Турбо пуњачи се скоро универзално користе у друмским дизел моторима средњег и великог пречника у Северној Америци, а такође су скоро у потпуности популарисани у моторима са малим пречником. Дефиниција турбо пуњача је центрифугална пумпа коју покреће издувни гас, која може да „поврати“ део отпадне топлоте из цилиндара мотора. У специфичним апликацијама за тркачке моторе, брзина ротације турбо пуњача може премашити 200.000 обртаја у минути, али код дизел мотора, његова максимална брзина ротације је обично око 30% нижа. Главна функција турбо пуњача је да обезбеди усисни ваздух под притиском за цилиндре мотора. Укратко, повећава густину кисеоника у усисном ваздуху. Поред тога, турбина са погоном издувних гасова{8}} такође може покретати редуктор повезан са радилицом мотора преко течне спојнице. У овом тренутку, турбопуњач може помоћи у покретању радилице. Ова метода се назива турбо композитна технологија и тренутно се примењује у последњој генерацији Детроит дизел мотора. То ће бити даље представљено у каснијем делу овог поглавља. Слика 12-7 приказује десни поглед на Цумминс ИСКС мотор из 2010. године, на којем је означен положај турбопуњача.
Слика 12-7 Десни поглед на Цумминс ИСКС мотор (означен положајем турбопуњача)
Принцип рада
Турбопуњач је ваздушна пумпа коју покреће издувни гас, а састоји се од турбине и радног кола инсталираних на истој осовини (види слику 12-8). Осовина је окачена на тарни лежај помоћу уља за подмазивање под притиском (хидродинамичка суспензија). Радно коло турбине покреће енергија (топлота) издувних гасова мотора и ротира се унутар кућишта турбине где тече издувни гас. Радно коло се налази у независном кућишту компресора и делује на ваздух усисног система, пумпајући га у страну усисног система под притиском. Издувни гас који покреће турбину не долази у контакт са усисним ваздухом који делује на радно коло. Слика 12-9 приказује путеве протока гаса и уља за подмазивање у једноставном турбо пуњачу.
Слика 12-8 Радно коло турбопуњача (или точка компресора)
Слика 12-9 Поглед на попречни пресек турбо пуњача (укључујући пролаз уља за подмазивање и смер протока гаса)
Принцип рада компресора
Филтрирани усисни ваздух се увлачи у кућиште компресора и покреће радно коло на страни компресора турбине. Турбина покреће радно коло да се окреће на другој страни осовине турбине, тако да стварна брзина ротације радног кола зависи од услова рада унутар кућишта турбине. Како се радно коло ротира, ваздух у усисном систему се убрзава до велике брзине. -Проток ваздуха велике брзине улази у дифузор радијално ка споља. Дифузор је уређај за пригушивање, чији је циљ дизајна да претвори кинетичку енергију (енергија кретања) долазног ваздуха у притисак када проток ваздуха пролази кроз њега. Дифузор може бити спиралног типа (облик пужа) или типа лопатице (види слику 12-9). Ефикасност лопатичног дифузора је већа.
Принцип рада турбине
Издувни гас се води до кућишта турбине. Што је већа вредност отпадне топлоте мотора (која се обично повећава са повећањем излазне снаге мотора), већа је топлотна енергија издувних гасова. Издувни гас радијално улази у кућиште турбине, а затим улази кроз спиралу (структура у облику пужа-попречног пресека који се постепено смањује). Волута представља облик пригушивања. Али када издувни гас излази из волуте, он се шири и делује на лопатице турбине, а затим улази у издувни систем дуж аксијалног правца.
У којој мери се гас у кућишту турбине шири зависи од топлоте издувних гасова. У условима велике-излазне снаге мотора, отпадна топлота из мотора се повећава, а ефекат експанзије издувних гасова на лопатице турбине ће повећати брзину турбине. Треба нагласити да брзина ротације турбо пуњача углавном зависи од топлоте издувних гасова, а не од његовог притиска. Такође треба разумети значај волута: што је волута мања, то је јачи ефекат пригушивања протока ваздуха, али мала-волута значи да се издувни гас потпуније шири када исцури. Најбоље решење је да будете у могућности да контролишете област протока волуте, о чему ће даље бити речи у наставку. Слика 12-10 је шематски дијаграм тока гаса у турбо пуњачу, који илуструје кључне функције спирале и дифузора: Обратите пажњу на правце у којима гас тече у и из кућишта турбине и кућишта компресора.
Путања протока ваздуха
Као што је приказано на слици 12-10, проток ваздуха улази у кућиште турбине на радијални улаз и аксијални излаз. Ваздух струји кроз кућиште радног кола у аксијалном смеру и излази радијално. Код најједноставнијег дизајна турбопуњача, усисни пролаз или грло кућишта турбине није сегментирано, односно, издувни отвори свих цилиндара воде до једног улазног канала. Међутим, турбо пуњачи променљиве геометрије могу да регулишу проток ваздуха у и из кућишта турбине. О томе ће бити речи касније у овом одељку.
