Turbokompresorus gandrīz plaši izmanto vidēja un liela diametra ceļu dīzeļdzinējos Ziemeļamerikā, un tie ir gandrīz pilnībā popularizēti arī mazo urbumu dzinējos. Turbokompresora definīcija ir centrbēdzes sūknis, ko darbina izplūdes gāzes, kas var "atgūt" daļu siltuma no dzinēja cilindriem. Konkrētos sacīkšu dzinēju lietojumos turbokompresora griešanās ātrums var pārsniegt 200 000 apgriezienu minūtē, bet dīzeļdzinējos tā maksimālais griešanās ātrums parasti ir par aptuveni 30% mazāks. Turbokompresora galvenā funkcija ir nodrošināt dzinēja cilindriem saspiestu ieplūdes gaisu. Īsāk sakot, tas palielina skābekļa blīvumu ieplūdes gaisā. Turklāt izplūdes gāzu{8}}darbinātā turbīna var darbināt arī reduktora pārnesumu, kas savienots ar dzinēja kloķvārpstu, izmantojot šķidruma savienojumu. Šajā brīdī turbokompresors var palīdzēt vadīt kloķvārpstu. Šo metodi sauc par turbo kompozītmateriālu tehnoloģiju, un šobrīd to izmanto jaunākās paaudzes Detroitas dīzeļdzinējos. Tas tiks sīkāk iepazīstināts šīs nodaļas turpmākajā daļā. Attēlā 12-7 ir redzams 2010. gada Cummins ISX dzinēja skats labajā pusē, uz kura ir atzīmēta turbokompresora pozīcija.
Attēls 12-7 Cummins ISX dzinēja labais skats (atzīmēts ar Turbokompresora pozīciju)
Darbības princips
Turbokompresors ir ar izplūdes gāzēm darbināms gaisa sūknis, kas sastāv no turbīnas un lāpstiņriteņa, kas uzstādīts uz vienas vārpstas (sk. 12-8. attēlu). Vārpsta ir piekārta uz berzes gultņa ar spiediena smēreļļu (hidrodinamisko balstiekārtu). Turbīnas lāpstiņriteni darbina dzinēja izplūdes gāzu enerģija (siltums), un tas griežas turbīnas korpusā, kur plūst izplūdes gāzes. Darbrats atrodas neatkarīgā kompresora korpusā un iedarbojas uz ieplūdes sistēmas gaisu, iesūknējot to ieplūdes sistēmas spiedienam pakļautajā pusē. Izplūdes gāzes, kas vada turbīnu, nesaskaras ar ieplūdes gaisu, kas iedarbojas uz lāpstiņriteni. Attēlā 12-9 parādīti gāzes un smēreļļas plūsmas ceļi vienkāršā turbokompresorā.
Attēls 12-8 Turbokompresora (vai kompresora riteņa) lāpstiņritenis
12. attēls-9. Turbokompresora šķērsgriezuma skats (ieskaitot smēreļļas kanālu un gāzes plūsmas virzienu)
Kompresora darbības princips
Filtrētais ieplūdes gaiss tiek ievilkts kompresora korpusā un virzīts ar lāpstiņriteni turbīnas vārpstas kompresora pusē. Turbīna dzen lāpstiņriteni griezties turbīnas vārpstas otrā pusē, tāpēc lāpstiņriteņa faktiskais rotācijas ātrums ir atkarīgs no darba apstākļiem turbīnas korpusā. Kad lāpstiņritenis griežas, gaiss ieplūdes sistēmā tiek paātrināts līdz lielam ātrumam. Liela-ātruma gaisa plūsma ieplūst difuzorā radiāli uz āru. Difuzors ir droseles ierīce, kuras konstrukcijas mērķis ir pārvērst ienākošā gaisa kinētisko enerģiju (kustības enerģiju) spiedienā, kad gaisa plūsma iet cauri. Difuzors var būt spirālveida (gliemeža forma) vai lāpstiņas tipa (sk. 12-9. attēlu). Lāpstiņas difuzora efektivitāte ir augstāka.
