Турбокомпресор с променлива геометрия (VGT)

Турбокомпресорът е най-често използваната технология в двигателите с вътрешно горене  за принудителна пълнене на входящия въздух. Основните компоненти на турбокомпресора са турбината и компресорът. Ролята на турбината е да използва топлинната и кинетична (с двойно превъртане турбокомпресори ) енергия на отработените газове и да я преобразува в механична енергия. Ролята на компресора е да използва механичната енергия и да компресира входящия въздух, за да увеличи неговата плътност.Поради геометрията и различната работа в обхвата на скоростта, има несъответствие между потока на отработените газове на двигателя с вътрешно горене и радиалния поток на турбокомпресора. Ако геометрията (площта на потока) на турбината е проектирана така, че да съответства на пълната скорост и натоварването на двигателя (голяма площ), при ниски и средни скорости, реакцията на турбокомпресора ще бъде лоша. Ако геометрията на турбината е съобразена за бърза реакция (малка площ), когато двигателят работи с висока скорост, може да се достигнат границите на задушаване и турбокомпресорът да надскочи или налягането на входящия въздух може да надвиши максималната граница.Идеалният турбокомпресор трябва да може да осигури необходимото налягане на входящия въздух (усилване), независимо от работната точка на двигателя (скорост и въртящ момент). Това не е възможно поради факта, че скоростта на вала на турбокомпресора зависи от масовия поток на отработените газове, което зависи от работната точка на двигателя.При турбокомпресор с фиксирана геометрия, при ниска скорост на двигателя, масовият поток на отработените газове е малък, следователно скоростта на вала на турбокомпресора е ниска, което означава слабо усилване на въздуха. От друга страна, при висока скорост на двигателя, масовият дебит на отработените газове е висок, скоростта на вала на турбокомпресора също е висока, което се изразява във високо усилване на въздуха (налягане).

Поток на течност през тръба

За да разберем принципа на работа на турбокомпресора с променлива геометрия (VGT) , трябва да припомним някои закони на хидродинамиката.

Представете си, че имате тръба с променлив диаметър по дължината му.

A [m ² ] – площ
v [m / s] – скорост
p [Pa] – налягане

В по-голямата площ A ₁ течността ще има определен масов дебит [kg / s]. Тъй като масата на течността е запазена, за да може да премине същата маса през по-малката площ А ₂ , скоростта на течността трябва да се увеличи.

Следните закони се прилагат за течност, преминаваща през тръба с променлив диаметър:

Това означава, че за да има резултатът на продукта постоянен, ако площта на потока намалее, скоростта на течността трябва да се увеличи. Това се нарича закон за приемственост .Има и друга връзка, включваща и налягането на течността. Ако приемем, че тръбата е хоризонтална или поточните секции са на една и съща височина, е приложимо следното отношение:

ρ [kg / m ³ ] – плътност на течността

Това означава, че в секцията с по-ниска скорост на течността, за да се поддържа постоянна сума между термините, налягането трябва да се увеличи. Това се нарича закон на Бернули.

Съотношение на турбокомпресор A / R

Важна геометрична характеристика (параметър) на турбокомпресора е съотношението A / R , където A означава зоната на напречното сечение на турбината / компресора, а R – радиуса на централната линия на турбината към центъра на зоната А.

Съотношението A / R (площ, разделена на радиус) се отнася както за компресора, така и за турбината, но основното влияние върху работата на турбокомпресора е свързано със съотношението A / R на турбината .

Капацитетът на потока на турбината зависи от съотношението A / R на корпуса и оказва значително влияние върху цялостната работа на турбокомпресора.

Малко съотношение A / R ще увеличи скоростта на отработените газове, когато влезе в турбинното колело, компресорът ще се върти по-бързо и ще осигури увеличаване на усилването на входящия въздух. Отрицателен ефект от малко съотношение A / R е тангенциалният поток на отработените газове в турбинното колело, което намалява капацитета на потока на турбокомпресора. Ефектът е повишено противоналягане в изпускателния колектор при високи обороти на двигателя, което се превръща в труден обмен на газ (отработените газове срещу всмукателния въздух) на двигателя и намалена върхова мощност.

А голямо съотношение A / R ще подобри способността на потока на турбокомпресора при високи обороти на двигателя, намаляване на противоналягането в изпускателния колектор. Това ще подобри капацитета на двигателя да „диша“ (обменя газ) с висока скорост и ще насочи максималната мощност към по-високи стойности. Недостатъкът е, че при ниски и средни обороти на двигателя скоростта на отработените газове ще бъде по-ниска (поради по-голяма площ на потока) и увеличаването на усилването на входящия въздух ще бъде по-бавно (турбо-изоставане).

