С развитием турбин для ДВС производители пытаются повысить их согласованность с моторами и эффективность. Наиболее технически совершенным серийным решением является изменение геометрии впускной части. Далее рассмотрена конструкция турбин с изменяемой геометрией, принцип работы, особенности обслуживания.
Общие особенности
Рассматриваемые турбины отличаются от обычных возможностью адаптации к режиму работы двигателя путем изменения соотношения A/R, определяющего пропускную способность. Это геометрическая характеристика корпусов, представленная частным площади поперечного сечения канала и расстояния между центром тяжести данного сечения и центральной осью турбины.
Актуальность турбокомпрессоров с изменяемой геометрией обусловлена тем, что для высоких и низких оборотов оптимальные значения данного параметра существенно отличаются. Так, при малой величиние A/R поток имеет большую скорость, вследствие чего турбина быстро раскручивается, однако предельная пропускная способность невелика. Большие значения данного параметра, наоборот, определяют большую пропускную способность и малую скорость выхлопных газов.
Следовательно, при чрезмерно высоком показателе A/R турбина не сможет создать давление на низких оборотах, а при слишком низком задушит мотор на верхах (ввиду противодавления в выпускном коллекторе упадет производительность). Поэтому на турбокомпрессорах с фиксированной геометрией подбирают среднее значение A/R, позволяющее функционировать во всем диапазоне оборотов, в то время как принцип работы турбин с изменяемой геометрией основан на поддержании его оптимальной величины. Поэтому такие варианты при низком пороге наддува и минимальном лаге высокоэффективны на больших оборотах.
Помимо основного названия (турбины с изменяемой геометрией (VGT, VTG)) данные варианты известны как модели с изменяемым соплом (VNT), с изменяемой крыльчаткой (VVT), с турбинным соплом переменной площади (VATN).
Турбина с изменяемой геометрией была разработана Garrett. Помимо нее, выпуском таких деталей занимаются прочие производители, в том числе MHI и BorgWarner. Основным производителем вариантов со скользящим кольцом является Cummins Turbo Technologies.
Несмотря на применение турбин с изменяемой геометрией преимущественно на дизельных двигателях, они весьма распространены и набирают популярность. Предполагается, что в 2020 г. такие модели будут занимать более 63 % мирового рынка турбин. Расширение использования этой технологии и ее развитие обусловлено, прежде всего, ужесточением экологических норм.
Конструкция
Устройство турбины с изменяемой геометрией от обычных моделей отличается наличием дополнительного механизма во входной части турбинного корпуса. Существует несколько вариантов его конструкции.
Наиболее распространенным типом является скользящее лопастное кольцо. Данное устройство представлено кольцом с рядом жестко закрепленных лопаток, расположенных вокруг ротора и движущихся относительно неподвижной пластины. Скользящий механизм служит для сужения/расширения прохода для потока газов.
Ввиду того, что лопастное кольцо скользит в осевом направлении, этот механизм весьма компактный, а минимальное количество слабых мест обеспечивает прочность. Данный вариант подходит для больших двигателей, поэтому применяется в основном на грузовиках и автобусах. Он характеризуется простотой, высокой производительностью на «низах», надежностью.
Второй вариант также предполагает наличие лопастного кольца. Однако в данном случае оно жестко закреплено на плоской пластине, а лопатки установлены на штифтах, обеспечивающих их вращение в осевом направлении, по другую ее сторону. Таким образом, геометрия турбины изменяется посредством лопастей. Этот вариант отличается лучшей эффективностью.
Однако ввиду большого количества подвижных элементов такая конструкция менее надежна, особенно в высокотемпературных условиях. Отмеченные проблемы обусловлены трением металлических деталей, которые при нагреве расширяются.
Еще один вариант — движущаяся стенка. Во многом он аналогичен технологии скользящего кольца, однако в данном случае неподвижные лопасти установлены на статичной пластине, а не на скользящем кольце.
Турбокомпрессор с переменной площадью (VAT) предполагает наличие лопаток, вращающихся вокруг точки установки. В отличие от схемы с поворотными лопастями они установлены не по окружности кольца, а в ряд. Ввиду того, что такой вариант требует сложной и дорогой механической системы, были разработаны упрощенные версии.