Turbīnas darbības princips
Izplūdes gāzes tiek novadītas uz turbīnas korpusu. Jo lielāka ir dzinēja atkritumu siltuma vērtība (kas parasti palielinās, palielinoties dzinēja jaudai), jo lielāka ir izplūdes gāzu siltumenerģija. Izplūdes gāzes radiāli ieplūst turbīnas korpusā un pēc tam caur spirāli (gliemeža -formas struktūra ar pakāpeniski samazinošu- šķērsgriezumu). Volūta apzīmē droseles veidu. Bet, kad izplūdes gāzes izplūst no spirāles, tās izplešas un iedarbojas uz turbīnas lāpstiņām, un pēc tam ieplūst izplūdes sistēmā pa aksiālo virzienu.
Tas, cik lielā mērā gāze turbīnas korpusā izplešas, ir atkarīgs no izplūdes gāzu siltuma. Dzinēja augstās -jaudas apstākļos palielinās dzinēja izplūdes siltums, un izplūdes gāzu izplešanās ietekme uz turbīnas lāpstiņām palielinās turbīnas ātrumu. Jāuzsver, ka turbokompresora griešanās ātrums galvenokārt ir atkarīgs no izplūdes gāzu siltuma, nevis no tās spiediena. Jāsaprot arī spirāles nozīme: jo mazāks ir spirāles izmērs, jo spēcīgāka ir gaisa plūsmas droseles ietekme, bet maza -izmēra spirāle nozīmē, ka izplūdes gāzes izplūst pilnīgāk. Labākais risinājums ir spēt kontrolēt spirāles plūsmas laukumu, kas tiks sīkāk apspriests tālāk. Attēlā 12-10 ir shematiska diagramma par gāzes plūsmu turbokompresorā, kas ilustrē spirāles un difuzora galvenās funkcijas: Lūdzu, pievērsiet uzmanību virzieniem, kādos gāze ieplūst turbīnas korpusā un kompresora korpusā un no tā.
Gaisa plūsmas ceļš
Kā parādīts 12-10 attēlā, gaisa plūsma turbīnas korpusā ieplūst radiālā ieplūdes un aksiālās izplūdes veidā. Gaiss plūst cauri lāpstiņriteņa korpusam aksiālā virzienā un izplūst radiāli. Vienkāršākajā turbokompresora konstrukcijā turbīnas korpusa ieplūdes kanāls vai rīkle nav segmentēta, tas ir, visu cilindru izplūdes atveres ved uz vienu ieplūdes kanālu. Tomēr mainīgas ģeometrijas turbokompresori var regulēt gaisa plūsmu turbīnas korpusā un no tā. Tas tiks apspriests vēlāk šajā sadaļā.
Attēls 12-10 Turbokompresora gaisa plūsmas principa shematiska diagramma, kas demonstrē spirāles un difuzora funkcijas.
Turbokompresora tips
Pirmkārt, ir svarīgi nošķirt fiksētas-ģeometrijas turbokompresorus no mainīgas-ģeometrijas turbokompresoriem. Šajā rakstā tas ir definēts šādi:
• Fiksētas{0}}ģeometrijas turbokompresors: visas izplūdes gāzes plūst cauri turbīnas korpusam neatkarīgi no dzinēja darbības apstākļiem.
• Mainīgas ģeometrijas turbokompresors: ar ārēju vai iekšēju vadību tiek regulēts plūsmas laukums turbīnas korpusa iekšpusē vai daļa izplūdes gāzu tiek veikta, lai apietu turbīnas korpusu.