За по-добро разбиране, нека вземем за пример два турбокомпресора с различни съотношения A / R и един и същ основен двигател (6 цилиндъра с 3 литров обем).

С две думи, турбокомпресорите с променлива геометрия (VGT) комбинират предимствата на малко съотношение A / R и голямо съотношение A / R в едно цяло , като обединяват предимствата и на двата типа.

Видове турбокомпресори с променлива геометрия

Променлива геометрия. Единственият правдоподобен начин за получаване на променливо съотношение A / R е чрез промяна на площта на напречното сечение A на потока на отработените газове . Радиусът R винаги ще бъде постоянен.В сравнение с турбокомпресорите с фиксирана геометрия, турбокомпресорите с променлива геометрия са проектирани да:

• увеличават налягането за повишаване на входящия въздух при ниска скорост на двигателя
• подобряват времето за реакция на турбокомпресора по време на преходните фази на работа на двигателя
• увеличете наличността на максималния въртящ момент на двигателя
• предотвратяване на пренасищане при висока скорост на двигателя
• намаляване на емисиите на отработени газове и подобряване на икономията на гориво. В зависимост от производителя на турбокомпресора, в автомобилната индустрия има няколко технически решения. Независимо от използваната механична система, резултатът е един и същ: използване на подвижни компоненти, за да се осигури променлива площ на напречното сечение A, за да получите общо съотношение на променливо A / R.Най-често срещаните видове турбокомпресори с променлива геометрия са:
  • въртящи се лопатки
  • подвижна стена
  • плъзгащ се пръстен
  • променлива площ

  Турбокомпресори с променлива геометрия на въртящи се лопатки

  Въртящите се лопатки се използват широко в приложения за пътнически превозни средства и те са най-често срещаният тип турбокомпресори с променлива геометрия (VGT).

  

  Изображение: Турбокомпресор с променлива геометрия – компоненти

  1. корпус на турбината
  2. турбинно колело
  3. лопатки
  4.  пръстен
  5. регулируем пръстен
  6. лостова система
  7. компресорно колело
  8. корпус на компресора
  9. пневматичен задвижващ механизъм

  Промяната на площта на напречното сечение на турбината се постига чрез въртящите се лопатки (3). Те са механично свързани с регулируем пръстен (5), който се управлява от пневматичния задвижващ механизъм (9) чрез механична лостова система (6).В зависимост от работната точка на двигателя, модулът за управление на двигателя (ECM) регулира налягането на въздуха в пневматичния задвижващ механизъм, който затваря или отваря въртящите се лопатки.

  Изображение:  отваряне на лопатката
  Изображение: VGT (тесен отвор на лопатката)	Изображение: Поток на отработените газове

  При ниски обороти на двигателя лопатките са в тясно положение, площта на напречното сечение на потока на отработените газове е малка, съотношението A / R е при минималната му стойност, а скоростта на отработените газове през турбината е максимална. Това се превръща в висока скорост на компресора и високо усилване на въздуха.

  Изображение: Широко отваряне на лопатката

  При високи обороти на двигателя , лопатките са в широко положение, площта на напречното сечение на потока на отработените газове е голяма, съотношението A / R е в максималната му стойност, а скоростта на отработените газове през турбината е минимална. Скоростта на компресора ще бъде по-ниска, но достатъчна, за да осигури необходимото усилване на входящия въздух.Освен това се увеличава капацитетът на дебита на турбината, което ще намали налягането на отработените газове и ще позволи на двигателя да „диша“ нормално.Положението на лопатките (съотношение A / R) може да се контролира между минимално (напълно затворено) и максимално (напълно отворено) положение. Точното положение на лопатките зависи от работната точка на двигателя с вътрешно горене (скорост и въртящ момент) и се регулира от модула за управление на двигателя (ECM) или модула за управление на силовото устройство (PCM).

  GT17VNT турбокомпресор с променлива геометрия

  GT17VNT турбокомпресор с променлива геометрия

  Най-често срещаният дизайн на турбокомпресори с променлива геометрия е използването на въртящи се лопатки, около колелото на турбината. Тези лопатки се преместват, за да регулират площта на напречното сечение на потока на отработените газове през турбината. Лопатките са монтирани в корпуса на турбината, като единият й край е прикован към корпуса. Другият край на лопатката е свързан чрез щифт към плоча. Въртенето на този пръстен кара всички лопатки да се въртят около фиксираната точка на въртене.