Одна из них — турбокомпрессор с переменным расходом (VFT) Aisin Seiki. Корпус турбины разделен на два канала неподвижной лопастью и оснащен заслонкой, распределяющей поток между ними. Еще несколько неподвижных лопаток установлены вокруг ротора. Они обеспечивают удержание и слияние потока.
Второй вариант, называемый схемой Switchblade, ближе к VAT, однако здесь вместо ряда лопаток используется одна лопасть, также вращающаяся вокруг точки установки. Существует два типа такой конструкции. Один из них предполагает установку лопасти в центральной части корпуса. Во втором случае она находится посреди канала и разделяет его на два отсека, как лопатка VFT.
Для управления турбиной с изменяемой геометрией применяются приводы: электрические, гидравлические, пневматические. Контроль турбокомпрессора осуществляет блок управления двигателем (ЭБУ, БУД).
Следует отметить, что для таких турбин не требуется перепускной клапан, так как благодаря точному контролю возможно замедлить поток выхлопных газов недекомпрессионным способом и пропустить избытки через турбину.
Принцип функционирования
Принцип работы турбин с изменяемой геометрией состоит в поддержании оптимального значения A/R и угла завихрения путем изменения площади поперечного сечения впускной части. Он основан на том, что скорость потока выхлопных газов связана обратной зависимостью с шириной канала. Поэтому на «низах» для быстрой раскрутки сечение входной части уменьшается. С ростом оборотов для увеличения потока оно постепенно расширяется.
Механизм изменения геометрии
Механизм осуществления данного процесса определяется конструкцией. В моделях с вращающимися лопастями это достигается путем изменения их положения: для обеспечения узкого сечения лопатки располагаются перпендикулярно радиальным линиям, а для расширения канала они переходят в ступенчатое положение.
У турбин со скользящими кольцом и подвижной стенкой происходит осевое перемещение кольца, что также меняет сечение канала.
Принцип функционирования VFT основан на разделении потока. Ускорение его на низких оборотах осуществляется путем перекрытия заслонкой внешнего отсека канала, вследствие чего газы идут к ротору кратчайшим путем. При росте нагрузки заслонка поднимается, пропуская поток через оба отсека для расширения пропускной способности.
Для VAT и моделей Switchblade изменение геометрии осуществляется посредством поворота лопасти: на низких оборотах она поднимается, сужая проход для ускорения потока, а на высоких прилегает к турбинному колесу, расширяя пропускную способность. Для турбин Switchblade второго типа характерен обратный порядок работы лопасти.
Так, на «низах» она прилегает к ротору, вследствие чего поток идет только вдоль внешней стенки корпуса. С ростом оборотов лопатка поднимается, открывая проход вокруг крыльчатки для повышения пропускной способности.
Привод
Среди приводов наиболее распространены пневматические варианты, где управление механизмом осуществляется поршнем, перемещаемым внутри цилиндра воздухом.
Положение лопастей регулируется мембранным приводом, связанным штоком с лопастным кольцом управления, поэтому горловина может постоянно изменяться. Актуатор приводит шток в зависимости от уровня вакуума, противодействуя пружине. Модуляция вакуума контролирует электрический клапан, подающий линейный ток в зависимости от параметров вакуума. Вакуум может создаваться вакуумным насосом усилителя тормозов. Ток подается от аккумулятора и модулирует ЭБУ.
Основной недостаток таких приводов обусловлен сложно предсказуемым состоянием газа после сжатия, особенно при нагреве. Поэтому более совершенными являются гидравлические и электрические приводы.
Гидравлические приводы функционируют по тому же принципу, что и пневматические, но вместо воздуха в цилиндре используется жидкость, которая может быть представлена моторным маслом. К тому же она не сжимается, вследствие чего такая система обеспечивает лучший контроль.
Для перемещения кольца электромагнитный клапан использует давление масла и сигнал ЭБУ. Гидравлический поршень перемещает зубчато-реечный механизм, вращающий зубчатую шестерню, вследствие чего лопасти шарнирно соединяются. Для передачи положения лопасти БУД по кулачку ее привода перемещается аналоговый датчик положения. При малом давлении масла лопасти открыты и закрываются с его возрастанием.
Электрический привод является наиболее точным, так как напряжение может обеспечить очень тонкий контроль. Однако он требует дополнительного охлаждения, которое обеспечивают трубками с охлаждающей жидкостью (в пневматических и гидравлических вариантах для удаления тепла используется жидкость).
