Turbina de geometria variable: principi de funcionament, dispositiu, reparació

2024 Autora: Erin Ralphs | [email protected]. Última modificació: 2024-02-19 12:50

Amb el desenvolupament de les turbines ICE, els fabricants intenten millorar la seva coherència amb els motors i l'eficiència. La solució en sèrie tècnicament més avançada és un canvi en la geometria de l'entrada. A continuació, es consideren el disseny de turbines de geometria variable, el principi de funcionament i les característiques de manteniment.

Funcions generals

Les turbines considerades es diferencien de les habituals en la capacitat d'adaptar-se al mode de funcionament del motor canviant la relació A/R, que determina el rendiment. Aquesta és una característica geomètrica de les carcasses, representada per la relació entre l'àrea de la secció transversal del canal i la distància entre el centre de gravetat d'aquesta secció i l'eix central de la turbina.

La rellevància dels turbocompressors de geometria variable es deu al fet que per a velocitats altes i baixes els valors òptims d'aquest paràmetre difereixen significativament. Per tant, per a un valor petit d'A/R, el fluxté una alta velocitat, com a resultat de la qual la turbina gira ràpidament, però el rendiment màxim és baix. Els grans valors d'aquest paràmetre, per contra, determinen un gran rendiment i una baixa velocitat dels gasos d'escapament.

En conseqüència, amb un A/R excessivament elevat, la turbina no podrà crear pressió a baixes velocitats i, si és massa baixa, enfocarà el motor a la part superior (a causa de la contrapressió a la col·lector d'escapament, el rendiment baixarà). Per tant, als turbocompressors de geometria fixa es selecciona un valor mitjà A/R que li permet operar en tot el rang de velocitats, mentre que el principi de funcionament de les turbines de geometria variable es basa en mantenir el seu valor òptim. Per tant, aquestes opcions amb un llindar d'impuls baix i un retard mínim són molt efectives a altes velocitats.

A més del nom principal (turbines de geometria variable (VGT, VTG)), aquestes variants es coneixen com a models de broquet variable (VNT), impulsor variable (VVT), broquet de turbina d'àrea variable (VATN).

La turbina de geometria variable va ser desenvolupada per Garrett. A més d'això, altres fabricants es dediquen al llançament d'aquestes peces, inclosos MHI i BorgWarner. El fabricant principal de variants d'anells lliscants és Cummins Turbo Technologies.

Malgrat l'ús de turbines de geometria variable principalment en motors dièsel, són molt habituals i estan guanyant popularitat. Se suposa que el 2020 aquests models ocuparan més de 63% del mercat global de turbines. L'expansió de l'ús d'aquesta tecnologia i el seu desenvolupament es deu principalment a l'enduriment de la normativa mediambiental.

Disseny

El dispositiu de turbina de geometria variable es diferencia dels models convencionals per la presència d'un mecanisme addicional a la part d'entrada de la carcassa de la turbina. Hi ha diverses opcions per al seu disseny.

El tipus més comú és l'anell de paleta lliscant. Aquest dispositiu està representat per un anell amb una sèrie de fulles rígidament fixades situades al voltant del rotor i que es mouen respecte a la placa fixa. El mecanisme lliscant s'utilitza per estrenyir/ampliar el pas del flux de gasos.

A causa del fet que l'anell de paleta llisca en direcció axial, aquest mecanisme és molt compacte i el mínim nombre de punts febles garanteix la resistència. Aquesta opció és adequada per a motors grans, de manera que s'utilitza principalment en camions i autobusos. Es caracteritza per la senzillesa, l' alt rendiment a la part inferior, la fiabilitat.

La segona opció també suposa la presència d'un anell de paletes. No obstant això, en aquest cas, es fixa rígidament sobre una placa plana, i les fulles estan muntades sobre passadors que n'asseguren la rotació en sentit axial, a l' altre costat d'aquesta. Així, la geometria de la turbina es modifica mitjançant les pales. Aquesta opció té la millor eficiència.

