Turbina a geometria variabile: principio di funzionamento, dispositivo, riparazione

2024 Autore: Erin Ralphs | [email protected]. Ultima modifica: 2024-02-19 17:04

Con lo sviluppo delle turbine ICE, i produttori stanno cercando di migliorare la loro coerenza con i motori e l'efficienza. La soluzione seriale tecnicamente più avanzata è un cambiamento nella geometria dell'ingresso. Successivamente, vengono presi in considerazione il design delle turbine a geometria variabile, il principio di funzionamento e le caratteristiche di manutenzione.

Caratteristiche generali

Le turbine in esame si differenziano da quelle usuali per la capacità di adattarsi alla modalità di funzionamento del motore variando il rapporto A/R, che ne determina la portata. Questa è una caratteristica geometrica degli alloggiamenti, rappresentata dal rapporto tra l'area della sezione trasversale del canale e la distanza tra il baricentro di questa sezione e l'asse centrale della turbina.

La rilevanza dei turbocompressori a geometria variabile è dovuta al fatto che per alte e basse velocità i valori ottimali di questo parametro differiscono notevolmente. Quindi, per un piccolo valore di A/R, il flussoha un' alta velocità, per cui la turbina gira rapidamente, ma la portata massima è bassa. Valori elevati di questo parametro, al contrario, determinano una grande portata e una bassa velocità dei gas di scarico.

Di conseguenza, con un A/R troppo alto, la turbina non sarà in grado di creare pressione ai bassi regimi, e se è troppo basso strozzerà il motore in alto (a causa della contropressione nel collettore di scarico, le prestazioni diminuiranno). Pertanto, sui turbocompressori a geometria fissa si seleziona un valore medio A/R che gli permetta di operare su tutto il range di velocità, mentre il principio di funzionamento delle turbine a geometria variabile si basa sul mantenimento del suo valore ottimale. Pertanto, tali opzioni con una soglia di boost bassa e un ritardo minimo sono molto efficaci alle alte velocità.

Oltre al nome principale (turbine a geometria variabile (VGT, VTG)), queste varianti sono note come modelli con ugello variabile (VNT), girante variabile (VVT), ugello turbina ad area variabile (VATN).

La turbina a geometria variabile è stata sviluppata da Garrett. Oltre a ciò, altri produttori sono impegnati nel rilascio di tali parti, inclusi MHI e BorgWarner. Il principale produttore di varianti di collettori rotanti è Cummins Turbo Technologies.

Nonostante l'uso di turbine a geometria variabile principalmente sui motori diesel, sono molto comuni e stanno guadagnando popolarità. Si presume che nel 2020 tali modelli ne occuperanno più di 63% del mercato globale delle turbine. L'espansione dell'uso di questa tecnologia e il suo sviluppo è dovuto principalmente all'inasprimento delle normative ambientali.

Design

Il dispositivo a turbina a geometria variabile differisce dai modelli convenzionali per la presenza di un meccanismo aggiuntivo nella parte di ingresso dell'alloggiamento della turbina. Ci sono diverse opzioni per il suo design.

Il tipo più comune è l'anello a paletta scorrevole. Questo dispositivo è rappresentato da un anello con un numero di lame fissate rigidamente disposte attorno al rotore e mobili rispetto alla piastra fissa. Il meccanismo di scorrimento serve per restringere/estendere il passaggio per il flusso dei gas.

A causa del fatto che l'anello della paletta scorre in direzione assiale, questo meccanismo è molto compatto e il numero minimo di punti deboli garantisce resistenza. Questa opzione è adatta per motori di grandi dimensioni, quindi viene utilizzata principalmente su camion e autobus. È caratterizzato da semplicità, alte prestazioni nella parte inferiore, affidabilità.

La seconda opzione presuppone anche la presenza di un anello a paletta. Tuttavia, in questo caso, è fissato rigidamente su una piastra piana e le lame sono montate su perni che ne assicurano la rotazione in direzione assiale, dall' altra parte di essa. Pertanto, la geometria della turbina viene modificata per mezzo delle pale. Questa opzione ha la migliore efficienza.