Для привода устройства изменения геометрии служит селекторный механизм.
В некоторых моделях турбин используется вращающийся электрический привод с прямым шаговым двигателем. В данном случае положение лопастей регулируется электронным клапаном обратной связи через механизм реечной передачи. Для обратной связи с БУД служит прикрепленный к шестерне кулачок с магниторезистивным датчиком.
При необходимости поворота лопаток ЭБУ обеспечивает подачу тока в определенном диапазоне для перехода их в заданное положение, после чего, получив сигнал от датчика, обесточивает клапан обратной связи.
Блок управления двигателем
Из вышесказанного следует, что принцип работы турбин с изменяемой геометрией основан на оптимальной координации дополнительного механизма в соответствии с режимом работы двигателя. Следовательно, требуется точное его позиционирование и постоянный контроль. Поэтому турбины с изменяемой геометрией контролируются блоками управления двигателем.
Они используют стратегии, направленные либо на максимальную производительность, либо на улучшение экологических показателей. Существует несколько принципов функционирования БУД.
Наиболее распространенный из них предполагает использование справочной информации, основанной на эмпирических данных и моделях двигателя. В данном случае контроллер прямой связи выбирает значения из таблицы и использует обратную связь для сокращения ошибок. Это универсальная технология, позволяющая применять различные стратегии управления.
Основной ее недостаток состоит в ограничениях при переходных процессах (резких ускорениях, переключениях передач). Для его устранения использовали многопараметрические, PD- и PID-контроллеры. Последние считают наиболее перспективными, однако они недостаточно точны во всем диапазоне нагрузок. Это решили путем применения нечеткой логики алгоритмов принятия решений с использованием MAS.
Существует две технологии предоставления справочной информации: модель двигателя средних значений и искусственные нейронные сети. Последняя включает две стратегии. Одна из них предполагает поддержание наддува на заданном уровне, другая — поддержание отрицательной разницы давления. Во втором случае достигаются лучшие экологические показатели, но наблюдается превышение скорости турбины.
Не многие производители занимаются разработкой БУД для турбокомпрессоров с изменяемой геометрией. Подавляющая их часть представлена продукцией автопроизводителей. Однако на рынке существуют некоторые сторонние высококлассные ЭБУ, рассчитанные на такие турбины.
Общие положения
Основные характеристики турбин представлены массовым расходом воздуха и скоростью потока. Площадь впускной части относится к ограничивающим производительность факторам. Варианты с изменяемой геометрией позволяют менять данную область. Так, эффективная площадь определяется высотой прохода и углом лопастей. Первый показатель изменяем в вариантах со скользящим кольцом, второй — в турбинах с поворотными лопатками.
Таким образом, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией постоянно обеспечивают требуемый наддув. Благодаря этому оснащенные ими двигатели не имеют лагов, обусловленных временем раскрутки турбины, как с обычными большими турбонагнетателями, и не задыхаются на высоких оборотах, как с маленькими.
Наконец, следует отметить, что, несмотря на то, что турбокомпрессоры с изменяемой геометрией рассчитаны на работу без перепускного клапана, было установлено, что они обеспечивают прибавку производительности, прежде всего, на «низах», а на высоких оборотах при полностью открытых лопатках не в состоянии справиться с большим массовым расходом. Поэтому для предотвращения избыточного противодавления все же рекомендуется использовать вестгейт.
Достоинства и недостатки
Подстройка турбины под режим работы двигателя обеспечивает улучшение всех показателей в сравнении с вариантами с фиксированной геометрией:
- лучшие отзывчивость и производительность во всем диапазоне оборотов;
- более ровная кривая крутящего момента на средних оборотах;
- возможность функционирования двигателя при частичной нагрузке на более эффективной обедненной топливо-воздушной смеси;
- лучшая тепловая эффективность;
- предотвращение чрезмерного наддува на высоких оборотах;
- лучшие экологические показатели;
- меньший расход топлива;
- расширенный рабочий диапазон турбины.
Основным недостатком турбокомпрессоров с изменяемой геометрией является значительно усложненная конструкция. Ввиду наличия дополнительных движущихся элементов и приводов они менее надежны, а обслуживание и ремонт турбин такого типа сложнее. К тому же модификации для бензиновых моторов очень дороги (примерно в 3 раза дороже обычных). Наконец, данные турбины сложно совместить с не рассчитанными на них двигателями.