No obstant això, a causa del gran nombre de peces mòbils, aquest disseny és menys fiable, sobretot en condicions d' alta temperatura. MarcatEls problemes són causats per la fricció de les peces metàl·liques, que s'expandeixen quan s'escalfen.

Una altra opció és una paret en moviment. És similar en molts aspectes a la tecnologia de l'anell lliscant, però, en aquest cas, les fulles fixes es munten en una placa estàtica en lloc d'un anell lliscant.

El turbocompressor d'àrea variable (IVA) té fulles que giren al voltant del punt d'instal·lació. A diferència de l'esquema amb fulles rotatives, s'instal·len no al llarg de la circumferència de l'anell, sinó en fila. Com que aquesta opció requereix un sistema mecànic complex i car, s'han desenvolupat versions simplificades.

Un és el turbocompressor de flux variable (VFT) Aisin Seiki. La carcassa de la turbina està dividida en dos canals per una pala fixa i està equipada amb un amortidor que distribueix el cabal entre ells. Al voltant del rotor s'instal·len unes quantes fulles fixes més. Proporcionen retenció i fusió de flux.

La segona opció, anomenada esquema Switchblade, s'acosta més a l'IVA, però en lloc d'una fila de fulles, s'utilitza una sola fulla, que també gira al voltant del punt d'instal·lació. Hi ha dos tipus d'aquesta construcció. Un d'ells consisteix en la instal·lació de la fulla a la part central del cos. En el segon cas, es troba al mig del canal i el divideix en dos compartiments, com una pala VFT.

Per controlar una turbina de geometria variable s'utilitzen accionaments: elèctrics, hidràulics, pneumàtics. El turbocompressor està controlat per la unitat de controlmotor (ECU, ECU).

Cal tenir en compte que aquestes turbines no requereixen vàlvula de bypass, ja que gràcies a un control precís és possible frenar el flux dels gasos d'escapament de manera no descompressiva i fer passar l'excés per la turbina.

Principi de funcionament

Les turbines de geometria variable funcionen mantenint l'A/R òptim i l'angle de remolí canviant l'àrea de la secció transversal de l'entrada. Es basa en el fet que la velocitat del flux dels gasos d'escapament està inversament relacionada amb l'amplada del canal. Per tant, als "fons" per a una promoció ràpida, la secció transversal de la part d'entrada es redueix. Amb l'augment de la velocitat per augmentar el cabal, s'expandeix gradualment.

Mecanisme per canviar la geometria

El mecanisme per a la implementació d'aquest procés ve determinat pel disseny. En els models amb pales giratòries, això s'aconsegueix canviant la seva posició: per garantir una secció estreta, les pales són perpendiculars a les línies radials i, per eixamplar el canal, passen a una posició esglaonada.

Les turbines d'anell lliscant amb una paret mòbil tenen un moviment axial de l'anell, que també canvia la secció del canal.

El principi de funcionament del VFT es basa en la separació de flux. La seva acceleració a baixes velocitats es duu a terme tancant el compartiment extern del canal amb un amortidor, de manera que els gasos van al rotor de la manera més curta possible. A mesura que augmenta la càrrega, l'amortidors'eleva per permetre el flux a través de les dues badies per ampliar la capacitat.

Per als models IVA i Switchblade, la geometria es canvia girant la pala: a baixes velocitats puja, estrenyent el pas per accelerar el flux, i a altes velocitats, es troba adjacent a la roda de la turbina, expandint-se. rendiment. Les turbines de fulles de commutació de tipus 2 tenen un funcionament de pales invertides.

Per tant, als "fons" és adjacent al rotor, de manera que el flux només passa per la paret exterior de la carcassa. A mesura que augmenten les rpm, la pala augmenta, obrint un pas al voltant de l'impulsor per augmentar el rendiment.