  

  Турбокомпресор с променлива геометрия (VGT) – завъртане на лопатките

  При високи температури на отработените газове сухото триене между металите, шарнирите и пръстена може да бъде проблематично и да доведе до залепване на въртящия механизъм. Ако се забият в отворено положение, работата на двигателя ще бъде лоша при ниски обороти. Ако лопатките се забият в затворено (тясно) положение, при високи обороти на двигателя ще има значително налягане на отработените газове, което ще доведе до превишаване на скоростта и дори до повреда на турбината.Дизайнът на въртящите се фрези е най-често използван в дизелови и бензинови приложения за пътнически автомобили.

  Турбокомпресор с променлива геометрия на стената

  Друг начин за получаване на променливо съотношение A / R е чрез използване на подвижна стена вътре в турбокомпресора. Променливата площ на напречното сечение ще бъде създадена между подвижната стена и корпуса на турбината.

  

   Турбокомпресор с променлива геометрия на стената

  1. компресорно колело
  2. сензор за скорост на вала
  3. пневматичен задвижващ механизъм
  4. фиксирана покривна плоча
  5. турбинно колело
  6. плъзгащ се пръстен на дюза и лопатки (подвижна стена)
  7. бутален прът и втулки
  8. оперативно стебло

  В този дизайн подвижната стена (6) съдържа пръстена на дюзата, като лопатките са фиксирани под постоянен ъгъл. Положението на пръстена на дюзата е спрямо корпуса на турбината, като положението му се регулира от пневматичния задвижващ механизъм (3). При намаляване на площта на напречното сечение, лопатките на пръстена на дюзата влизат във фиксирана стена (4) през радиални прорези.

  Турбокомпресор с плъзгаща дюза – тесен

  Турбокомпресор с плъзгаща дюза – широк

  При ниска скорост на двигателя пръстенът на дюзата се изтласква надясно, намалявайки площта на напречното сечение и съотношението A / R. Това ще наложи увеличаването на скоростта на отработените газове, турбокомпресорът ще се върти по-бързо и усилването на входящия въздух ще се увеличи.Когато пръстенът на дюзата (подвижната стена) е в максималното си ляво положение, площта на напречното сечение на потока на отработените газове е на своя максимум. Съотношението A / R също е на максималната си стойност, като двигателят работи с висока скорост. Дизайнът на подвижната стена има потенциал за по-добра ефективност при висок поток отработени газове. Тъй като няма множество точки на въртене, изтичането на отработени газове е намалено и общата ефективност е подобрена. Основният недостатък на дизайна на подвижната стена са високите производствени разходи, главно поради плътния просвет и минималния контакт между лопатите на пръстените на дюзата и отворите на покриващата плоча.Дизайнът на подвижната стена е най-често използван при дизелови приложения за търговски превозни средства. Например, Scania използва в своите дизелови двигатели приложения плъзгаща се дюза с променлива геометрия турбокомпресор (VGT).

  

  Турбокомпресор с променлива геометрия (VGT) – slidevane

  1. всмукване на въздух
  2. компресорно колело
  3. изход за зареждане на въздуха
  4. сензор за скорост
  5. задвижващо устройство
  6. плъзгаща се дюза-пръстен
  7. турбинно колело
  8. вход за отработени газове
  9. изпускателни газове

  Геометрията и газовият поток в турбокомпресора с променлива геометрия се регулират от плъзгащия се накрайник на дюзата, който се управлява от електрически задвижващ механизъм. Това позволява прецизен контрол както на заряда-въздух към двигателя, така и на потока на EGR.Потокът на входящия въздух може да бъде оптимизиран в целия диапазон на работната скорост на двигателя. Това означава, че VGT може да се използва за подобряване на реакцията на двигателя и ниския клас на въртящия момент. Използва се и за ускоряване на смяната на предавките с Scania Opticruise, като поддържа скоростта на турбината по време на смяна на предавките.

  Турбокомпресор с плъзгащ пръстен с променлива геометрия

  Дизайнът е подобен на архитектурата на подвижната стена. Основната разлика е, че лопатките са фиксирани в статична пластина с дюзи. Промяната на зоната на потока на напречното сечение на отработените газове се извършва чрез подвижен (аксиален) пръстен.

  турбокомпресор с плъзгащ се пръстен GT17

  турбокомпресор с плъзгащ се пръстен GT17

  В затворено (тясно) положение плъзгащият пръстен е близо до плочата на дюзата и целият поток на отработените газове се принуждава да минава през лопатките. Това е положението с най-малкото съотношение A / R, висока скорост на вала и високо усилване на въздуха.Когато плъзгащият се пръстен се отдалечи от накрайника на дюзата, отработените газове частично заобикалят комплекта на лопатките и влизат в турбината директно. В това положение турбината има по-високо съотношение A / R, по-ниска скорост на вала и компресорът осигурява по-ниско усилване на въздуха.

