выхлопной газ проходит через внутренняя спираль (1), которая имеет меньшую площадь поперечного сечения и соотношение A / R.В этом состоянии поток выхлопных газов во внешнюю спираль отсутствует, хотя между внешней и внутренней спиралями есть проходы, поскольку внешняя спираль (2) рассматривается как камера со статическим давлением.

    При высоких оборотах двигателя (высокий расход выхлопных газов) центральный клапан регулирует количество выхлопных газов, попадающих во внешнюю спираль. Газ, поступающий во внешнюю спираль, подается во внутреннюю спираль через неподвижные лопатки и сливается с потоком во внутренней спирали.Направление потока к ротору турбины представляет собой комбинацию векторов двух потоков. Изменение угла потока к ротору турбины может управлять скоростью турбины и, следовательно, регулировать давление на входе турбины (противодавление выхлопных газов двигателя).

    Турбонагнетатель с регулируемым потоком (VFT) — это гораздо более простой и недорогой вариант по сравнению с турбонагнетателем с регулируемой геометрией с поворотной лопастью или турбиной с подвижной стенкой. Японские производители автомобилей (Honda) интегрировали VFT как в бензиновые, так и в дизельные двигатели.

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

    Изображение: Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) — электрический привод
    Кредит: Audi

    Преимущества турбокомпрессоров с изменяемой геометрией

    По сравнению с турбокомпрессором с фиксированной геометрией, турбокомпрессор с изменяемой геометрией имеет следующие преимущества:

    • выше нижнего уровня максимальный крутящий момент : турбонагнетатель с изменяемой геометрией может улучшить максимальный крутящий момент двигателя в области нижних частот благодаря способности турбонагнетателя обеспечивать большее количество массы воздуха; это приводит к впрыскиванию большего количества топлива, следовательно, к более высокому среднему эффективному давлению и крутящему моменту
    • более быстрый отклик крутящего момента двигателя : особенно в области низких скоростей запаздывание крутящего момента двигателя сводится к минимуму из-за способности турбонагнетателя ускоряться быстрее и обеспечить необходимый наддув всасываемого воздуха
    • более высокое соотношение воздух-топливо при низких оборотах двигателя : дополнительный наддув всасываемого воздуха дает более высокое соотношение воздух-топливо (больше воздуха доступно для сгорания), что может помочь снизить выбросы выхлопных газов
    • уменьшено потери на дросселирование в выпускном коллекторе : турбокомпрессор с изменяемой геометрией не требует перепускного клапана, поскольку поток выхлопных газов регулируется поворотными лопатками, скользящим кольцом или центральным клапаном; поэтому потери на дросселирование выпускного коллектора снижаются, что увеличивает способность двигателя «дышать» (выполнять газообмен) с меньшими потерями.
    • улучшает скорость рециркуляции выхлопных газов (EGR) : для систем EGR высокого давления, когда клапан системы рециркуляции ОГ открыт, важно, чтобы давление выхлопных газов было выше, чем давление всасываемого воздуха, для обеспечения потока газа; будучи способным увеличивать противодавление в выпускном коллекторе, турбонагнетатель с изменяемой геометрией повышает эффективность системы рециркуляции отработавших газов.
    • улучшает характеристики торможения двигателем. турбина маленькая, противодавление в выпускном коллекторе будет выше; в этом случае тормозной момент двигателя будет выше, так как потребуется сжимать воздух в выхлопе на более высоком уровне.

    Изображение: Сравнение давления наддува Кредит: BorgWarner Turbo Systems	Изображение: Сравнение крутящего момента двигателя Кредит: Garrett Engine Boosting Systems
    Изображение: Сравнение мощности двигателя Кредит: Garrett Engine Boosting Systems	Изображение: Сравнение расхода топлива Кредит: Garrett Engine Boosting Systems

    AVNT ^TM — Турбокомпрессор с усовершенствованным регулируемым соплом (торговая марка: Garrett Engine Boosting Systems)

    Исследования, проведенные компанией Garrett Engine Boosting Systems, показывают значительное улучшение кривой крутящего момента двигателя благодаря улучшенному контролю над соотношением воздух-топливо.Для данной трансмиссии крутящий момент сцепления увеличился до 45%, а максимальный крутящий момент — более чем на 30%. Эти два улучшения напрямую связаны с увеличенным потоком всасываемого воздуха, создаваемым AVNT ^TM на низких оборотах двигателя.

    Кроме того, более высокая номинальная мощность до 6% также была оценена из-за способности AVNT ^TM снижать уровни наддува при высоких оборотах двигателя, тем самым снижая давление в цилиндре двигателя и тепловую нагрузку наддувочного воздуха. кулер.

    Также были продемонстрированы улучшения экономии топлива на динамометре. Возможность оптимизировать соотношение воздух-топливо, минимизировать насосные потери и работать с более высоким КПД — все это положительно влияет на удельный расход топлива на разрыв.

    В дизельных двигателях при низких оборотах можно значительно снизить выбросы дыма благодаря способности турбонагнетателя регулировать соотношение воздух-топливо. Выбросы NO _x также могут быть уменьшены за счет повышенного противодавления в выпускном коллекторе.Отрицательная разница давления в двигателе (давление в выпускном коллекторе выше давления во впускном коллекторе) увеличивает поток выхлопных газов во впускной коллектор.

    В зависимости от производителя турбокомпрессоры с изменяемой геометрией имеют разные аббревиатуры, но все они достигают одного и того же: изменяемое соотношение A / R турбины :

    • VGT — Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (Cummins, Holset)
    • VNT — Турбина с регулируемым соплом (Honeywell Garrett Turbo Systems)
    • VFT — Турбокомпрессор с регулируемым потоком (Aisin Seiki)
    • VTG — Турбина с изменяемой геометрией (BorgWarner

      ) и ABG 9014 — Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (IHI Turbo)

    • VTA — Изменяемая площадь турбины (MAN Diesel Turbo Systems)

    Как работает турбокомпрессор с изменяемой геометрией для судовых двигателей?