Следует отметить, что по пиковой производительности турбины с изменяемой геометрией нередко уступают обычным аналогам. Это объясняется потерями в корпусе и вокруг опор подвижных элементов. К тому же максимальная производительность резко падает при отходе от оптимального положения. Однако общая эффективность турбокомпрессоров такой конструкции выше, чем у вариантов с фиксированной геометрией, ввиду большего рабочего диапазона.
Применение и дополнительные функции
Сфера применения турбин с изменяемой геометрией определяется их типом. Так, на двигатели легковых и легких коммерческих автомобилей устанавливают варианты с вращающимися лопастями, а модификации со скользящими кольцом применяют в основном на грузовиках.
В целом чаще всего турбины с изменяемой геометрией используют на дизельных двигателях. Это объясняется невысокой температурой их выхлопных газов.
На легковых дизелях такие турбонагнетатели служат, прежде всего, для компенсации потери производительности от системы рециркуляции отработанных газов.
На грузовиках сами турбины могут улучшать экологичность путем контроля количества выхлопных газов, рециркулируемых к впускному отверстию двигателя. Так, с использованием турбокомпрессоров с изменяемой геометрией можно повысить давление в выпускном коллекторе до величины, большей, чем во впускном, с целью ускорения рециркуляции. Несмотря на то что избыточное противодавление отрицательно сказывается на эффективности использования топлива, оно способствует сокращению выбросов оксида азота.
К тому же механизм можно модифицировать с целью сокращения эффективности турбины в заданном положении. Это используется для повышения температуры выхлопных газов с целью продувки сажевого фильтра путем окисления застрявших углеродных частиц в результате нагрева.
Данные функции требуют наличия гидравлического или электрического привода.
Отмеченные преимущества турбин с изменяемой геометрией перед обычными определяют их как оптимальный вариант для спортивных моторов. Однако на бензиновых двигателях они встречаются крайне редко. Известно всего несколько оснащенных ими спорткаров (в настоящее время — Porsche 718, 911 Turbo и Suzuki Swift Sport). По словам одного из менеджеров BorgWarner, это объясняется очень высокой стоимостью производства таких турбин, обусловленной необходимостью применения специализированных термостойких материалов для взаимодействия с высокотемпературными выхлопными газами бензиновых моторов (выхлопные газы дизелей имеют гораздо меньшую температуру, поэтому турбины для них дешевле).
Первые VGT, используемые на бензиновых двигателях, были сделаны из обычных материалов, поэтому для обеспечения приемлемого срока эксплуатации приходилось использовать сложные системы охлаждения. Так, на Honda Legend 1988 г. такую турбину совместили с интеркуллером водяного охлаждения. К тому же для двигателей данного типа более обширен диапазон пропускной способности выхлопных газов, следовательно, требуется возможность обработки большего диапазона массового расхода.
Производители достигают требуемых показателей производительности, отзывчивости, эффективности и экологичности наиболее дешевыми методами. Исключение составляют единичные случаи, когда конечная стоимость не приоритетна. В данном контексте это, например, достижение рекордных показателей на Koenigsegg One: 1 или адаптация Porsche 911 Turbo к гражданской эксплуатации.
В целом подавляющее большинство турбированных автомобилей оснащают турбокомпрессорами обычной конструкции. Для высокопроизводительных спортивных двигателей нередко используют твинскрольные варианты. Хотя такие турбокомпрессоры уступают VGT, они обладают теми же преимуществами перед обычными турбинами, только в меньшей степени, и при этом имеют почти такую же простую конструкцию, как и последние. Что касается тюнинга, здесь использование турбокомпрессоров с изменяемой геометрией, помимо высокой стоимости, ограничено сложностью их настройки.
Для бензиновых двигателей в исследовании H. Ishihara, K. Adachi и S. Kono в качестве наиболее оптимальной среди VGT была отмечена турбина с переменным расходом (VFT). Благодаря только одному движущемуся элементу сокращены затраты на производство и повышена температурная устойчивость. К тому же такая турбина действует по простому алгоритму БУД, аналогичному вариантам с фиксированной геометрией, оснащенным перепускным клапаном. Особенно хорошие результаты были получены при совмещении такой турбины с iVTEC. Однако для систем принудительной индукции наблюдается повышение температуры выхлопных газов на 50-100 °C, что сказывается на экологических показателях. Данную проблему решили использованием алюминиевого коллектора с водяным охлаждением.