Tuttavia, a causa dell'elevato numero di parti mobili, questo design è meno affidabile, soprattutto in condizioni di alta temperatura. Segnatoi problemi sono causati dall'attrito delle parti metalliche, che si espandono quando vengono riscaldate.

Un' altra opzione è un muro mobile. È simile in molti modi alla tecnologia degli anelli di contatto, tuttavia in questo caso le lame fisse sono montate su una piastra statica anziché su un anello di contatto.

Il turbocompressore ad area variabile (IVA) ha lame che ruotano attorno al punto di installazione. A differenza dello schema con lame rotanti, sono installati non lungo la circonferenza dell'anello, ma in fila. Poiché questa opzione richiede un sistema meccanico complesso e costoso, sono state sviluppate versioni semplificate.

Uno è il turbocompressore a flusso variabile (VFT) Aisin Seiki. L'alloggiamento della turbina è diviso in due canali da una pala fissa ed è dotato di una serranda che distribuisce il flusso tra di loro. Alcune lame fisse in più sono installate attorno al rotore. Forniscono ritenzione e fusione del flusso.

La seconda opzione, chiamata schema Switchblade, è più vicina all'IVA, ma invece di una fila di lame, viene utilizzata una singola lama, anch'essa rotante attorno al punto di installazione. Esistono due tipi di tale costruzione. Uno di questi prevede l'installazione della lama nella parte centrale del corpo. Nel secondo caso, si trova al centro del canale e lo divide in due scomparti, come una pagaia VFT.

Per controllare una turbina a geometria variabile si utilizzano azionamenti: elettrici, idraulici, pneumatici. Il turbocompressore è controllato dalla centralinamotore (ECU, ECU).

Da notare che queste turbine non necessitano di una valvola di bypass, in quanto grazie a un controllo preciso è possibile rallentare il flusso dei gas di scarico in modo non decompressivo e far passare l'eccesso attraverso la turbina.

Principio di funzionamento

Le turbine a geometria variabile funzionano mantenendo l'A/R ottimale e l'angolo di turbolenza modificando l'area della sezione trasversale dell'ingresso. Si basa sul fatto che la velocità del flusso del gas di scarico è inversamente correlata alla larghezza del canale. Pertanto, sui "fondi" per la promozione rapida, la sezione trasversale della parte di input viene ridotta. Con l'aumento della velocità per aumentare il flusso, si espande gradualmente.

Meccanismo per cambiare la geometria

Il meccanismo per l'attuazione di questo processo è determinato dal progetto. Nei modelli con lame rotanti, ciò si ottiene cambiando la loro posizione: per garantire una sezione ristretta, le lame sono perpendicolari alle linee radiali e per allargare il canale vanno in posizione a gradini.

Le turbine ad anello scorrevole con parete mobile hanno un movimento assiale dell'anello, che cambia anche la sezione del canale.

Il principio di funzionamento del VFT si basa sulla separazione del flusso. La sua accelerazione alle basse velocità avviene chiudendo il vano esterno del canale con una serranda, per cui i gas vanno al rotore nel modo più breve possibile. All'aumentare del carico, l'ammortizzatoreaumenta per consentire al flusso attraverso entrambe le baie di espandere la capacità.

Per i modelli VAT e Switchblade, la geometria viene modificata ruotando la pala: alle basse velocità si alza, restringendo il passaggio per velocizzare il flusso, e alle alte velocità, è adiacente alla girante della turbina, espandendosi portata. Le turbine Switchblade di tipo 2 sono dotate di funzionamento a pale invertite.

Quindi, sul "fondo" è adiacente al rotore, per cui il flusso scorre solo lungo la parete esterna dell'alloggiamento. All'aumentare del numero di giri, la pala si alza, aprendo un passaggio attorno alla girante per aumentare la portata.

Guida

Tra le trasmissioni, le più comuni sono le opzioni pneumatiche, in cui il meccanismo è controllato da un pistone che muove l'aria all'interno del cilindro.