Слика 12-10 Шематски дијаграм принципа протока ваздуха турбо пуњача, који показује функције спирале и дифузора.
Тип турбопуњача
Пре свега, важно је разликовати између турбопуњача са-турбопуњачима са променљивом геометријом-турбопуњача са променљивом геометријом. Овај чланак то дефинише на следећи начин:
• Турбо пуњач фиксне{0}}геометрије: Сви издувни гасови пролазе кроз кућиште турбине без обзира на услове рада мотора.
• Турбопуњач променљиве геометрије: екстерном или унутрашњом контролом, подручје протока унутар кућишта турбине се подешава, или се део издувних гасова ствара да заобиђе кућиште турбине.
Од 2001. године, турбо пуњачи који се користе у већини комерцијалних дизел мотора на аутопутевима и даље су припадали типу фиксне геометрије. Али ова ситуација се променила. Данас, када видимо турбо пуњач-фиксне геометрије на дизел мотору камиона, он је обично члан серијског упаривања турбо пуњача или део сложеног система турбо пуњења. Тренутно, скоро сви турбо пуњачи усвајају неку врсту технологије за регулисање (контролисање) протока издувних гасова кроз кућиште турбине, било преко бајпас вентила за издувне гасове или коришћењем унутрашње променљиве геометрије.
Турбо пуњач{0}}фиксне геометрије
Хајде да прво опишемо принцип рада турбопуњача{0}}фиксне геометрије. Турбо пуњачи са фиксном{2}}геометријом су дизајнирани да постигну оптималне перформансе при одређеним брзинама и специфичним оптерећењима отпадне топлоте, што значи да нису много разноврсни. Инжењери морају изабрати време рада када је ефикасност турбине највећа. Већина друмских мотора који користе турбо пуњаче фиксне{5}}геометрије обично постижу највећу ефикасност својих турбина при пуном оптерећењу и вршним брзинама обртног момента. Ако је радни опсег прекорачен, перформансе ће пасти. Турбопуњач{8}}фиксне геометрије има једноставну структуру. Слика 12-9 приказује његову типичну структуру.
Подешавање вршне ефикасности турбине на вршној брзини обртног момента уместо на номиналној брзини омогућава турбо пуњачу са-фиксном геометријом да има саморегулишуће карактеристике: када се број обртаја мотора повећа, стварно време доступно за пуњење и убризгавање горива у цилиндар се скраћује. Ако турбо пуњач са-фиксном геометријом ради ван наведеног опсега брзине, крива обртног момента мотора ће брзо пасти, узрокујући да се мотор бори при малим брзинама и великим оптерећењима. Када се оптерети при великим брзинама, брзина ће нагло пасти, а потрошња горива ће се такође погоршати.
Упозорење:
Неправилно усклађивање турбопуњача са-геометријом може да доведе до превисоког притиска у цилиндрима, до квара мотора, или обрнуто, до недовољне снаге, емисије црног дима и повећања штетних емисија.
Технички савети:
Иако су дизел мотори камиона са турбо пуњачима фиксне-геометрије дизајнирани да постигну највећу ефикасност гаса при највећем обртном моменту, већина других дизел мотора који користе турбо пуњаче са фиксном-геометријом (као што су-тешка опрема за путеве или агрегати) обично то постижу при називној брзини (максималној снази). У овим апликацијама, турбо пуњачи са-фиксном геометријом остају уобичајени и обично су оптимизовани за радне услове пуне -снаге и велике брзине{6}}.
Турбо пуњач променљиве геометрије
Циљ турбо пуњача променљиве геометрије може се сажети на следећи начин:
• Када је оптерећење мотора мало, учините да турбина реагује брзо као мали турбопуњач.
• Када је оптерећење мотора велико, учините да турбина обезбеди довољан притисак као велики турбопуњач.
Савремени турбо пуњачи којима управља ЕЦМ могу постићи све горе наведене циљеве и прецизну регулацију свих међустепенова, доносећи на тај начин веће брзине одзива (смањење турбо хистерезе) и ниже емисије издувних гасова. Неки актуелни турбо пуњачи такође комбинују употребу спољашњих издувних бајпас вентила и унутрашње променљиве геометрије за управљање притиском преднапона у најширем опсегу брзина и оптерећења.
• Тип контроле бајпас вентила издувних гасова
Турбопуњач типа бајпас вентила за издувне гасове је у употреби дуги низ година. Његов принцип рада је: преко "вентила" се контролише да сав издувни гас протиче кроз кућиште турбине, или се део издувних гасова директно премошћава у издувни систем. Тренутно постоје углавном две методе контроле:
• Пнеуматска контрола: Рад бајпас вентила зависи од притиска усисне гране. Обично се усваја резервоар актуатора са опругом. Подразумевано, затворено стање омогућава да издувни гас у потпуности тече кроз турбину. Када притисак у колектору достигне подешену вредност, притисак превазилази силу опруге да гурне акциону шипку, отварајући вентил да би заобишао део издувних гасова.