    Чтобы добиться максимальной эффективности от судовых двигателей, они должны работать на самых высоких номинальных оборотах.Однако при соблюдении нескольких норм, правил дорожного движения, коэффициента топливной эффективности и т. Д. Судовые двигатели не всегда могут работать на высокой скорости. Когда частота вращения двигателя уменьшается, подача воздуха от турбонагнетателя также уменьшается, что приводит к нехватке воздуха в пространстве сгорания, что приводит к неправильному сгоранию и увеличению расхода топлива. Чтобы решить эту проблему, устанавливаются вспомогательные воздуходувки. Эти воздуходувки работают при особо низких нагрузках.

    Турбокомпрессор

    с изменяемой геометрией или с регулируемым углом поворота турбины (VTA) Турбокомпрессор — это решение для подачи достаточного количества продувочного воздуха в цилиндр судового двигателя во всех диапазонах нагрузки.Давайте узнаем, что такое VTA и как оно работает.

    Что такое турбокомпрессор с изменяемой геометрией или VTA?

    A VGT или VTA — это турбокомпрессор, в котором подвижные лопатки заменены обычными неподвижными лопатками, которые могут изменять угол наклона для управления потоком выхлопных газов на лопатках турбины. Это помогает системе управления двигателем сбалансировать объем воздуха с топливом во всем диапазоне нагрузок двигателя.

    Работа VTA

    VGT или VTA состоит из сопловых колец, снабженных регулируемыми лопатками для изменения угла наклона.

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

    Положение лопатки или угол регулируется управляющим кольцом, соединенным с электродвигателем позиционирования через редуктор.

    Система управления управляет работой позиционного двигателя, управляемого микропроцессором. Таким образом, положение или угол лопаток изменяется после сравнения сигналов обратной связи: — давления воздуха после вентилятора и температуры выхлопных газов до и после турбонагнетателя.

    Преимущества VTA

    • Работает во всем диапазоне нагрузок двигателя
    • Устраняет необходимость во вспомогательном нагнетателе
    • Снижает расход топлива
    • Снижает выброс дыма выхлопными газами и, следовательно, загрязнение воздуха
    • Низкие выбросы CO ₂ , NOx и Sox ​​
    • Уменьшает образование сажи и нагара в пространстве сгорания и выхлопных газах
    • Уменьшает засорение деталей двигателя
    • Повышает эффективность двигателя

    
    Если у вас есть какие-либо вопросы, не стесняйтесь задавать их нам в комментариях ниже.

    Ищете практичные, но доступные морские ресурсы? Ознакомьтесь с цифровыми руководствами Marine Insight: Электронные книги для палубного отдела — Ресурсы по различным темам, связанным с палубным оборудованием и операциями. Электронные книги для машинного отделения — Ресурсы по различным темам, связанным с механизмами и операциями машинного отделения. Экономьте по-крупному с помощью комбо-пакетов — Пакеты цифровых ресурсов, которые помогут вам сэкономить по-крупному и включают дополнительные бесплатные бонусы. Электронные книги по судовым электрическим системам — Цифровые ресурсы по проектированию, обслуживанию и поиску и устранению неисправностей морских электрических систем

    Теги: судовые дизельные двигатели Судовые двигатели турбокомпрессоры

    Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией

    Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией

    Thomas Veltman

    
    24 октября 2010 г.

    Представлено как курсовая работа по физике 240, Стэнфордский университет, осень 2010 г.

    Детали и функции турбокомпрессора

    Фиг.1: Мультяшная схема двигатель с турбонаддувом. Выхлопные газы проходят через трубку, которая приводит в действие компрессор, который подает в двигатель больше воздуха, позволяя сжечь больше топлива.

    Турбокомпрессор состоит из двух основных компоненты, турбина и компрессор. Функция турбины: для сбора отработанного тепла выхлопных газов и преобразования его во вращательное движение. Это вращательное движение затем используется для привода компрессора, который сжимает воздух для потребления двигателем.Цель позади турбонагнетатель призван преодолеть фундаментальный недостаток внутреннего двигатель внутреннего сгорания, предел его объемного КПД. Чертеж двигателя воздух, поступающий из атмосферы, может достичь только объемного КПД до 100%, что означает, что давление внутри отдельного баллона равное атмосферному давлению во время цикла впуска. Поскольку мощность, которую можно извлечь из двигателя, равна пропорционально сжигаемому топливу, а расход топлива ограничен на количество воздуха, присутствующего в цилиндре, умноженное на количество цилиндров (так называемый «смещение»), объемный КПД limit эффективно ограничивает мощность двигателя.Сделать двигатель более мощный, нужно увеличить его смещение.

    К сожалению, следствием этого является то, что двигатель сжигает больше топлива при любых условиях, что отрицательно сказывается на его расход топлива. Турбокомпрессор представляет собой альтернативное средство извлечение большей мощности из заданного смещения за счет увеличения объемный КПД до точек, значительно превышающих 100%. Давление в цилиндрах больше атмосферного, благодаря компрессору на турбокомпрессоре.Можно задаться вопросом, как это улучшает вообще экономия топлива. Из-за того, как бензиновые двигатели управляемый, оказывается, что турбокомпрессор можно настроить только на функции, когда требуется дополнительная мощность, так что большую часть времени турбонагнетатель не влияет отрицательно на экономию топлива (возможно, 5% общее снижение), но при необходимости двигатель может вращаться значительно больше мощности. [1]

    Экономия топлива и турбонаддув

    Очевидно, что сжигание большего количества топлива даст больше энергии, но, производя дополнительную мощность только тогда, когда это необходимо, общая экономия топлива может быть вообще законсервированным.Турбонаддув двигателя, не предназначенного для задача (например, установка турбонагнетателя на вашу машину) приведет к небольшому потеря топливной экономичности в условиях малой нагрузки (т. е. движение по по трассе и не разгоняется), но увеличивают выходную мощность значительно, когда педаль газа нажата. Разумный приближение для увеличения мощности — перепад давления в коллекторе (PR). Это отношение давления в двигателе к атмосферному. Когда турбокомпрессор работает, он создает PR больше 1.К оцените выходную мощность такой установки на болтах, просто умножьте лошадиных сил двигателя до установки турбонагнетателя ПР турбокомпрессор выдает. PR, равный 2, даст примерно двойную «заводские» лошадиные силы. Обратите внимание, конечно, что удвоение вашего лошадиных сил удваивает ваш расход топлива, поэтому под нагрузкой ваше топливо экономия будет значительно хуже. Однако тот факт, что турбонагнетатель производит мощность по требованию означает, что смещение при желании двигатель можно опустить, не жертвуя мощностью.