  По отношение на задействащите системи турбокомпресорите с променлива геометрия имат пневматичен задвижващ механизъм или електрически задвижващ механизъм. Въпреки по-високата цена, електрическите задвижвани турбокомпресори имат по-бързо време за реакция и по-прецизно задействане на подвижните елементи.

  

   Турбокомпресор с променлива геометрия (VGT) – електрическо задействане

  Предимства на турбокомпресорите с променлива геометрия

  В сравнение с турбокомпресор с фиксирана геометрия, турбокомпресор с променлива геометрия има следните предимства:

  • по-висок максимален въртящ момент на двигателя: турбокомпресорът с променлива геометрия може да подобри максималния въртящ момент на двигателя в областта на ниския клас поради способността на турбокомпресора да осигурява по-голямо количество въздушна маса; това означава, че се впръсква повече гориво, следователно по-високо средно ефективно налягане и въртящ момент
  • по-бърз отговор на въртящия момент на двигателя : особено в зоната с ниска скорост, забавянето на въртящия момент на двигателя е сведено до минимум поради способността на турбокомпресора да ускорява по-бързо и да осигури необходимото усилване на входящия въздух
  • по-високо съотношение въздух / гориво при ниска скорост на двигателя : допълнителното усилване на входящия въздух дава по-високо съотношение въздух / гориво (повече въздух на разположение за горене), което може да помогне за намаляване на емисиите на отработени газове
  • намалени загуби на дросела в изпускателния колектор : тъй като потокът на отработените газове се регулира от въртящите се лопатки, плъзгащия се пръстен или централния клапан; следователно загубите на дросела на изпускателния колектор се намаляват, което увеличава способността на двигателя да „диша“ (да извършва обмен на газ) с по-малко загуби
  • подобрява скоростта на рециркулация на отработените газове (EGR) : за EGR системи с високо налягане, когато клапанът EGR е отворен, важно е налягането на отработените газове да е по-високо от налягането на входящия въздух, за да има поток на газ; като е в състояние да увеличи обратното налягане в изпускателния колектор, турбокомпресор с променлива геометрия подобрява ефективността на EGR система
  • подобрява ефективността на спиране на двигателя: когато двигателят е в превишено състояние (спиране на двигателя), ако съотношението A / R на турбината е малко, обратното налягане в изпускателния колектор ще бъде по-високо; в този случай спирачният въртящ момент на двигателя ще бъде по-голям, тъй като ще трябва да се компресира въздухът в изпускателната система на по-високо ниво

  Изображение: Сравнение на усилване на налягането	Изображение: Сравнение на въртящия момент на двигателя
  Изображение: Сравнение на мощността на двигателя	Изображение: Сравнение на разхода на гориво

  Изследванията, извършени от Garrett Engine Boosting Systems, показват значителни подобрения в кривата на въртящия момент на двигателя, благодарение на подобрения контрол на съотношението въздух / гориво. За даден силов двигател въртящият момент на съединителя се увеличи до 45%, а върховият въртящ момент с над 30%. Тези две подобрения са пряко свързани с увеличения поток въздух, при ниски обороти на двигателя.В допълнение, по-високите мощностни стойности до 6% също са оценени поради способността да намалява нивата на усилване при високи обороти на двигателя, като по този начин намалява налягането в цилиндъра на двигателя и термичното натоварване на охладителя за зареждане.На динамометъра също са демонстрирани подобрения на икономията на гориво . Способността за оптимизиране на съотношението въздух / гориво, минимизиране на загубите от изпомпване и работа с по-висока ефективност, всички влияят положително на прекъсването на специфичния разход на гориво. При дизелови двигатели при ниски обороти на двигателя емисиите на дим могат да бъдат намалени значително поради способността на турбокомпресора да регулира съотношението въздух / гориво. NO _x емисиите също могат да бъдат намалени благодарение на повишеното налягане в изпускателния колектор. Отрицателната разлика в налягането в двигателя (налягането в изпускателния колектор по-високо от налягането във всмукателния колектор) увеличава потока на отработените газове във всмукателния колектор.

  В зависимост от производителя, турбокомпресорите с променлива геометрия имат различни съкращения, но всички те постигат едно и също нещо: променливо съотношение A / R на турбината :

  • VGT – Турбокомпресор с променлива геометрия (Cummins, Holset)
  • VNT – Турбина с променлива дюза (Honeywell Garrett Turbo Systems)
  • VFT – турбокомпресор с променлив поток (Aisin Seiki)
  • VTG – Променлива геометрия на турбината (BorgWarner Turbo Systems и ABB)
  • VGS – Турбокомпресор за система с променлива геометрия (IHI Turbo)
  • VTA – Променлива зона на турбината (MAN Diesel Turbo Systems)