Drive

Entre els accionaments, les més habituals són les opcions pneumàtiques, on el mecanisme està controlat per un pistó que mou aire dins del cilindre.

La posició de les pales està controlada per un actuador de diafragma connectat per una vareta a l'anell de control de les paletes, de manera que la gola pot canviar constantment. L'actuador acciona la tija en funció del nivell de buit, contrarestar la molla. La modulació de buit controla una vàlvula elèctrica que subministra un corrent lineal en funció dels paràmetres de buit. El buit es pot generar mitjançant la bomba de buit del reforç del fre. El corrent es subministra des de la bateria i modula l'ECU.

El principal desavantatge d'aquests accionaments es deu a la dificultat de predir l'estat del gas després de la compressió, especialment quan s'escalfa. Per tant més perfectesón accionaments hidràulics i elèctrics.

Els actuadors hidràulics funcionen amb el mateix principi que els actuadors pneumàtics, però en comptes d'aire al cilindre, s'utilitza un líquid, que es pot representar per l'oli de motor. A més, no es comprimeix, de manera que aquest sistema ofereix un millor control.

La vàlvula solenoide utilitza la pressió de l'oli i un senyal d'ECU per moure l'anell. El pistó hidràulic mou la cremallera i el pinyó, que fa girar l'engranatge dentat, de manera que les fulles estan connectades de manera pivotant. Per transferir la posició de la fulla de l'ECU, un sensor de posició analògic es mou al llarg de la lleva de la seva unitat. Quan la pressió de l'oli és baixa, les paletes s'obren i es tanquen a mesura que augmenta la pressió de l'oli.

L'accionament elèctric és el més precís, perquè la tensió pot proporcionar un control molt fi. Tanmateix, requereix una refrigeració addicional, que es proporciona mitjançant tubs de refrigerant (les versions pneumàtica i hidràulica utilitzen líquid per eliminar la calor).

El mecanisme selector serveix per accionar el canviador de geometria.

Alguns models de turbines utilitzen un accionament elèctric rotatiu amb un motor pas a pas directe. En aquest cas, la posició de les fulles està controlada per una vàlvula de retroalimentació electrònica a través del mecanisme de cremallera i pinyó. Per obtenir comentaris de l'ECU, s'utilitza una càmera amb un sensor magnetoresistiu connectat a l'engranatge.

Si és necessari girar les fulles, la ECU proporcionasubministrament de corrent en un rang determinat per moure'ls a una posició predeterminada, després d'haver rebut un senyal del sensor, desactiva la vàlvula de retroalimentació.

Unitat de control del motor

De l'anterior es dedueix que el principi de funcionament de les turbines de geometria variable es basa en la coordinació òptima d'un mecanisme addicional d'acord amb el mode de funcionament del motor. Per tant, cal el seu posicionament precís i un seguiment constant. Per tant, les turbines de geometria variable estan controlades per unitats de control del motor.

Utilitzen estratègies per maximitzar la productivitat o millorar el rendiment ambiental. Hi ha diversos principis per al funcionament del BUD.

El més comú d'aquests implica l'ús d'informació de referència basada en dades empíriques i models de motor. En aquest cas, el controlador de feedforward selecciona valors d'una taula i utilitza la retroalimentació per reduir els errors. És una tecnologia versàtil que permet una varietat d'estratègies de control.

El seu principal inconvenient són les limitacions durant els transitoris (acceleració brusca, canvis de marxa). Per eliminar-lo, es van utilitzar controladors multiparàmetres, PD i PID. Aquests últims es consideren els més prometedors, però no són prou precisos en tota la gamma de càrregues. Això es va resoldre aplicant algorismes de decisió de lògica difusa mitjançant MAS.

Hi ha dues tecnologies per proporcionar informació de referència: el model motor mitjà i l'artificialxarxes neuronals. Aquest últim inclou dues estratègies. Un d'ells implica mantenir l'impuls a un nivell determinat, l' altre - mantenir una diferència de pressió negativa. En el segon cas, s'aconsegueix el millor rendiment ambiental, però la turbina està excés de velocitat.