    Идеальное решение — производство небольших двигателей, которые может безопасно выдерживать высокие отношения давления, тем самым позволяя максимальное снижение потребности в топливе при нормальной работе без жертвуя максимальной производительностью мощности. Это относительно простая инженерная задача по перепроектированию двигателя таким образом, чтобы давление на входе можно поднять. Получается, что понижение степень сжатия от 11: 1 до 8: 1 позволяет турбокомпрессору генерировать PR около 1,6. Объем двигателя можно было уменьшить на 34% и по-прежнему достигают той же мощности.Это уменьшение сжатия соотношение приводит к 10% потере эффективности. Как упоминалось выше, сам турбо увеличивает расход топлива примерно на 5% за счет ограничение выхлопа.

    Теперь полезно рассмотреть реальный пример. Honda Civic (ES) 2001 года оснащена 1,67-литровым двигателем мощностью 127 лошадиных сил (с степень сжатия 9,9: 1), но требуется всего около 15 лошадиных сил для преодолеть сопротивление воздуха на скорости 65 миль в час. [2] Однако двигатель Сообщество производительности предполагает, что степень сжатия более 11: 1 безопасен на насосном газе.[3] Если уменьшить объем двигателя на 34%, примерная мощность по всему диапазону работы будет около На 34% меньше. При скорости 65 миль в час обычный двигатель производит около 55 км / ч. Лошадиные силы. Поэтому двигатель с турбонаддувом, без турбонаддува при такой скорости выдает всего 37 лошадиных сил. Впустую мощность (и, следовательно, топливо) была уменьшена примерно на 55% за счет снижение смещения. Затем необходимо исправить турбо ограничение и уменьшение степени сжатия, что приведет к чистое сокращение потерь топлива на 36%, или на 28% в целом.

    Недостаток традиционных турбонагнетателей

    Рис.2: Влияние отношения A / R на поток выхлопных газов скорость и пропускная способность.

    Характеристики турбин приводных турбонагнетателей по двум основным параметрам: соотношению A / R и радиусу турбины. Соотношение A / R составляет отношение площади прохода выхлопных газов к радиусу от от центра турбинного колеса до точки, определяющей центр этого area1.Турбокомпрессоры сконструированы таким образом, что соотношение A / R всегда равно постоянный: поскольку выхлопные газы направляются ближе к турбине колеса, площадь, через которую проходит газ, становится меньше. Направляя выхлоп вниз в меньшую область производит поток с более высокой скоростью; а поток с более высокой скоростью передает большую мощность турбинному колесу. это Тогда ясно, что турбина может приводить компрессор в движение на более высокой скорости (и, таким образом, создают большее давление внутри двигателя), когда A / R соотношение низкое.К сожалению, с увеличением скорости газа увеличивается и давление выхлопных газов. Для того же расхода выхлопных газов из двигателя, больший A / R создает меньшее давление, чем меньший A / R. Когда При проектировании реальной системы важны оба эти фактора. Используя традиционные турбокомпрессоры, конструктору двигателя пришлось бы сбалансировать стремление к высокому потоку выхлопных газов для работы компрессора с низким противодавление в выхлопной системе, которое лишает двигатель эффективность, а в крайнем случае значительно снижает количество мощность, которую можно получить от двигателя.

    Фактически это означает, что существует узкий диапазон работы комбинации турбокомпрессор / двигатель, в которой способен выдавать значительно больше мощности, с хвостами на любом конец, когда мощность накапливается или падает. Это распределение власть имеет решающее значение для людей, которые на самом деле продают автомобили, поскольку они должны показать людям на тест-драйвах, что машина мощная. К сожалению, из-за взаимосвязи между соотношением A / R и выхлопом потока, дизайнер должен выбирать между быстрым появлением силы (что впоследствии лишает двигатель мощности на более высоких скоростях) или медленный начало мощности (что приводит к более мощному автомобилю на более высоких скоростях).Обычно производители, заинтересованные в продаже большого количества автомобилей, выбирают бывший вариант и калечить машину на больших скоростях в пользу 0-30 миля в час ускорения. И наоборот, производители заинтересованы в продавая высокопроизводительные автомобили, выбирайте последний вариант, что делает машина кажется не очень быстрой на малых скоростях, но однажды на шоссе, машина светится, так как турбокомпрессор работает в своей оптимальный диапазон. Однако скорости, с которыми вы, возможно, захотите количество энергии, как правило, составляет от 25 до 70 миль в час, так как это разумный диапазон, в котором вы хотели бы набрать скорость на шоссе, или как вариант, обогнать по шоссе более медленно движущийся автомобиль.Следовательно, это ясно, что не каждый автомобиль с турбонаддувом действительно работает в истинном идеальный ассортимент, а скорее в диапазоне, специально разработанном для продажи автомобиля невежественным покупателям.

    Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией — решение проблемы

    Рис. 3: Схема переменной геометрии Механизм в турбокомпрессоре Holset, вид сбоку. На вставке показан вид спереди на пластинчато-пластинчатый механизм скольжения.Пунктирный линия — вторая неподвижная пластина. Турбинное колесо снято на четкость обоих изображений.