Kopš 2001. gada turbokompresori, ko izmantoja lielākajā daļā komerciālo dīzeļdzinēju uz lielceļiem, joprojām piederēja fiksētās ģeometrijas tipam. Taču šī situācija ir mainījusies. Mūsdienās, kad kravas automašīnu dīzeļdzinējam redzams fiksētas-ģeometrijas turbokompresors, tas parasti ir sērijas turbokompresora pāra loceklis vai saliktas turbokompresoru sistēmas daļa. Pašlaik gandrīz visi turbokompresori izmanto kaut kādu tehnoloģiju, lai regulētu (kontrolētu) izplūdes gāzu plūsmu caur turbīnas korpusu, izmantojot izplūdes gāzu apvada vārstu vai iekšējo mainīgo ģeometriju.
Fiksētas{0}}ģeometrijas turbokompresors
Vispirms aprakstīsim fiksētās{0}}ģeometrijas turbokompresora darbības principu. Fiksētas-ģeometrijas turbokompresori ir izstrādāti, lai sasniegtu optimālu veiktspēju pie noteikta ātruma un noteiktas siltuma pārpalikumu slodzes, kas nozīmē, ka tie nav īpaši daudzpusīgi. Inženieriem ir jāizvēlas darbības laiks, kad turbīnas efektivitāte ir visaugstākā. Lielākā daļa ceļu dzinēju, kas izmanto fiksētas{5}ģeometrijas turbokompresorus, parasti sasniedz visaugstāko turbīnu efektivitāti pie pilnas slodzes un maksimālā griezes momenta. Ja darbības diapazons tiek pārsniegts, veiktspēja samazināsies. Fiksētas-ģeometrijas turbokompresoram ir vienkārša uzbūve. Attēlā 12-9 parādīta tā tipiskā struktūra.
Maksimālās turbīnas efektivitātes iestatīšana pie maksimālā griezes momenta ātruma, nevis nominālā ātruma, nodrošina fiksētas -ģeometrijas turbokompresoram-pašregulācijas raksturlielumus: palielinoties dzinēja apgriezienu skaitam, saīsinās faktiskais laiks, kas pieejams spiediena radīšanai un degvielas iesmidzināšanai cilindrā. Ja fiksētas-ģeometrijas turbokompresors tiek darbināts ārpus norādītā ātruma diapazona, dzinēja griezes momenta līkne strauji samazināsies, izraisot dzinēja grūtības zemā ātrumā un lielās slodzēs. Piekraujot lielā ātrumā, ātrums strauji samazināsies, un arī degvielas ekonomija pasliktināsies.
Brīdinājums:
Nepareiza fiksētas-ģeometrijas turbokompresoru saskaņošana var izraisīt pārmērīgi augstu cilindru spiedienu, izraisot dzinēja atteici vai, gluži otrādi, izraisīt nepietiekamu jaudu, melnu dūmu emisijas un palielinātu kaitīgo izmešu daudzumu.
Tehniskie padomi:
Lai gan kravas automašīnu dīzeļdzinēji ar fiksētas {{0}ģeometrijas turbokompresoriem ir izstrādāti tā, lai sasniegtu augstāko gāzes efektivitāti pie maksimālā griezes momenta, vairums citu dīzeļdzinēju, kuros izmanto fiksētas-ģeometrijas turbokompresorus (piemēram, smago aprīkojumu vai ģeneratoru komplektus, kas nav paredzēti ceļu satiksmei vai ģeneratoru komplektiem), parasti to sasniedz ar nominālo ātrumu (maksimālo jaudu). Šajās lietojumprogrammās fiksētas-ģeometrijas turbokompresori joprojām ir izplatīti, un parasti tie ir optimizēti pilnas -jaudas liela ātruma-darbības apstākļiem.
Mainīgas ģeometrijas turbokompresors
Mainīgas ģeometrijas turbokompresora mērķi var apkopot šādi:
• Kad dzinēja slodze ir zema, lieciet turbīnai reaģēt tikpat ātri kā mazam turbokompresoram.
• Ja dzinēja slodze ir liela, lieciet turbīnai nodrošināt pietiekamu jaudu kā lielam turbokompresoram.