No molts fabricants estan desenvolupant ECU per a turbocompressors de geometria variable. La gran majoria d'ells estan representats per productes de fabricants d'automòbils. Tanmateix, hi ha algunes ECU de gamma alta de tercers al mercat dissenyades per a aquests turbos.

Disposicions generals

Les característiques principals de les turbines són el flux de massa d'aire i la velocitat del flux. L'àrea d'entrada és un dels factors limitants del rendiment. Les opcions de geometria variable us permeten canviar aquesta àrea. Així, l'àrea efectiva ve determinada per l'alçada del pas i l'angle de les fulles. El primer indicador es pot canviar en versions amb anell lliscant, el segon en turbines amb pales rotatives.

Així, els turbocompressors de geometria variable proporcionen constantment l'impuls necessari. Com a resultat, els motors equipats amb ells no tenen el retard associat al temps d'engegada de la turbina, com passa amb els turbocompressors grans convencionals, i no s'enfoquen a altes velocitats, com passa amb els petits.

Finalment, cal tenir en compte que, tot i que els turbocompressors de geometria variable estan dissenyats per funcionar sense una vàlvula de derivació, s'ha trobat que proporcionen guanys de rendiment principalment a baixes i a altes rpm en plena obertura.les fulles no són capaços de fer front a un gran flux de massa. Per tant, per evitar una contrapressió excessiva, encara es recomana utilitzar un wastegate.

Pros i contres

L'ajust de la turbina al mode de funcionament del motor proporciona una millora en tots els indicadors en comparació amb les opcions de geometria fixa:

• millor capacitat de resposta i rendiment a tot el rang de revolucions;
• corba de parell de gamma mitjana més plana;
• capacitat de fer funcionar el motor amb càrrega parcial amb una barreja d'aire/combustible més eficient;
• millor eficiència tèrmica;
• prevenir un impuls excessiu a altes rpm;
• millor rendiment ambiental;
• menys consum de combustible;
• interval de funcionament de la turbina estès.

El principal desavantatge dels turbocompressors de geometria variable és el seu disseny molt complicat. A causa de la presència d'elements i accionaments mòbils addicionals, són menys fiables i el manteniment i la reparació de turbines d'aquest tipus és més difícil. A més, les modificacions per als motors de gasolina són molt cares (unes 3 vegades més cares que els convencionals). Finalment, aquestes turbines són difícils de combinar amb motors no dissenyats per a elles.

Cal tenir en compte que en termes de rendiment màxim, les turbines de geometria variable solen ser inferiors a les seves contraparts convencionals. Això es deu a pèrdues a la carcassa i al voltant dels suports dels elements mòbils. A més, el rendiment màxim disminueix bruscament quan s'allunya de la posició òptima. Tanmateix, el generalL'eficiència dels turbocompressors d'aquest disseny és superior a la de les variants de geometria fixa a causa del rang de funcionament més gran.

Aplicació i funcions addicionals

L'abast de les turbines de geometria variable està determinat pel seu tipus. Per exemple, els motors amb fulles giratòries s'instal·len als motors d'automòbils i vehicles comercials lleugers, i les modificacions amb un anell lliscant s'utilitzen principalment als camions.

En general, les turbines de geometria variable s'utilitzen més sovint en motors dièsel. Això es deu a la baixa temperatura dels seus gasos d'escapament.

Als motors dièsel de passatgers, aquests turbocompressors serveixen principalment per compensar la pèrdua de rendiment del sistema de recirculació de gasos d'escapament.

Als camions, les turbines en si poden millorar el rendiment mediambiental controlant la quantitat de gasos d'escapament recirculats a l'admissió del motor. Així, amb l'ús de turbocompressors de geometria variable, és possible augmentar la pressió al col·lector d'escapament a un valor superior al del col·lector d'admissió per tal d'accelerar la recirculació. Tot i que la contrapressió excessiva és perjudicial per a l'eficiència del combustible, ajuda a reduir les emissions d'òxid de nitrogen.