    Суть проблемы заключается в балансировке производительности дизайн с соотношением A / R. Однако относительно новая технология доступный, что устраняет эту потребность в балансе. Изменяемая геометрия турбокомпрессор имеет механизм, с помощью которого можно изменять площадь впуска достичь оптимального A / R для данной скорости потока. Это достигается изменение набора аэродинамических лопаток, направляющих поток выхлопных газов на турбинное колесо.Недавно мне довелось разобрать турбокомпрессор с изменяемой геометрией производства Holset, и я обнаружил, что их лопатки закреплены на скользящей пластине. Лопатки и пластина могут быть перемещается как единое целое, так что пластина может частично препятствовать впускному отверстию для турбину, тем самым уменьшая соотношение A / R. Эту пластину можно перемещать таким что входное отверстие почти полностью забито или полностью втянуто, чтобы не оказывают сопротивления потоку. Лезвия в фиксированном положении входят и из вырезов на второй фиксированной пластине, которая используется для обеспечения того, чтобы выхлоп может перемещаться только по лопастям.

    Используя эту изменчивость, можно сохранить турбина работает практически при всех оборотах двигателя. Отбросив A / R передаточное число на низких оборотах двигателя (когда поток выхлопных газов низкий), а затем увеличивая постепенно по мере увеличения оборотов (и, следовательно, увеличения потока выхлопных газов), впуск скорость может поддерживаться на высоком уровне без увеличения противодавления выхлопных газов существенно. Это, в свою очередь, означает, что турбокомпрессор может работать. во всем рабочем диапазоне двигателя. Фактически, поскольку настоящий двигатель не имеет пологой кривой мощности по отношению к оборотам, турбо можно было бы контролировать таким образом, чтобы искусственно сгладить кривую так что двигатель имеет одинаковую выходную мощность независимо от его скорости.Это значительно упрощает проектирование трансмиссии и позволяет один, чтобы использовать передаточные числа, разработанные для лучшего ускорения, что еще больше улучшает характеристики автомобиля.

    Рис. 4: Гипотетические кривые мощности для двигатель с регулируемым турбонаддувом и без него. Вот турбо используется для искусственного выравнивания кривой мощности.

    Как обсуждалось выше, размер и производительность турбо неразрывно связаны.При использовании обычных турбонагнетателей двигатель будет только производить дополнительную мощность в определенном диапазоне, определяемом A / R турбина. Это создает мертвые зоны в производительности, обычно называемые «отставание». Однако при использовании турбонагнетателя с изменяемой геометрией на месте традиционного турбокомпрессора, двигатель может соответствовать мощности атмосферный двигатель мгновенно. Водитель не заметит разница в ускорении между двумя автомобилями (регулируемый турбо не имеет «лагов»), но разницу по газу обязательно заметите насос.

    Управляемость может показаться тривиальной проблемой, однако У вариаторного турбонаддува есть еще одно главное преимущество, связанное с его уникальной дизайн. Турбокомпрессор эффективно отводит отходящее тепло от двигатель, поэтому правильная конструкция ставит турбонагнетатель как можно ближе к двигателю. можно минимизировать тепловые потери. К сожалению турбо тоже работает лучше всего, когда нет ограничения по розетке, а ставить турбо сразу после двигателя означает, что нужно поставить каталитические нейтрализаторы и глушители после турбонагнетателя, что значительно снижает мощность турбонагнетателя. умение работать эффективно.Вместо этого с переменным турбонаддувом один можно установить агрегат после каталитических нейтрализаторов (сам турбо выступает на удивление хорошим глушителем). Хотя немного тепла от выхлопа будут потеряны, каталитический нейтрализатор будет поддерживать часть тепла (выхлоп бензинового двигателя имеет тенденцию к температуре около 1500 ° F, в то время как каталитический нейтрализатор работает где-то в районе 1200-1300 °), а участки трубы между преобразователем и турбонагнетателем могут быть изолированы для дальнейшего снижения потерь. [4,5] Система с изменяемой геометрией может это более чем компенсирует понесенные тепловые потери, и, по сути, это ситуация предпочтительна, потому что более низкие температуры турбо означают, что Turbo требует меньше дорогих материалов для защиты от расплавленных компонентов и вся система будет надежнее.Каталитические нейтрализаторы по-прежнему будет держать выбросы под контролем, и турбо может работать хорошо в тех условиях.

    Математика, для тех, кто так склонен

    Обработка Honda Civic является приблизительной. один. Плотность воздуха принята равной 1,18 кг / м3, сопротивление коэффициент был принят равным 0,32, что меньше среднего для легковой автомобиль, а лобная часть была аппроксимирована прямоугольником размеры опубликованы в руководстве по эксплуатации Honda Civic 2001 года.Тащить мощность определяется уравнением [6,7]

    где ρ — плотность воздуха, v — транспортное средство. скорости, Cd — коэффициент лобового сопротивления, A — лобовая площадь.

    Мощность, необходимая для преодоления работ с сопротивлением воздуха около 10,3 кВт (14 л.с.), которые я округлил до 15 л.с. Сила двигатель производит шкалу примерно линейно с увеличением оборотов, до на пиковую мощность. [8] Исходя из этого предположения, мощность Honda составляет 65 Оценка миль в час была проведена на основе данных испытаний журнала Car and Driver, где пик приходится на 6300 об / мин, а 65 миль / ч — это 3100 об / мин на пятой передаче.[9] КПД двигателя определяется как [10]

    .

    и давление в цилиндре перед воспламенением определяется по формуле [11]

    где CR — степень сжатия двигателя, γ — коэффициент теплоемкости (1,4 для воздуха), а P ₀ — давление внутри цилиндра при его наибольшем объеме.