La posizione delle palette è controllata da un attuatore a membrana collegato da un'asta all'anello di controllo delle palette, in modo che la gola possa cambiare costantemente. L'attuatore aziona lo stelo in base al livello di vuoto, contrastando la molla. La modulazione del vuoto controlla un'elettrovalvola che fornisce una corrente lineare in funzione dei parametri del vuoto. Il vuoto può essere generato dalla pompa del vuoto del servofreno. La corrente viene fornita dalla batteria e modula la ECU.

Lo svantaggio principale di tali azionamenti è dovuto alla difficoltà di prevedere lo stato del gas dopo la compressione, soprattutto se riscaldato. Quindi più perfettosono azionamenti idraulici ed elettrici.

Gli attuatori idraulici funzionano secondo lo stesso principio degli attuatori pneumatici, ma al posto dell'aria nel cilindro viene utilizzato un liquido, che può essere rappresentato dall'olio motore. Inoltre, non si comprime, quindi questo sistema fornisce un controllo migliore.

L'elettrovalvola utilizza la pressione dell'olio e un segnale ECU per spostare l'anello. Il pistone idraulico muove la cremagliera e il pignone, che fa ruotare l'ingranaggio dentato, per cui le lame sono collegate in modo girevole. Per trasferire la posizione della lama della ECU, un sensore di posizione analogico si muove lungo la camma del suo azionamento. Quando la pressione dell'olio è bassa, le palette si aprono e si chiudono all'aumentare della pressione dell'olio.

L'azionamento elettrico è il più preciso, perché la tensione può fornire un controllo molto preciso. Tuttavia, richiede un raffreddamento aggiuntivo, fornito dai tubi del refrigerante (le versioni pneumatiche e idrauliche utilizzano il liquido per rimuovere il calore).

Il meccanismo del selettore serve per azionare il cambio geometria.

Alcuni modelli di turbine utilizzano un azionamento elettrico rotativo con un motore passo-passo diretto. In questo caso, la posizione delle lame è controllata da una valvola elettronica di feedback tramite il meccanismo a pignone e cremagliera. Per il feedback dalla ECU, viene utilizzata una camma con un sensore magnetoresistivo collegato all'ingranaggio.

Se è necessario girare le lame, la ECU provvedealimentazione di corrente in un certo range per portarli in una posizione predeterminata, dopodiché, ricevuto un segnale dal sensore, diseccita la valvola di retroazione.

Centralina motore

Da quanto sopra ne consegue che il principio di funzionamento delle turbine a geometria variabile si basa sul coordinamento ottimale di un meccanismo aggiuntivo in accordo con la modalità di funzionamento del motore. Pertanto, è necessario il suo posizionamento preciso e il monitoraggio costante. Pertanto le turbine a geometria variabile sono controllate dalle unità di controllo del motore.

Usano strategie per massimizzare la produttività o migliorare le prestazioni ambientali. Esistono diversi principi per il funzionamento del BUD.

Il più comune di questi prevede l'uso di informazioni di riferimento basate su dati empirici e modelli di motori. In questo caso, il controller feedforward seleziona i valori da una tabella e utilizza il feedback per ridurre gli errori. È una tecnologia versatile che consente una varietà di strategie di controllo.

Il suo principale inconveniente sono le limitazioni durante i transitori (accelerazione brusca, cambi di marcia). Per eliminarlo, sono stati utilizzati controller multiparametro, PD e PID. Questi ultimi sono considerati i più promettenti, ma non sono sufficientemente precisi nell'intera gamma di carichi. Ciò è stato risolto applicando algoritmi decisionali in logica fuzzy utilizzando MAS.

Ci sono due tecnologie per fornire informazioni di riferimento: il modello motorio medio e artificialereti neurali. Quest'ultimo include due strategie. Uno di questi prevede il mantenimento della spinta a un determinato livello, l' altro - il mantenimento di una differenza di pressione negativa. Nel secondo caso, si ottengono le migliori prestazioni ambientali, ma la turbina è in velocità eccessiva.

