Turbosprężarki są niemal powszechnie stosowane w drogowych silnikach wysokoprężnych o średniej i dużej średnicy w Ameryce Północnej, a także są prawie w pełni spopularyzowane w silnikach o małej średnicy. Definicja turbosprężarki to pompa odśrodkowa napędzana spalinami, która może „odzyskać” część ciepła odpadowego z cylindrów silnika. W specyficznych zastosowaniach silników wyścigowych prędkość obrotowa turbosprężarki może przekraczać 200 000 obrotów na minutę, ale w silnikach wysokoprężnych jej maksymalna prędkość obrotowa jest zwykle o około 30% niższa. Główną funkcją turbosprężarki jest dostarczanie sprężonego powietrza dolotowego do cylindrów silnika. Krótko mówiąc, zwiększa gęstość tlenu w zasysanym powietrzu. Ponadto turbina napędzana-gazami spalinowymi może także napędzać przekładnię redukcyjną połączoną z wałem korbowym silnika poprzez sprzęgło hydrauliczne. W tym momencie turbosprężarka może pomóc w napędzaniu wału korbowego. Metoda ta nazywana jest technologią turbo kompozytową i jest obecnie stosowana w najnowszej generacji silników wysokoprężnych Detroit. Zostanie ono szerzej przedstawione w dalszej części tego rozdziału. Rysunek 12-7 przedstawia widok z prawej strony silnika Cummins ISX 2010, na którym zaznaczono położenie turbosprężarki.
Rysunek 12-7 Widok silnika Cummins ISX z prawej strony (oznaczony pozycją turbosprężarki)
Zasada działania
Turbosprężarka to pompa powietrza napędzana spalinami, składająca się z turbiny i wirnika zamontowanych na tym samym wale (patrz Rysunek 12-8). Wał zawieszony jest na łożysku ślizgowym za pomocą ciśnieniowego oleju smarowego (zawieszenie hydrodynamiczne). Wirnik turbiny napędzany jest energią (ciepłem) gazów spalinowych silnika i obraca się w obudowie turbiny, przez którą przepływają spaliny. Wirnik znajduje się w niezależnej obudowie sprężarki i oddziałuje na powietrze z układu dolotowego, pompując je do strony ciśnieniowej układu dolotowego. Spaliny napędzające turbinę nie mają kontaktu z powietrzem dolotowym działającym na wirnik. Rysunek 12-9 przedstawia ścieżki przepływu gazu i oleju smarowego w prostej turbosprężarce.
Rysunek 12-8 Wirnik turbosprężarki (lub koło sprężarki)
Rysunek 12-9 Przekrój poprzeczny turbosprężarki (łącznie z kanałem oleju smarowego i kierunkiem przepływu gazu)
Zasada działania sprężarki
Przefiltrowane powietrze zasysane jest zasysane do obudowy sprężarki i napędzane przez wirnik po stronie sprężarki z wałem turbiny. Turbina napędza wirnik tak, aby obracał się po drugiej stronie wału turbiny, dlatego rzeczywista prędkość obrotowa wirnika zależy od warunków pracy panujących wewnątrz obudowy turbiny. Gdy wirnik się obraca, powietrze w układzie dolotowym przyspiesza do dużej prędkości. Strumień powietrza-z dużą prędkością wpływa do dyfuzora promieniowo na zewnątrz. Nawiewnik to urządzenie dławiące, którego celem konstrukcyjnym jest przekształcenie energii kinetycznej (energii ruchu) napływającego powietrza na ciśnienie podczas przepływu strumienia powietrza. Dyfuzor może być typu spiralnego (w kształcie ślimaka) lub typu łopatkowego (patrz Rysunek 12-9). Wydajność dyfuzora łopatkowego jest wyższa.
Zasada działania turbiny
Spaliny kierowane są do obudowy turbiny. Im większa jest wartość ciepła odpadowego silnika (która zwykle wzrasta wraz ze wzrostem mocy silnika), tym większa jest energia cieplna spalin. Spaliny wchodzą promieniowo do obudowy turbiny, a następnie przez spiralę (konstrukcję w kształcie-ślimaka o stopniowo zmniejszającym się- przekroju poprzecznym). Wolta reprezentuje formę dławienia. Kiedy jednak spaliny wypływają ze spirali, rozszerzają się i działają na łopatki turbiny, a następnie wchodzą do układu wydechowego wzdłuż kierunku osiowego.