    Другие моменты для рассмотрения

    Современные двигатели обладают преимуществом впрыск топлива с электронным управлением и искровое зажигание, что означает что эти параметры можно изменять, чтобы уменьшить или исключить нежелательные и деструктивные события, которые могут произойти внутри двигателя, а именно искры стучать.Детонация искры возникает, когда часть топливно-воздушной смеси внутри поршень взрывается намного сильнее, чем остальная смесь, что приводит к значительному скачку давления внутри цилиндра, что крайне вредно для двигателя; искровой детонация становится более вероятной по мере того, как давление в баллоне увеличивается. [12] Уменьшение искровой детонации может быть достигается за счет снижения степени сжатия (CR, отношение общей объем цилиндра к сжатому объему цилиндра), однако понизив CR снижает эффективность двигателя.Современные двигатели могут работать на CR около 11: 1 при работе на обычном неэтилированном бензине (увеличение октанового числа бензина также снижает детонацию, но за счет цены на топливо). [3,12]

    Поскольку давление в баллоне является важным фактором влияя на искровую детонацию, давление в цилиндре предварительного зажигания может быть оценивается на основе степени сжатия двигателя, а затем используется в качестве прокси для детонации порога. Для этих современных двигателей в результате давление в баллоне примерно в 29 раз выше атмосферного.Так должно быть отметил, что существуют специально построенные двигатели, способные выдерживать давление коэффициентов выше, но мне интересно оценить средний двигатель. Если степень сжатия снижается с 11: 1 до 8: 1, степень давления, которую выдерживает двигатель, составляет около 1,6, что означает что турбо может повысить давление в системе до 1,6 раза атмосферного давление перед стуком стало проблемой.

    © Томас Вельтман. Автор дает разрешение копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с ссылка на автора, только в некоммерческих целях.Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

    Список литературы

    [1] C. Bell, Maximum Boost: проектирование, тестирование и Установка систем турбонагнетателя (Bentley Publishers, 1997), стр 13, 31-33.

    [2] Руководство по эксплуатации Honda Civic 2001 г.

    [3] S. Oldham, Sport Compact Car: Двигатель и Справочник по трансмиссии (Motorbooks International, 2003) стр. 124.

    [4] А. Э. Шваллер, Total Automotive Технология (Thomson Delmar Learning, 2005) стр.168.

    [5] Дж. Дж. Барнетт, Анализ пожара в автомобилях: An Инженерный подход (Издательство «Юристы и судьи», 2008) с. 36.

    [6] S. T. Moeller, Энергоэффективность: проблемы. and Trends (Nova Science, 2002), стр. 68.

    [7] H. C. Smith, Иллюстрированное руководство по Aerodynamics (TAB Books, 1992), стр. 65, 119.

    .

    [8] V. Hillier и P. Coombes, Основы двигателя. Vehicle Technology (Nelson Thornes, Ltd., 2004) с. 45.

    [9] Б. Уинфилд, «Хонда Civic EX Coupe — Road Test, «Автомобиль и водитель», ноябрь 2009 г. (Лист спецификаций доступен здесь.)

    [10] В. Кадамби и М. Прасад, Введение в Преобразование энергии, Vol. 2 (New Age International, Ltd., 1974) стр. 80.

    [11] J. E. Emswiler, Thermodynamics (Макгроу-Хилл, 1921) стр. 99.

    [12] К. Ф. Тейлор, Двигатель внутреннего сгорания. в теории и практике: Том 2: Сжигание, топливо, материалы Дизайн (MIT Press, 1977), стр.37, 62, 144.

    70 лет Porsche Sports Cars

    Как пионер турбо-технологий, Porsche представила в серийное производство первое в мире зарядное устройство VTG для бензиновых двигателей.

    В 2006 году 911 Turbo вошел в новое поколение с невероятным приростом мощности: оппозитный двигатель выдавал 353 киловатт (480 лошадиных сил), что на 44 киловатта (60 лошадиных сил) больше, чем у двигателя предыдущей модели, при этом отличаясь более высокой мощностью одинаковой кубатуры ровно 3.6 литров. Рост производительности произошел за счет двух турбин с изменяемой геометрией (VTG), которые были интегрированы в выпускной тракт блоков цилиндров в рамках их дебютного появления в Porsche. Только эта технология позволяет оптимально использовать весь поток выхлопных газов на всех скоростях для турбонаддува.

    Турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины сочетает в себе преимущества, предоставляемые как малыми, так и большими турбокомпрессорами. Небольшие турбокомпрессоры благодаря своему узкому сечению потока реагируют даже на небольшое количество выхлопных газов.Недостатком этого является то, что в случае увеличения скорости с более высоким расходом воздуха сопротивление потоку также возрастает. Это приводит к образованию высокого уровня противодавления, а это означает, что часть выхлопных газов должна отводиться вокруг зарядного устройства через перепускной клапан или перепускной клапан. С большими турбокомпрессорами обстоит наоборот: хотя они демонстрируют плохую отзывчивость из-за их большего поперечного сечения и большей массы турбины, уровень противодавления ниже в контексте более высокого расхода воздуха.

    Изменяемая геометрия турбины позволяет моделировать поперечные сечения соответствующего оптимального размера нагнетателя с помощью направляющих лопаток, расположенных в потоке выхлопных газов. На более низких скоростях лопатки закрываются, образуя небольшие воздушные зазоры, которые есть в небольшом турбонагнетателе. Направляющие лопатки остаются в этом положении до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое давление наддува. Если поток выхлопных газов продолжает расти по мере увеличения скорости, направляющие лопатки VTG увеличивают поток и тем самым регулируют давление наддува.Кроме того, изменяемая геометрия зарядного устройства рассчитана на то, чтобы оно могло выдерживать даже максимальную массу выхлопных газов, которая может возникнуть. Это, в свою очередь, устраняет необходимость в перепускном клапане.

    911 Turbo — первый в мире серийный автомобиль с бензиновым двигателем, оснащенный турбонагнетателем с изменяемой геометрией. Зарядные устройства VTG давно стали обычным явлением в автомобилях с дизельными двигателями. Однако температура выхлопных газов на входе в турбину дизельных двигателей составляет от 700 до 800 градусов по Цельсию, по сравнению с 1000 градусов по Цельсию для выхлопных газов в турбодвигателях Porsche.Только с разработкой высоколегированных материалов на основе никеля, обладающих экстремальной устойчивостью к высоким температурам, можно будет изготавливать зарядные устройства VTG, которые подходят для серийного производства, помимо необходимой усталостной прочности и срока службы.