A més, el mecanisme es pot modificar per reduir l'eficiència de la turbina en una posició determinada. S'utilitza per augmentar la temperatura dels gasos d'escapament per purgar el filtre de partícules oxidant les partícules de carboni enganxades mitjançant l'escalfament.

Dadesles funcions requereixen accionament hidràulic o elèctric.

Els destacats avantatges de les turbines de geometria variable respecte a les convencionals les converteixen en la millor opció per als motors esportius. No obstant això, són extremadament rars en motors de gasolina. Només es coneixen alguns cotxes esportius equipats amb ells (actualment el Porsche 718, 911 Turbo i Suzuki Swift Sport). Segons un gerent de BorgWarner, això es deu al cost molt elevat de produir aquestes turbines, a causa de la necessitat d'utilitzar materials especialitzats resistents a la calor per interactuar amb els gasos d'escapament d' alta temperatura dels motors de gasolina (els gasos d'escapament dièsel tenen un valor molt més baix). temperatura, de manera que les turbines són més barates per a ells).

Els primers VGT utilitzats en motors de gasolina es van fabricar amb materials convencionals, de manera que s'havien d'utilitzar sistemes de refrigeració complexos per garantir una vida útil acceptable. Així, a l'Honda Legend de 1988, aquesta turbina es va combinar amb un intercooler refrigerat per aigua. A més, aquest tipus de motor té un rang de flux de gas d'escapament més ampli, per la qual cosa requereix la capacitat de gestionar un rang de cabal més gran.

Els fabricants aconsegueixen els nivells requerits de rendiment, capacitat de resposta, eficiència i respecte al medi ambient de la manera més rendible. L'excepció són casos aïllats en què el cost final no és una prioritat. En aquest context, es tracta, per exemple, d'aconseguir un rendiment rècord a Koenigsegg One: 1 o adaptar un Porsche 911 Turbo a un civil.operació.

En general, la gran majoria dels cotxes turbocompressors estan equipats amb turbocompressors convencionals. Per als motors esportius d' alt rendiment, sovint s'utilitzen opcions de doble desplaçament. Tot i que aquests turbocompressors són inferiors als VGT, ofereixen els mateixos avantatges que les turbines convencionals, només en menor mesura, i tenen gairebé el mateix disseny senzill que aquests últims. Pel que fa a l'afinació, l'ús de turbocompressors de geometria variable, a més de l' alt cost, està limitat per la complexitat de la seva posada a punt.

Per als motors de gasolina, un estudi de H. Ishihara, K. Adachi i S. Kono va classificar la turbina de flux variable (VFT) com la VGT més òptima. Gràcies a un sol element mòbil, es redueixen els costos de producció i augmenta l'estabilitat tèrmica. A més, aquesta turbina funciona segons un algorisme ECU senzill, similar a les opcions de geometria fixa equipades amb una vàlvula de bypass. S'han obtingut resultats especialment bons quan aquesta turbina es combina amb un iVTEC. Tanmateix, per als sistemes d'inducció forçada, s'observa un augment de la temperatura dels gasos d'escapament de 50-100 °C, que afecta el rendiment ambiental. Aquest problema es va resoldre utilitzant un col·lector d'alumini refrigerat per aigua.

La solució de BorgWarner per a motors de gasolina va ser combinar la tecnologia de doble espiral i el disseny de geometria variable en una turbina de geometria variable de doble espiral presentada a SEMA 2015. El mateix disseny que la turbina de desplaçament doble, aquest turbocompressor té una entrada doble i una roda de turbina monolítica doble, i es combina amb un col·lector de desplaçament doble, que seqüencia per eliminar la pulsació d'escapament per a un flux més dens.