Stopień rozszerzania się gazu w obudowie turbiny zależy od ciepła gazów spalinowych. W warunkach wysokiej-wyjściowej silnika wzrasta ciepło odpadowe z silnika, a wpływ rozszerzania się gazów spalinowych na łopatki turbiny powoduje wzrost prędkości turbiny. Należy podkreślić, że prędkość obrotowa turbosprężarki zależy głównie od ciepła spalin, a nie od ich ciśnienia. Należy również zrozumieć znaczenie spirali: im mniejszy rozmiar spirali, tym silniejszy efekt dławienia przepływu powietrza, ale-mała średnica spirali oznacza, że spaliny rozszerzają się bardziej podczas wypływania. Najlepszym rozwiązaniem jest możliwość kontrolowania obszaru przepływu spirali, co zostanie szerzej omówione poniżej. Rysunek 12-10 przedstawia schematyczny diagram przepływu gazu w turbosprężarce, ilustrujący kluczowe funkcje spirali i dyfuzora: Należy zwrócić uwagę na kierunki przepływu gazu do i z obudowy turbiny oraz obudowy sprężarki.
Ścieżka przepływu powietrza
Jak pokazano na rysunku 12-10, strumień powietrza wpływa do obudowy turbiny w sposób promieniowy i osiowy. Powietrze przepływa przez obudowę wirnika w kierunku osiowym i na zewnątrz promieniowo. W najprostszej konstrukcji turbosprężarki kanał dolotowy lub gardziel obudowy turbiny nie jest podzielona na segmenty, to znaczy otwory wylotowe wszystkich cylindrów prowadzą do jednego kanału dolotowego. Jednakże turbosprężarki o zmiennej geometrii mogą regulować przepływ powietrza do i z obudowy turbiny. Zostanie to omówione w dalszej części tej sekcji.
Rysunek 12-10 Schematyczny diagram zasady przepływu powietrza w turbosprężarce, przedstawiający funkcje spirali i dyfuzora.
Typ turbosprężarki
Przede wszystkim ważne jest rozróżnienie pomiędzy turbosprężarkami o stałej-geometrii i turbosprężarkami o zmiennej-geometrii. W tym artykule zdefiniowano to w następujący sposób:
• Turbosprężarka o stałej-geometrii: wszystkie gazy spalinowe przepływają przez obudowę turbiny niezależnie od warunków pracy silnika.
• Turbosprężarka o zmiennej geometrii: poprzez sterowanie zewnętrzne lub wewnętrzne reguluje się obszar przepływu wewnątrz obudowy turbiny lub część gazów spalinowych omija obudowę turbiny.
Od 2001 roku turbosprężarki stosowane w większości komercyjnych silników wysokoprężnych na autostradach nadal należały do typu turbosprężarek o stałej geometrii. Ale ta sytuacja uległa zmianie. Obecnie turbosprężarka o stałej-geometrii w silniku wysokoprężnym do samochodów ciężarowych jest zwykle elementem szeregowego układu turbodoładowania lub częścią złożonego układu turbodoładowania. Obecnie prawie wszystkie turbosprężarki wykorzystują jakąś technologię regulowania (kontroli) przepływu gazów spalinowych przez obudowę turbiny, czy to poprzez zawór obejściowy gazów spalinowych, czy za pomocą wewnętrznej zmiennej geometrii.
Turbosprężarka o stałej-geometrii
Opiszmy najpierw zasadę działania turbosprężarki o stałej-geometrii. Turbosprężarki o stałej-geometrii są projektowane tak, aby osiągać optymalną wydajność przy określonych prędkościach i określonym obciążeniu ciepłem odpadowym, co oznacza, że nie są zbyt wszechstronne. Inżynierowie muszą wybrać czas pracy, w którym sprawność turbiny jest najwyższa. Większość silników drogowych wykorzystujących turbosprężarki o stałej-geometrii zwykle osiąga najwyższą sprawność swoich turbin przy pełnym obciążeniu i maksymalnych prędkościach obrotowych. Jeśli zakres roboczy zostanie przekroczony, wydajność spadnie. Turbosprężarka o stałej-geometrii ma prostą konstrukcję. Rysunek 12-9 pokazuje jego typową strukturę.
Ustawienie szczytowej wydajności turbiny przy maksymalnej prędkości obrotowej, a nie przy prędkości znamionowej, umożliwia turbosprężarce o stałej-geometrii uzyskanie charakterystyki-samoregulacyjnej: wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika rzeczywisty czas dostępny na zwiększenie ciśnienia i wtryskiwanie paliwa do cylindra ulega skróceniu. Jeśli turbosprężarka o stałej-geometrii będzie eksploatowana poza określonym zakresem prędkości, krzywa momentu obrotowego silnika gwałtownie spadnie, powodując problemy silnika przy niskich prędkościach i dużych obciążeniach. Przy dużym obciążeniu prędkość gwałtownie spadnie, a zużycie paliwa również ulegnie pogorszeniu.