    Переходная модель турбины с турбокомпрессором переменной геометрии с использованием пассивного исполнительного механизма

11. 1.

    Самохин, С .; Hyytia, J .; Zenger, K .; Ranta, O .; Blomstedt, O .; Ларми, М .: Адаптивное регулирование давления наддува для четырехтактных дизельных двигателей на судне при наличии динамических неопределенностей.IEEE Trans. Control Syst. Technol. 27 , 221–233 (2019). https://doi.org/10.1109/TCST.2017.2768425

    Статья Google Scholar

12. 2.

    Aghaali, H .; Ангстрем, Х.-Э .: Обзор турбонагнетателя как системы рекуперации отработанного тепла для двигателей внутреннего сгорания. Обновить. Поддерживать. Energy Rev. 49 , 813–824 (2015). https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.04.144

    Статья Google Scholar

13. 3.

    Feneley, A.J .; Pesiridis, A .; Андвари А.М .: Технологии турбонагнетателей с изменяемой геометрией для рекуперации энергии выхлопных газов и повышения мощности — обзор. Обновить. Поддерживать. Energy Rev. 71 , 959–975 (2017). https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.125

    Статья Google Scholar

14. 4.

    Liu, J .; Wang, H .; Zheng, Z .; Zou, Z .; Яо, М .: Влияние различных систем турбонаддува на производительность дизельного двигателя высокого давления с различными техническими способами контроля выбросов.В: 2016. https://doi.org/10.4271/2016-01-2185.

15. 5.

    Ricardo, M.B .; Апостолос, П .; Ян М.Ю .: Обзор вариантов повышения мощности для будущих двигателей меньшего размера. Sci. China Technol. Sci. 54 , 318–331 (2011). https://doi.org/10.1007/s11431-010-4272-1

    Статья Google Scholar

16. 6.

    Huang, L .; Cheng, G .; Zhu, G .; Ли, Д .: Разработка библиотеки моделей на основе графа связей для дизельных двигателей с турбонаддувом.Энергетика 148 , 728–743 (2018). https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.02.002

    Статья Google Scholar

17. 7.

    Ding, Z .; Чжугэ, В .; Zhang, Y .; Chen, H .; Мартинес-Ботас, Р .: Исследование эффекта пульсирующего потока турбины турбонагнетателя. В: Symp. Ключевые моменты; Adv. Нумер. Модель. Турбомаш. Оптимальный расход. Жидкость Мах. Ind. Environ. Прил. Жидкий мех. Насос. Машины, ASME, 2017, Vol. 1А, стр. V01AT02A008. https://doi.org/10.1115/FEDSM2017-69186.

18. 8.

    Graciano, V .; Vargas, J.V.C .; Ордонез, Дж. К. Моделирование и моделирование двигателей внутреннего сгорания с дизельным, биодизельным и биогазовым двигателями с воспламенением от сжатия. Int. J. Energy Res. 40 , 100–111 (2016). https://doi.org/10.1002/er.3286

    Статья Google Scholar

19. 9.

    Padzillah, M.H .; Rajoo, S .; Ян, М .; Мартинес-Ботас, Р.Ф .: Влияние частот пульсирующего потока на распределение углов потока в автомобильной турбокомпрессоре смешанной турбины.Energy Convers. Manag. 98 , 449–462 (2015). https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.03.028

    Статья Google Scholar

20. 10.

    Cao, K .; Newton, P .; Flora, H .; Мартинес-Ботас, Р .: Разработка нового метода управления нестационарным потоком: управление вращающимся кольцом сопла. Proc. Inst. Мех. Англ. Часть C J. Mech. Англ. Sci. 232 , 4495–4509 (2018). https://doi.org/10.1177/0954406217694280

    Статья Google Scholar

21. 11.

    Pesiridis, A .; Мартинес-Ботас, Р.Ф .: Экспериментальная оценка смешанной турбины с активным регулированием потока для применения в автомобильных турбокомпрессорах. J. Turbomach. 129 , 44 (2007). https://doi.org/10.1115/1.2372778

    Статья Google Scholar

22. 12.

    Песиридис А., Раджу С .: Стратегии активного управления турбокомпрессором с изменяемой геометрией для повышения рекуперации энергии. В: Технический документ SAE, 2013 г. https://doi.org/10.4271 / 2013-01-0120.

23. 13.

    Mérigot, Y .; Rajoo, S .; Мартинес-Ботас, Р.Ф .: Турбокомпрессор с активным управлением (ACT): метод улучшения извлечения энергии из выхлопных газов двигателя. В кн .: Микротурбины, малая турбомашина; Oil Gas Appl., ASMEDC, 2009: Vol. 5. С. 137–151. https://doi.org/10.1115/GT2009-59550.

24. 14.

    Песиридис, А .: Проблемы интеграции турбонагнетателей с активным управлением с двигателями внутреннего сгорания. Int. J. Automot. Technol. 13 , 873–884 (2012).https://doi.org/10.1007/s12239

    Статья Google Scholar

25. 15.

    Песиридис, А .: Применение активного контроля для турбин турбокомпрессоров. Int. J. Engine Res. 13 , 385–398 (2012). https://doi.org/10.1177/1468087411435205

    Статья Google Scholar

26. 16.

    Bahiuddin, I .; Mazlan, S.A .; Имадуддин, Ф .; Убайдиллах: Новая ориентированная на управление переходная модель турбокомпрессора с изменяемой геометрией.Энергетика 125 , 297–312 (2017). https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.02.123

    Статья Google Scholar

27. 17.

    Pesiridis, A .; Мартинес-Ботас Р.Ф .: Экспериментальные испытания входа турбины турбонагнетателя с активным управлением, оснащенного соплом скользящей втулки. Proc. Inst. Мех. Англ. J. Automob. Англ. 227 , 800–811 (2013). https://doi.org/10.1177/0954407012464843

    Статья Google Scholar

28. 18.