Non molti produttori stanno sviluppando centraline per turbocompressori a geometria variabile. La stragrande maggioranza di loro è rappresentata da prodotti di case automobilistiche. Tuttavia, ci sono alcune centraline di fascia alta di terze parti sul mercato progettate per tali turbo.

Disposizioni generali

Le caratteristiche principali delle turbine sono il flusso di massa d'aria e la velocità del flusso. L'area di ingresso è uno dei fattori che limitano le prestazioni. Le opzioni di geometria variabile consentono di modificare quest'area. Quindi, l'area effettiva è determinata dall' altezza del passaggio e dall'angolo delle lame. Il primo indicatore è intercambiabile nelle versioni con anello scorrevole, il secondo - nelle turbine con pale rotanti.

Così, i turbocompressori a geometria variabile forniscono costantemente la spinta richiesta. Di conseguenza, i motori che ne sono dotati non hanno il ritardo associato al tempo di rotazione della turbina, come con i grandi turbocompressori convenzionali, e non si strozzano alle alte velocità, come con quelli piccoli.

Infine, va notato che, sebbene i turbocompressori a geometria variabile siano progettati per funzionare senza una valvola di bypass, è stato riscontrato che forniscono miglioramenti delle prestazioni principalmente ai bassi regimi e agli alti regimi a tutta aperturale lame non sono in grado di far fronte a un grande flusso di massa. Pertanto, per evitare un'eccessiva contropressione, si consiglia comunque di utilizzare un wastegate.

Pro e contro

L'adeguamento della turbina alla modalità di funzionamento del motore fornisce un miglioramento di tutti gli indicatori rispetto alle opzioni a geometria fissa:

• migliore reattività e prestazioni a tutti i regimi;
• curva di coppia ai medi più piatta;
• capacità di far funzionare il motore a carico parziale con una miscela aria/carburante magra più efficiente;
• migliore efficienza termica;
• prevenire l'eccessiva spinta agli alti regimi;
• migliore prestazione ambientale;
• meno consumo di carburante;
• intervallo di funzionamento della turbina esteso.

Lo svantaggio principale dei turbocompressori a geometria variabile è il loro design notevolmente complicato. A causa della presenza di elementi mobili e azionamenti aggiuntivi, sono meno affidabili e la manutenzione e la riparazione di turbine di questo tipo sono più difficili. Inoltre, le modifiche per i motori a benzina sono molto costose (circa 3 volte più costose di quelle convenzionali). Infine, queste turbine sono difficili da combinare con motori non progettati per loro.

Va notato che in termini di prestazioni di picco, le turbine a geometria variabile sono spesso inferiori alle loro controparti convenzionali. Ciò è dovuto alle perdite nell'alloggiamento e attorno ai supporti degli elementi mobili. Inoltre, le prestazioni massime diminuiscono drasticamente quando ci si allontana dalla posizione ottimale. Tuttavia, il generaleL'efficienza dei turbocompressori di questo design è superiore a quella delle varianti a geometria fissa a causa della gamma operativa più ampia.

Applicazione e funzioni aggiuntive

La portata delle turbine a geometria variabile è determinata dal loro tipo. Ad esempio, i motori con pale rotanti sono installati sui motori di automobili e veicoli commerciali leggeri e le modifiche con anello scorrevole sono utilizzate principalmente sui camion.

In generale, le turbine a geometria variabile sono più spesso utilizzate sui motori diesel. Ciò è dovuto alla bassa temperatura dei loro gas di scarico.

Sui motori diesel passeggeri, questi turbocompressori servono principalmente a compensare la perdita di prestazioni dal sistema di ricircolo dei gas di scarico.

Sui camion, le turbine stesse possono migliorare le prestazioni ambientali controllando la quantità di gas di scarico riciclati all'aspirazione del motore. Pertanto, con l'utilizzo di turbocompressori a geometria variabile, è possibile aumentare la pressione nel collettore di scarico ad un valore maggiore rispetto a quella nel collettore di aspirazione per accelerare il ricircolo. Sebbene un'eccessiva contropressione sia dannosa per l'efficienza del carburante, aiuta a ridurre le emissioni di ossido di azoto.