Ostrzeżenie:
Niewłaściwe dopasowanie turbosprężarek o stałej-geometrii może prowadzić do zbyt wysokiego ciśnienia w cylindrach, powodując awarię silnika lub odwrotnie, skutkować niewystarczającą mocą, emisją czarnego dymu i zwiększoną emisją szkodliwych substancji.
Wskazówki techniczne:
Chociaż silniki wysokoprężne do samochodów ciężarowych z turbosprężarkami o stałej-geometrii są projektowane tak, aby osiągać najwyższą wydajność gazu przy maksymalnym momencie obrotowym, większość innych silników wysokoprężnych wykorzystujących turbosprężarki o stałej-geometrii (takich jak ciężki sprzęt lub agregaty prądotwórcze nie-drogowe) zazwyczaj osiąga to przy prędkości znamionowej (maksymalnej mocy). W tych zastosowaniach turbosprężarki-o stałej geometrii są nadal powszechne i zazwyczaj są zoptymalizowane pod kątem warunków pracy z pełną-mocą i przy-prędkościach.
Turbosprężarka o zmiennej geometrii
Cel turbosprężarki o zmiennej geometrii można podsumować w następujący sposób:
• Gdy obciążenie silnika jest niskie, turbina powinna reagować tak szybko, jak mała turbosprężarka.
• Gdy obciążenie silnika jest duże, turbina powinna zapewnić wystarczające doładowanie, jak duża turbosprężarka.
Nowoczesne turbosprężarki sterowane przez ECM mogą osiągnąć wszystkie powyższe cele i precyzyjną regulację wszystkich stopni pośrednich, zapewniając w ten sposób szybsze prędkości reakcji (zmniejszając histerezę turbo) i niższą emisję. Niektóre obecne turbosprężarki łączą również zewnętrzne zawory obejściowe układu wydechowego i wewnętrzne zmienne geometrie, aby zarządzać ciśnieniem doładowania w najszerszym zakresie prędkości i obciążeń.
• Typ sterowania zaworem obejściowym gazów spalinowych
Turbosprężarka z zaworem obejściowym gazów spalinowych jest stosowana od wielu lat. Zasada jego działania jest następująca: za pomocą „zaworu” kontrolowany jest przepływ całości gazów spalinowych przez obudowę turbiny lub część gazów spalinowych jest bezpośrednio kierowana do układu wydechowego. Obecnie istnieją głównie dwie metody kontroli:
• Sterowanie pneumatyczne: Działanie zaworu obejściowego zależy od ciśnienia w kolektorze dolotowym. Zwykle przyjmuje się zbiornik siłownika ze sprężyną. Domyślnie stan zamknięty pozwala na całkowity przepływ gazów spalinowych przez turbinę. Kiedy ciśnienie doładowania w kolektorze osiągnie ustawioną wartość, ciśnienie pokonuje siłę sprężyny, aby popchnąć drążek sterujący, otwierając zawór w celu ominięcia części gazów spalinowych.
• Sterowanie elektroniczne: kontrolowane przez ECM silnika. Na przykład w niektórych silnikach zastosowano turbiny obejściowe układu wydechowego z podwójnymi otworami dolotowymi. Moduł ECM precyzyjnie zarządza ciśnieniem działającym na siłownik poprzez zawory elektromagnetyczne i ciśnienie w kolektorze, uzyskując-wielostopniową regulację doładowania. Jego zasadę sterowania można podsumować jako złożony mechanizm sterujący „sterowaniem elektronicznym - elektrycznym - pneumatycznym”.
• Turbina o zmiennej geometrii sterowana spiralnie
Turbosprężarki o zmiennej geometrii ze sterowaniem spiralnym są szeroko stosowane w dzisiejszych silnikach wysokoprężnych. Silniki wyścigowe od wielu lat wykorzystują dysze o zmiennej aperturze do kontrolowania obszaru przepływu spirali, a silniki wysokoprężne zapożyczyły tę technologię. Pierwsza turbosprężarka ze sterowaniem spiralnym zastosowana w silnikach wysokoprężnych pojawiła się na początku lat 90. XX wieku i początkowo odniosła ograniczony sukces. Jednak obecnie zdecydowana większość producentów silników wysokoprężnych woli zastosować technologię o zmiennej pojemności skokowej niż tradycyjną turbosprężarkę z zaworem obejściowym układu wydechowego. Typowym przykładem jest turbina o zmiennej geometrii (VGT) zainstalowana w silniku Paccar MX13 pokazana na rysunku 12-11. Aby zilustrować zasadę działania turbiny o zmiennej geometrii, jako przykład weźmiemy typową turbosprężarkę ze sterowaniem spiralnym pokazaną na rysunku 12-12.