La diferència està en la presència d'un amortidor a la part d'entrada que, en funció de la càrrega, distribueix el cabal entre els impulsors. A baixes velocitats, tots els gasos d'escapament van a una petita part del rotor i la gran part està bloquejada, la qual cosa proporciona un gir encara més ràpid que una turbina de doble espiral convencional. A mesura que augmenta la càrrega, l'amortidor es mou gradualment a la posició mitjana i distribueix uniformement el flux a altes velocitats, com en un disseny estàndard de doble desplaçament. És a dir, pel que fa al mecanisme per canviar la geometria, aquesta turbina és a prop d'un VFT.

Així, aquesta tecnologia, com la tecnologia de geometria variable, proporciona un canvi en la relació A/R en funció de la càrrega, ajustant la turbina al mode de funcionament del motor, la qual cosa amplia el rang de funcionament. Al mateix temps, el disseny considerat és molt més senzill i barat, ja que aquí només s'utilitza un element mòbil, que funciona segons un algorisme senzill i no es requereixen materials resistents a la calor. Aquest últim es deu a una disminució de la temperatura a causa de la pèrdua de calor a les parets de la doble carcassa de la turbina. Cal tenir en compte que abans s'han trobat solucions similars (per exemple, una vàlvula de bobina ràpida), però per alguna raó aquesta tecnologia no ha guanyat popularitat.

Manteniment ireparació

La principal operació de manteniment de les turbines és la neteja. La seva necessitat es deu a la seva interacció amb els gasos d'escapament, representats pels productes de combustió de combustibles i olis. Tanmateix, la neteja rarament és necessària. Una contaminació intensa indica un mal funcionament, que pot ser causat per una pressió excessiva, el desgast de les juntes o els casquilles dels impulsors, així com del compartiment del pistó, l'obstrucció del respirador.

Les turbines de geometria variable són més sensibles a la contaminació que les turbines convencionals. Això es deu al fet que l'acumulació de sutge a la paleta guia del dispositiu de canvi de geometria provoca el seu encaixament o pèrdua de mobilitat. Com a resultat, el funcionament del turbocompressor es veu interromput.

En el cas més senzill, la neteja es realitza amb un líquid especial, però sovint es requereix un treball manual. Primer s'ha de desmuntar la turbina. Quan desconnecteu el mecanisme de canvi de geometria, aneu amb compte de no tallar els cargols de muntatge. La perforació posterior dels seus fragments pot provocar danys als forats. Per tant, netejar la turbina de geometria variable és una mica difícil.

A més, cal tenir en compte que la manipulació descuidada del cartutx pot danyar o deformar les pales del rotor. Si es desmunta després de la neteja, caldrà equilibrar-lo, però l'interior del cartutx normalment no es neteja.

El sutge d'oli a les rodes indica un desgast als anells del pistó o al grup de vàlvules, així com als segells del rotor del cartutx. Neteja senseeliminar aquestes avaries del motor o reparar la turbina no és pràctic.

Després de la substitució del cartutx per als turbocompressors del tipus en qüestió, cal ajustar la geometria. Per a això, s'utilitzen cargols d'ajust persistents i rugosos. Cal tenir en compte que alguns models de la primera generació no van ser configurats inicialment pels fabricants, de manera que el seu rendiment a la part inferior es redueix en un 15-25%. En particular, això és cert per a les turbines Garrett. Es poden trobar instruccions en línia sobre com ajustar la turbina de geometria variable.

CV

Els turbocompressors de geometria variable representen l'etapa més alta en el desenvolupament de turbines en sèrie per a motors de combustió interna. Un mecanisme addicional a la part d'entrada garanteix que la turbina s'adapti al mode de funcionament del motor mitjançant l'ajust de la configuració. Això millora el rendiment, l'economia i el respecte al medi ambient. Tanmateix, el disseny del VGT és complex i els models de gasolina són molt cars.