Mūsdienu ECM kontrolētie turbokompresori var sasniegt visus iepriekš minētos mērķus un precīzu visu starpposmu regulēšanu, tādējādi nodrošinot ātrāku reakcijas ātrumu (samazinot turbo histerēzi) un zemākas emisijas. Daži pašreizējie turbokompresori apvieno arī ārējo izplūdes apvada vārstu un iekšējo mainīgo ģeometriju izmantošanu, lai pārvaldītu padeves spiedienu visplašākajā ātruma un slodzes diapazonā.
• Izplūdes gāzu apvada vārsta vadības veids
Izplūdes gāzu apvada vārsta tipa turbokompresors tiek izmantots daudzus gadus. Tās darbības princips ir: caur "vārstu" tiek kontrolēts, lai visas izplūdes gāzes plūst cauri turbīnas korpusam, vai arī daļa izplūdes gāzu tiek tieši apieta uz izplūdes sistēmu. Pašlaik galvenokārt ir divas kontroles metodes:
• Pneimatiskā vadība: apvada vārsta darbība ir atkarīga no ieplūdes kolektora spiediena. Parasti tiek pieņemta izpildmehānisma tvertne ar atsperi. Pēc noklusējuma aizvērts stāvoklis ļauj izplūdes gāzēm pilnībā plūst cauri turbīnai. Kad kolektora padeves spiediens sasniedz iestatīto vērtību, spiediens pārvar atsperes spēku, lai nospiestu darbības stieni, atverot vārstu, lai apietu daļu izplūdes gāzu.
• Elektroniskā vadība: kontrolē dzinēja ECM. Piemēram, daži dzinēji izmanto izplūdes apvada turbīnas ar divām ieplūdes atverēm. ECM precīzi pārvalda spiedienu, kas iedarbojas uz izpildmehānismu, izmantojot solenoīda vārstus un kolektora spiedienu, panākot daudzpakāpju pastiprināšanas regulēšanu. Tās vadības principu var apkopot kā saliktu "elektroniskās - elektriskās vadības - pneimatiskās vadības mehānismu".
• Volute kontrolēta mainīgas ģeometrijas turbīna
Volute kontrolēti mainīgas ģeometrijas turbokompresori ir plaši izmantoti mūsdienu dīzeļdzinējos. Sacīkšu dzinēji jau daudzus gadus izmanto maināmas apertūras sprauslas, lai kontrolētu spirāles plūsmas laukumu, un dīzeļdzinēji ir aizņēmušies šo tehnoloģiju. Pirmais spirālveida turbokompresors, kas tika izmantots dīzeļdzinējiem, parādījās 90. gadu sākumā ar ierobežotiem sākotnējiem panākumiem. Taču mūsdienās lielākā daļa dīzeļdzinēju ražotāju ir devuši priekšroku mainīgas spirāles tehnoloģijai, nevis tradicionālajam izplūdes apvada vārsta turbokompresoram. Piemēram, mainīgas ģeometrijas turbīna (VGT), kas uzstādīta Paccar MX13 dzinējam, kas parādīts 12-11. attēlā, ir tipisks pārstāvis. Lai ilustrētu mainīgas ģeometrijas turbīnas darbības principu, kā ilustrācijas piemēru ņemsim tipisko spirālveida vadības turbokompresoru, kas parādīts 12.-12. attēlā.
Attēls 12-11 Mainīgas ģeometrijas turbīna (VGT), ko izmanto Paccar MX13 dzinējā
Attēls 12-12 Mainīgas ģeometrijas turbīnas (VGT) šķērsskats, fokusējoties uz tās izpildmehānismu
Turbokompresors ar mainīgu sprauslu
12 Lūdzu, skatiet attēlu 12-13, lai identificētu galvenās sastāvdaļas, piemēram, turbīnu, zobratu, sprauslas lāpstiņu un sinhrono gredzenu.
Attēls 12-13 VN turbokompresoru komponentu darbības princips.