    Rajoo, S .; Pesiridis, A .; Мартинес-Ботас, Р .: Новый метод улучшения извлечения энергии выхлопных газов двигателя с помощью турбонагнетателя с активным управлением. Int. J. Engine Res. 15 , 236–249 (2014). https://doi.org/10.1177/1468087412472414

    Статья Google Scholar

29. 19.

    Symans, M.D .; Константину, М.К .: Полуактивные системы управления сейсмической защитой сооружений: современный обзор. Англ. Struct. 21 , 469–487 (1999).https://doi.org/10.1016/S0141-0296(97)00225-3

    Статья Google Scholar

30. 20.

    Bahiuddin, I .; Mazlan, S.A .; Имадуддин, Ф .; Убайдилла Б. Ичван, У.Б .: Привод на основе магнитореологического клапана для улучшения пассивно управляемой системы турбонагнетателя. В: Материалы конференции AIP, 2016: с. 030007. https://doi.org/10.1063/1.4943431.

31. 21.

    Kasprzyk, J .; Wyrwał, J .; Краузе, П .: Моделирование автомобильного амортизатора MR для полуактивного контроля вибрации.В: IEEE / ASME Int. Конф. Adv. Intell. Мехатроника, AIM, IEEE, 2014: стр. 500–505. https://doi.org/10.1109/AIM.2014.6878127.

32. 22.

    Savaresi, S.M .; Poussot-Vassal, C .; Spelta, C .; Sename, O .; Дугард, Л .: Полуактивные технологии подвески и модели. Эльзевир, Амстердам (2010). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096678-6.00002-X

    Забронировать Google Scholar

33. 23.

    Никзадфар, К .; Шамехи, А.Х .: Расширенная модель среднего значения (EMVM) для ориентированного на управление моделирования переходных характеристик дизельных двигателей и выбросов.Топливо 154 , 275–292 (2015). https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.03.070

    Статья Google Scholar

34. 24.

    Creyx, M .; Delacourt, E .; Morin, C .; Десмет, Б .: Динамическое моделирование цилиндра расширения двигателя Ericsson с открытым циклом Джоуля: подход графа связи. Энергия 102 , 31–43 (2016). https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.01.106

    Статья Google Scholar

35. 25.

    Sanchez, R .; Медина, А .: Моделирование модели ветряной турбины: подход графа связей. Simul. Модель. Практик. Теория 41 , 28–45 (2014). https://doi.org/10.1016/j.simpat.2013.11.001

    Статья Google Scholar

36. 26.

    Chen, Q .; Сюй, В .: Модель турбулентности с нулевым уравнением для моделирования воздушного потока в помещении. Энергетика. 28 , 137–144 (1998). https://doi.org/10.1016/S0378-7788(98)00020-6

    Статья Google Scholar

37. 27.

    Moyne, C .; Didierjean, S .; Amaral Souto, H.P .; да Силвейра, О.Т .: Термическая дисперсия в пористой среде: модель с одним уравнением. Int. J. Heat Mass Transf. 43 , 3853–3867 (2000). https://doi.org/10.1016/S0017-9310(00)00021-1

    Статья МАТЕМАТИКА Google Scholar

38. 28.

    Gabitto, J .; Цурис, Ч .: Модели с одним и двумя уравнениями для моделирования переноса ионов в заряженных пористых электродах. Коллоидные интерфейсы 2 , 4 (2018).https://doi.org/10.3390/colloids2010004

    Статья Google Scholar

39. 29.

    Chiong, M.S .; Rajoo, S .; Romagnoli, A .; Costall, A.W .; Мартинес-Ботас, Р.Ф .: Интеграция средних и одномерных методов для прогнозирования пульсационных характеристик турбины турбонагнетателя. Energy Convers. Manag. 81 , 270–281 (2014). https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.01.043

    Статья Google Scholar

40. 30.

    Jankovic, M.J .; Guzzella, L .; Onder, C.H .; Янкович, М.Дж .: Введение в моделирование и управление системами двигателей внутреннего сгорания. Спрингер, Берлин (2009). https://doi.org/10.1007/978-3-642-10775-7

    Книга Google Scholar

41. 31.

    Borutzky, W .; Боруцкий, И.В .: Методология графа облигаций. Спрингер, Лондон (2010). https://doi.org/10.1007/978-1-84882-882-7

    Книга МАТЕМАТИКА Google Scholar

42. 32.

    Салехи, Р .; Шахбахти, М. ,; Аласти, А; Воссуги, Г.Р .: Ориентированное на управление моделирование радиальной турбины для бензинового двигателя с турбонаддувом. В: Американская конференция по контролю, 2013 г., IEEE, 2013: стр. 5207–5212. https://doi.org/10.1109/ACC.2013.6580648

43. 33.

    Rajoo, S .; Мартинес-Ботас Р.Ф .: Неустойчивый эффект в турбине турбонагнетателя с соплами. J. Turbomach. 132 , 031001 (2010). https://doi.org/10.1115/1.3142862

    Статья Google Scholar

44. 34.

    Padzillah, M.H .; Rajoo, S .; Мартинес-Ботас Р.Ф .: Влияние скорости и частоты на производительность турбины автомобильного турбокомпрессора в условиях пульсирующего потока. Energy Convers. Manag. 80 , 416–428 (2014). https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.01.047

    Статья Google Scholar

45. 35.