Решением BorgWarner для бензиновых двигателей стало совмещение твинскрольной технологии и конструкции с изменяемой геометрией в твинскрольной турбине с изменяемой геометрией, представленной на SEMA 2015 г. Ее конструкция аналогична твинскрольной турбине: данный турбокомпрессор имеет двойную входную часть и сдвоенное монолитное турбинное колесо и совмещен с твинскрольным коллектором, учитывающим последовательность работы цилиндров для устранения пульсации выхлопных газов с целью создания более плотного потока.
Отличие состоит в наличии во входной части заслонки, которая в зависимости от нагрузки распределяет поток по крыльчаткам. На низких оборотах все отработанные газу идут на маленькую часть ротора, а большая перекрыта, что обеспечивает еще более быструю раскрутку, чем у обычной твинскрольной турбины. С ростом нагрузки заслонка постепенно переходит в среднее положение и равномерно распределяет поток на высоких оборотах, как в стандартной твинскрольной конструкции. То есть по устройству механизма изменения геометрии такая турбина близка к VFT.
Таким образом, данная технология, как и технология с изменяемой геометрией, обеспечивает изменение соотношения A/R в зависимости от нагрузки, подстраивая турбину под режим работы двигателя, что расширяет рабочий диапазон. При этом рассматриваемая конструкция значительно проще и дешевле, так как здесь используется только один движущийся элемент, работающий по простому алгоритму, и не требуется применение термостойких материалов. Последнее обусловлено снижением температуры за счет потери тепла на стенках двойного корпуса турбины. Следует отметить, что подобные решения встречались и ранее (например, quick spool valve), однако эта технология по каким-то причинам не обрела распространения.
Обслуживание и ремонт
Основной операцией обслуживания турбин является чистка. Необходимость в ней обусловлена их взаимодействием с выхлопными газами, представленными продуктами горения топлива и масел. Однако чистка требуется весьма редко. Интенсивное загрязнение свидетельствует о нарушениях режима функционирования, что может быть вызвано чрезмерным давлением, износом прокладок либо втулок крыльчаток, а также поршневого отсека, засорением сапуна.
Турбины с изменяемой геометрией более чувствительны к загрязнению, чем обычные. Это обусловлено тем, что накопление нагара в направляющем аппарате устройства изменения геометрии приводит к его подклиниванию или утрате подвижности. В результате нарушается функционирование турбокомпрессора.
В простейшем случае чистку осуществляют путем использования специальной жидкости, однако нередко требуются ручные работы. Предварительно необходимо разобрать турбину. При отсоединении механизма изменения геометрии следует соблюдать осторожность во избежание обрезания крепежных болтов. Последующее высверливание их обломков может привести к повреждению отверстий. Таким образом, чистка турбины с изменяемой геометрией несколько осложнена.
К тому же нужно учитывать, что при неосторожном обращении с картриджем можно повредить либо деформировать лопасти ротора. В случае его разборки по завершении чистки потребуется балансировка, однако внутри картриджа чистку обычно не делают.
Масляный нагар на колесах свидетельствует о износе поршневых колец либо клапанной группы, а также уплотнений ротора в картридже. Чистка без устранения данных неисправностей двигателя или ремонта турбины нецелесообразна.
После замены картриджа для турбокомпрессоров рассматриваемого типа требуется настройка геометрии. Для этого служат упорный и шершавый регулировочные винты. Следует отметить, что некоторые модели первого поколения изначально не настроены производителями, вследствие чего у них снижена производительность на «низах» на 15-25 %. В частности, это актуально для турбин Garrett. В Интернете можно найти инструкции, как отрегулировать турбину с изменяемой геометрией.
Резюме
Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией представляют высшую ступень развития серийных турбин для ДВС. Дополнительный механизм во впускной части обеспечивает адаптацию турбины к режиму работы двигателя путем регулировки конфигурации. Это улучшает показатели производительности, экономичности и экологичности. Однако конутрукция VGT сложна, а модели для бензиновых моторов очень дороги.