Inoltre, il meccanismo può essere modificato per ridurre l'efficienza della turbina in una determinata posizione. Viene utilizzato per aumentare la temperatura dei gas di scarico al fine di spurgare il filtro antiparticolato ossidando le particelle di carbonio bloccate mediante riscaldamento.

Datile funzioni richiedono azionamento idraulico o elettrico.

I noti vantaggi delle turbine a geometria variabile rispetto a quelle convenzionali le rendono l'opzione migliore per i motori sportivi. Tuttavia, sono estremamente rari sui motori a benzina. Si conoscono solo poche auto sportive che ne sono dotate (attualmente la Porsche 718, 911 Turbo e Suzuki Swift Sport). Secondo un manager di BorgWarner, ciò è dovuto al costo molto elevato di produzione di tali turbine, dovuto alla necessità di utilizzare materiali speciali resistenti al calore per interagire con i gas di scarico ad alta temperatura dei motori a benzina (i gas di scarico diesel hanno un temperatura, quindi le turbine sono più economiche per loro).

I primi VGT utilizzati sui motori a benzina erano realizzati con materiali convenzionali, quindi è stato necessario utilizzare complessi sistemi di raffreddamento per garantire una durata di servizio accettabile. Quindi, sulla Honda Legend del 1988, una tale turbina è stata combinata con un intercooler raffreddato ad acqua. Inoltre, questo tipo di motore ha un intervallo di flusso dei gas di scarico più ampio, richiedendo così la capacità di gestire un intervallo di flusso di massa più ampio.

I produttori raggiungono i livelli richiesti di prestazioni, reattività, efficienza e rispetto dell'ambiente nel modo più conveniente. L'eccezione sono i casi isolati in cui il costo finale non è una priorità. In questo contesto, si tratta, ad esempio, di ottenere una prestazione da record su Koenigsegg One: 1 o di adattare una Porsche 911 Turbo a un civileoperazione.

In generale, la stragrande maggioranza delle auto con turbocompressore è dotata di turbocompressori convenzionali. Per i motori sportivi ad alte prestazioni, vengono spesso utilizzate opzioni twin-scroll. Sebbene questi turbocompressori siano inferiori ai VGT, offrono gli stessi vantaggi rispetto alle turbine convenzionali, solo in misura minore, e tuttavia hanno quasi lo stesso design semplice di quest'ultimo. Per quanto riguarda la messa a punto, l'uso di turbocompressori a geometria variabile, oltre al costo elevato, è limitato dalla complessità della loro messa a punto.

Per i motori a benzina, uno studio di H. Ishihara, K. Adachi e S. Kono ha classificato la turbina a flusso variabile (VFT) come la VGT più ottimale. Grazie ad un solo elemento mobile si riducono i costi di produzione e si aumenta la stabilità termica. Inoltre, una tale turbina funziona secondo un semplice algoritmo ECU, simile alle opzioni a geometria fissa dotate di una valvola di bypass. Risultati particolarmente buoni sono stati ottenuti quando una tale turbina è stata combinata con un iVTEC. Tuttavia, per i sistemi a induzione forzata, si osserva un aumento della temperatura dei gas di scarico di 50-100 °C, che influisce sulle prestazioni ambientali. Questo problema è stato risolto utilizzando un collettore in alluminio raffreddato ad acqua.

La soluzione di BorgWarner per i motori a benzina è stata quella di combinare la tecnologia twin scroll e il design a geometria variabile in una turbina a geometria variabile twin scroll presentata al SEMA 2015.stesso design della turbina a doppia spirale, questo turbocompressore ha un doppio ingresso e una doppia girante monolitica ed è combinato con un collettore a doppia spirale, sequenziale per eliminare le pulsazioni di scarico per un flusso più denso.