    Раджу, С .: Устойчивые и пульсирующие характеристики турбины турбокомпрессора смешанного потока переменной геометрии. Кафедра машиностроения, Имперский колледж, Лондон (2007)

    Google Scholar

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией | Автопедия

Турбонагнетатель с изменяемой геометрией s ( VGT s) — это семейство турбонагнетателей, обычно предназначенных для изменения эффективного соотношения сторон (иногда называемого соотношением A / R) турбонагнетателя при изменении условий.Это сделано потому, что оптимальное соотношение сторон на низких оборотах двигателя сильно отличается от такового при высоких оборотах двигателя. Если соотношение сторон слишком велико, турбо не сможет создать ускорение на низких скоростях; если соотношение сторон слишком мало, турбонаддув будет заглушать двигатель на высоких оборотах, что приведет к высокому давлению в выпускном коллекторе, высоким насосным потерям и, в конечном итоге, к снижению выходной мощности. Изменяя геометрию корпуса турбины по мере ускорения двигателя, можно поддерживать оптимальное соотношение сторон турбины.Из-за этого VGT имеют минимальную задержку, низкий порог наддува и очень эффективны на более высоких оборотах двигателя. Во многих конфигурациях VGT даже не требуют перепускного клапана; однако это зависит от того, достаточно ли открыто полностью открытое положение, чтобы можно было постоянно контролировать наддув до желаемого уровня. Известно, что в некоторых реализациях VGT происходит избыточное ускорение, если не установлен перепускной клапан.

Наиболее распространенные конструкции
Две наиболее распространенные реализации включают кольцо лопаток аэродинамической формы в корпусе турбины на входе в турбину.Обычно для двигателей малой грузоподъемности (легковые автомобили, гоночные автомобили и легкие коммерческие автомобили) лопатки вращаются синхронно, чтобы изменить угол завихрения газа и площадь поперечного сечения. Обычно для двигателей большой мощности лопатки не вращаются, но вместо этого осевая ширина впускного отверстия выборочно блокируется аксиально скользящей стенкой (либо лопатки выборочно закрываются движущимся кожухом с прорезями, либо лопатки выборочно перемещаются относительно неподвижного кожуха с прорезями ). В любом случае область между кончиками лопастей изменяется, что приводит к изменению соотношения сторон.

Приведение в действие
Часто лопатки управляются мембранным приводом, идентичным таковому у перепускной заслонки, однако все чаще используется электрическое сервопривод. Гидравлические приводы также использовались в некоторых приложениях.

Основные поставщики
Для Mercedes Benz и дизельных двигателей TDI или других производителей — Holset he341ve VGT является вершиной линейки, но его почти невозможно найти — единственный источник, кроме дилера Cummins, — это SuperturboVGT на yahue.У них есть низкоуровневые агрегаты от испытательного центра двигателя в отличной форме. Несколько компаний поставляют турбокомпрессоры с изменяемой геометрией с вращающимися лопастями, в том числе Garrett (Honeywell), Borg Warner и MHI (Mitsubishi Heavy Industries). Конструкция с вращающимися лопастями в основном ограничена двигателями малой мощности и / или малотоннажными машинами (легковые автомобили, гоночные автомобили и легкие коммерческие автомобили). Единственным поставщиком турбокомпрессора с изменяемой геометрией с лопастными лопастями является компания Cummins Turbo Technologies, которая фактически является единственным поставщиком турбокомпрессоров с изменяемой геометрией для применений, связанных с большими двигателями и тяжелым режимом эксплуатации (т.е. грузовые автомобили и внедорожные приложения).

Другое распространенное применение
В грузовых автомобилях турбокомпрессоры VG также используются для управления соотношением выхлопных газов, рециркулируемых обратно на впуск двигателя (ими можно управлять для выборочного увеличения давления выпускного коллектора, превышающего давление во впускном коллекторе, что способствует выпуску выхлопных газов. рециркуляция (EGR)). Хотя чрезмерное противодавление двигателя пагубно сказывается на общей экономии топлива, обеспечивая достаточную скорость рециркуляции отработавших газов даже во время переходных процессов (например,грамм. переключения передач) может быть достаточным для снижения выбросов твердых частиц до уровня, требуемого законодательством о выбросах (например, Euro 5 для Европы и EPA 10 для США).

Еще одно применение турбокомпрессора с лопастными лопастями — это выхлопной тормоз после двигателя (без декомпрессионного типа), поэтому дополнительный дроссельный клапан выпуска не требуется. Также механизм может быть намеренно модифицирован для снижения КПД турбины в заранее заданном положении. Этот режим может быть выбран для поддержания повышенной температуры выхлопных газов, чтобы способствовать «зажиганию» и «регенерации» сажевого фильтра (это включает нагревание угольных частиц, застрявших в фильтре, до тех пор, пока они не окисляются в полусамостоятельной реакции — это похоже на процесс самоочистки, который предлагают некоторые духовки).Приведение в действие турбонагнетателя VG для управления потоком системы рециркуляции ОГ или для реализации режимов торможения или регенерации обычно требует срабатывания гидравлического или электрического сервопривода.

История и примеры использования
Первым серийным автомобилем, в котором использовались эти турбины, был выпущенный ограниченным тиражом 1989 Shelby CSX-VNT, оснащенный двигателем Chrysler K объемом 2,2 л. В Shelby CSX-VNT использовался турбонагнетатель от Garrett, названный VNT-25, потому что он использовал тот же компрессор и вал, что и более распространенный Garrett T-25. Этот тип турбины называется турбиной с регулируемым соплом (VNT) .Производитель турбокомпрессоров Aerocharger использует термин «турбинное сопло с переменным сечением» (VATN) для описания этого типа турбинного сопла. Другие общие термины включают в себя турбину с изменяемой геометрией (VTG), турбину с изменяемой геометрией (VGT) и турбину с регулируемой лопастью (VVT).

Peugeot 405 T16, выпущенный в 1992 году, использовал турбонагнетатель Garrett VAT25 с изменяемой геометрией на своем двигателе 2.0 с турбонаддувом 16 В.

Porsche 911 Turbo 2007 года имеет 3,6-литровую плоскую шестицилиндровую двигатель с двойным турбонаддувом, а в качестве турбин используются турбины BorgWarner с изменяемой геометрией (VTG).В течение нескольких лет VGT использовались в усовершенствованных турбодизельных двигателях, таких как двигатель Volkswagen TDI объемом 1,9 л с турбокомпрессором Garrett VNT-15, на Shelby CSX-VNT (когда-либо было произведено только 500 Shelby CSX-VNT и 1046 Peugeot.