Maināmās sprauslas turbokompresors ģenerē nepieciešamo padeves spiedienu, regulējot lāpstiņas leņķi, lai mainītu spirāles plūsmas laukumu. Šis process tiek panākts, eļļas spiedienam iedarbojoties uz virzuli, kas savienojas ar CAM zobratu un kloķvārpstu, tādējādi piespiežot sinhrono gredzenu griezties. Sinhronais gredzens atbalsta visus asmeņu blokus. Katrs asmens ir aprīkots ar spirālveida rievu. Kad mainās sinhronā gredzena rotācijas pozīcija, asmens griežas ar savu tapas vārpstu kā atbalsta punktu, tādējādi panākot sinhrono asmens slīpuma leņķa regulēšanu. Izmantojot šo mehānismu, var palielināt vai samazināt spirāles (ieplūdes puses) plūsmas laukumu, kas tieši ietekmē gāzes efektivitāti turbīnas korpusā. Īsāk sakot, spirāles plūsmas laukums nosaka turbīnas ātrumu un galu galā turbīnas kompresora radīto padeves spiedienu.
Maināma sprauslas vadība
Mainīgās sprauslas turbokompresors tiek regulēts ar mainīgas sprauslas vadības vārstu. Šis vadības vārsts ir proporcionāls izpildmehānisms, ko pārvalda dzinēja vadības modulis, kas spēj pārveidot ieejas strāvas signālu noteiktā virzuļa gredzena pozīcijā. Kad asmeņi ir tuvu aizvērtai pozīcijai (asmeņi nekad nebūs pilnībā aizvērti), turbokompresors ģenerē maksimālo padeves spiedienu. Saspiesta gaisa vadība ir pilnībā atkarīga no lāpstiņu stāvokļa, jo lāpstiņas leņķis tieši nosaka veidu, kā izplūdes gāzes iedarbojas uz turbīnu. Attēlā 12-14 parādīts, kā eļļas spiediens virza virzuļa gredzenu, lai iedarbinātu CAM un kloķa mehānismu, liekot sinhronajam gredzenam griezties pulksteņrādītāja virzienā, tādējādi paplašinot lāpstiņas un samazinot turbīnas gāzes efektivitāti.
Attēls 12-14 VN Turbokompresors: palieliniet lāpstiņas atvērumu, lai samazinātu turbīnas efektivitāti.
Kad eļļas spiediens nospiež virzuli, lai tas pārvietotos pa kreisi (12.-15. attēls), sinhronais gredzens griežas pretēji pulksteņrādītāja virzienam, noregulējot lāpstiņas leņķī tuvu aizvērtai pozīcijai, uzlabojot turbīnas efektivitāti, lai nodrošinātu maksimālu pastiprinājumu. Šo darbības procesu var aplūkot 12.-16. attēlā.
Attēls 12-15 VN Turbokompresors: samaziniet asmeņu atvērumu, lai sasniegtu maksimālu padevi.
Attēls 12-16 Sinhronā gredzena loma asmens atvēršanas kontrolē.
Maināmās sprauslas turbokompresora rotācijas ātrums tiek padots atpakaļ uz dzinēja vadības moduli caur aksiālā ātruma sensoru, kas balstīts uz indukcijas impulsu ģeneratora principu. Tā sprūda signāls tiek ņemts no plaknes struktūras noteiktā vietā uz turbīnas vārpstas.
3. Slīdes gredzena spirālveida turbīna
Vēl viena mainīga spirālveida struktūra, ko izmanto Cummins Honicell turbokompresori: plūsmas laukums tiek regulēts, pārvietojot slīdēšanas gredzenu caur VG izpildmehānismu. Tā mērķis ir tāds pats kā Caterpillar VN turbīnai, taču veids, kā tas tiek sasniegts, ir nedaudz atšķirīgs. Attēlā 12-17 parādīts tipisks VG izpildmehānisma modulis, ko izmanto dzinējos pēc 2010. gada.
Attēls 12-17: VG izpildmehānisma modulis, ko izmantoja tipiskam dzinējam 10 gadus vēlāk.