La differenza sta nella presenza di una serranda nella parte di aspirazione, che, a seconda del carico, distribuisce il flusso tra le giranti. A basse velocità, tutti i gas di scarico vanno in una piccola parte del rotore e la parte più grande viene bloccata, il che fornisce uno spin-up ancora più veloce rispetto a una tradizionale turbina a doppio scorrimento. All'aumentare del carico, l'ammortizzatore si sposta gradualmente nella posizione centrale e distribuisce uniformemente il flusso alle alte velocità, come in un design standard a doppio scorrimento. Cioè, in termini di meccanismo per cambiare la geometria, una tale turbina è vicina a un VFT.

Quindi, questa tecnologia, come la tecnologia a geometria variabile, fornisce una variazione del rapporto A/R a seconda del carico, regolando la turbina sulla modalità di funzionamento del motore, che amplia la gamma di funzionamento. Allo stesso tempo, il design considerato è molto più semplice ed economico, poiché qui viene utilizzato un solo elemento mobile, che opera secondo un semplice algoritmo e non sono necessari materiali resistenti al calore. Quest'ultimo è dovuto ad un abbassamento della temperatura dovuto alla dispersione termica sulle pareti del doppio involucro della turbina. Va notato che soluzioni simili sono state incontrate in precedenza (ad esempio, distributore rapido), ma per qualche motivo questa tecnologia non ha guadagnato popolarità.

Manutenzione eriparazione

La principale operazione di manutenzione delle turbine è la pulizia. La necessità è dovuta alla loro interazione con i gas di scarico, rappresentati dai prodotti della combustione di carburanti e oli. Tuttavia, la pulizia è raramente richiesta. Una contaminazione intensa indica un malfunzionamento, che può essere causato da pressione eccessiva, usura delle guarnizioni o delle boccole delle giranti, nonché del vano pistone, intasamento dello sfiato.

Le turbine a geometria variabile sono più sensibili alle incrostazioni rispetto alle turbine convenzionali. Ciò è dovuto al fatto che l'accumulo di fuliggine nella pala di guida del dispositivo di modifica della geometria porta al suo incuneamento o alla perdita di mobilità. Di conseguenza, il funzionamento del turbocompressore viene interrotto.

Nel caso più semplice, la pulizia viene effettuata utilizzando un liquido speciale, ma spesso è necessario un lavoro manuale. La turbina deve essere prima smontata. Quando si stacca il meccanismo di modifica della geometria, fare attenzione a non tagliare i bulloni di montaggio. La successiva perforazione dei loro frammenti può causare danni ai fori. Pertanto, la pulizia della turbina a geometria variabile è alquanto difficile.

Inoltre, va tenuto presente che una manipolazione incauta della cartuccia può danneggiare o deformare le pale del rotore. Se viene smontata dopo la pulizia, sarà necessario bilanciare, ma l'interno della cartuccia di solito non viene pulito.

La fuliggine d'olio sulle ruote indica l'usura delle fasce elastiche o del gruppo valvole, nonché delle guarnizioni del rotore nella cartuccia. Pulizia senzaeliminare questi malfunzionamenti del motore o riparare la turbina non è pratico.

Dopo la sostituzione della cartuccia per i turbocompressori del tipo in questione, è necessaria la regolazione della geometria. Per questo vengono utilizzate viti di regolazione persistenti e ruvide. Va notato che alcuni modelli della prima generazione non sono stati inizialmente configurati dai produttori, per cui le loro prestazioni in basso sono ridotte del 15-25%. In particolare, questo vale per le turbine Garrett. Le istruzioni possono essere trovate online su come regolare la turbina a geometria variabile.

CV

I turbocompressori a geometria variabile rappresentano lo stadio più alto nello sviluppo di turbine seriali per motori a combustione interna. Un meccanismo aggiuntivo nella parte di ingresso assicura che la turbina sia adattata alla modalità di funzionamento del motore regolando la configurazione. Ciò migliora le prestazioni, l'economia e il rispetto dell'ambiente. Tuttavia, il design della VGT è complesso e i modelli a benzina sono molto costosi.