Rysunek 12-11 Turbina o zmiennej geometrii (VGT) stosowana w silniku Paccar MX13
Rysunek 12-12 Przekrój turbiny o zmiennej geometrii (VGT) ze szczególnym uwzględnieniem jej siłownika
Turbosprężarka ze zmienną dyszą
Rysunek 12-12 przedstawia przekrój poprzeczny typowej turbosprężarki o zmiennej dyszy. Aby zidentyfikować kluczowe elementy, takie jak turbina, zębnik, łopatka dyszy i pierścień synchroniczny, należy zapoznać się z rysunkiem 12-13.
Rysunek 12-13 Zasada działania podzespołów turbosprężarek VN.
Turbosprężarka o zmiennej dyszy generuje wymagane ciśnienie doładowania poprzez regulację kąta łopatek w celu zmiany obszaru przepływu spiralnego. Proces ten realizowany jest poprzez działanie ciśnienia oleju na tłok, który zazębia się z kołem zębatym CAM i wałem korbowym, wprawiając w ten sposób pierścień synchroniczny w ruch obrotowy. Pierścień synchroniczny obsługuje wszystkie zespoły ostrzy. Każde ostrze wyposażone jest w spiralny rowek. Kiedy zmienia się położenie obrotowe pierścienia synchronicznego, ostrze obraca się, a jego sworzeń stanowi punkt podparcia, osiągając w ten sposób synchroniczną regulację kąta nachylenia ostrza. Dzięki temu mechanizmowi można zwiększyć lub zmniejszyć powierzchnię przepływu spirali (strona wlotowa), co bezpośrednio wpływa na wydajność gazu wewnątrz obudowy turbiny. Krótko mówiąc, powierzchnia przepływu spirali określa prędkość turbiny i ostatecznie ciśnienie doładowania generowane przez sprężarkę turbiny.
Zmienne sterowanie dyszami
Turbosprężarka ze zmienną dyszą jest regulowana za pomocą zaworu sterującego ze zmienną dyszą. Ten zawór sterujący jest siłownikiem proporcjonalnym zarządzanym przez moduł sterujący silnika, zdolnym do przekształcania wejściowego sygnału prądowego na określone położenie pierścienia tłokowego. Gdy łopatki znajdują się blisko pozycji zamkniętej (łopatki nigdy nie zostaną całkowicie zamknięte), turbosprężarka generuje maksymalne ciśnienie doładowania. Zarządzanie sprężonym powietrzem jest całkowicie zależne od położenia łopatek, ponieważ kąt łopatek bezpośrednio określa sposób, w jaki spaliny oddziałują na turbinę. Rysunek 12-14 pokazuje, jak ciśnienie oleju napędza pierścień tłokowy, uruchamiając krzywkę i mechanizm korbowy, powodując obrót pierścienia synchronicznego w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, poszerzając w ten sposób łopatki i zmniejszając wydajność gazową turbiny.
Rysunek 12-14 Turbosprężarka VN: Zwiększ rozwarcie łopatek, aby zmniejszyć wydajność turbiny.
Kiedy ciśnienie oleju powoduje przesunięcie tłoka w lewo (Rysunek 12-15), pierścień synchroniczny obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, ustawiając łopatki pod kątem zbliżonym do położenia zamkniętego, zwiększając wydajność turbiny i zapewniając maksymalne doładowanie. Ten proces działania można przedstawić na rysunku 12.16.
Rysunek 12-15 Turbosprężarka VN: Zmniejsz otwarcie łopatek, aby uzyskać maksymalne doładowanie.
Rysunek 12-16 Rola pierścienia synchronicznego w sterowaniu otwarciem łopatki.
Prędkość obrotowa turbosprężarki o zmiennej dyszy jest przekazywana z powrotem do modułu sterującego silnika poprzez czujnik prędkości osiowej oparty na zasadzie generatora impulsów indukcyjnych. Jego sygnał wyzwalający pobierany jest z płaskiej konstrukcji w określonym miejscu na wale turbiny.
3. Turbina spiralna z pierścieniem ślizgowym
Kolejna zmienna konstrukcja spiralna zastosowana w turbosprężarkach Cummins Honicell: obszar przepływu jest regulowany poprzez przesuwanie pierścienia ślizgowego przez siłownik VG. Jej cel jest taki sam jak turbiny VN firmy Caterpillar, jednak sposób, w jaki jest osiągany, jest nieco inny. Rysunek 12-17 przedstawia typowy moduł siłownika VG stosowany w silnikach po 2010 roku.
Rysunek 12-17: Moduł siłownika VG zastosowany w typowym silniku 10 lat później.