• Електронска контрола: Контролише ЕЦМ мотора. На пример, неки мотори користе бајпас турбине издувних гасова са двоструким усисним отворима. ЕЦМ прецизно управља притиском који делује на актуатор преко електромагнетних вентила и притиска у колектору, постижући више-регулацију појачања. Његов принцип управљања може се сажети као сложени контролни механизам "електронске - електричне контроле - пнеуматске".
• Волутно контролисана турбина променљиве геометрије
Турбо пуњачи са волутно контролисаном променљивом геометријом су широко прихваћени у данашњим дизел моторима. Тркачки мотори већ дуги низ година користе млазнице са променљивим отвором за контролу протока волута, а дизел мотори су позајмили ову технологију. Први контролисани турбо пуњач примењен на дизел моторе појавио се почетком 1990-их, са ограниченим почетним успехом. Али данас, велика већина произвођача дизел мотора радије је усвојила технологију варијабилне спирале него традиционални турбопуњач издувних вентила. На пример, променљива геометријска турбина (ВГТ) инсталирана на Паццар МКС13 мотору приказаном на слици 12-11 је типичан представник. Да бисмо илустровали принцип рада турбине променљиве геометрије, узећемо типичан турбо пуњач са спиралном контролом приказан на слици 12-12 као пример за илустрацију.
Слика 12-11 Турбина са променљивом геометријом (ВГТ) која се користи на Паццар МКС13 мотору
Слика 12-12 Пресек турбине променљиве геометрије (ВГТ), са фокусом на њен актуатор
Турбопуњач са променљивом млазницом
Слика 12-12 приказује попречни пресек типичног турбопуњача са променљивом млазницом. Погледајте слику 12-13 да бисте идентификовали кључне компоненте као што су турбина, зупчаник, лопатица млазнице и синхрони прстен.
Слика 12-13 Принцип рада компоненти ВН турбопуњача.
Турбопуњач са варијабилном млазницом генерише потребан притисак појачања подешавањем угла лопатице да би се променила област спиралног протока. Овај процес се постиже притиском уља који делује на клип, који се спаја са ЦАМ зупчаником и радилицом, чиме покреће синхрони прстен да се окреће. Синхрони прстен подржава све склопове сечива. Свако сечиво је опремљено спиралним жлебом. Када се положај ротације синхроног прстена промени, сечиво се ротира са осовином игле као упоришном тачком, чиме се постиже синхроно подешавање угла нагиба сечива. Кроз овај механизам, површина протока волуте (усисна страна) може се повећати или смањити, што директно утиче на ефикасност гаса унутар кућишта турбине. Укратко, површина протока спирале одређује брзину турбине и на крају притисак појачања који генерише турбински компресор.
Променљива контрола млазница
Турбопуњач променљиве млазнице се регулише помоћу вентила за контролу варијабилне млазнице. Овај контролни вентил је пропорционални актуатор којим управља управљачки модул мотора, способан да конвертује сигнал улазне струје у одређени положај клипног прстена. Када су лопатице близу затвореног положаја (лопатице никада неће бити потпуно затворене), турбопуњач генерише максимални притисак појачања. Управљање ваздухом под притиском у потпуности зависи од положаја лопатица, пошто угао лопатице директно одређује начин на који издувни гас делује на турбину. Слика 12-14 показује како притисак уља покреће клипни прстен да активира ЦАМ и коленасти механизам, узрокујући да се синхрони прстен ротира у смеру казаљке на сату, чиме се шире лопатице и смањује гасна ефикасност турбине.
Слика 12-14 ВН турбопуњач: Повећајте отвор лопатице да бисте смањили ефикасност турбине.
Када притисак уља гура клип да се помери улево (Слика 12-15), синхрони прстен се ротира у смеру супротном од казаљке на сату, подешавајући лопатице на угао близу затвореног положаја, повећавајући ефикасност турбине да би се обезбедио максимални подстицај. Овај процес акције може се приказати на слици 12-16.
Слика 12-15 ВН турбопуњач: Смањите отвор сечива да бисте постигли максимално појачање.
Слика 12-16 Улога синхроног прстена у контроли отварања сечива.
Брзина ротације турбопуњача са променљивом млазницом се враћа назад до управљачког модула мотора преко аксијалног сензора брзине заснованог на принципу индукционог генератора импулса. Његов сигнал окидача се узима из планарне структуре на одређеној позицији на вратилу турбине.
3. Завојна турбина са клизним прстеном
Још једна варијабилна спирална структура коју су усвојили Цумминс Хоницел турбо пуњачи: површина протока се подешава померањем клизног прстена кроз ВГ актуатор. Његов циљ је исти као и Цатерпиллар-ове ВН турбине, али начин на који се постиже је мало другачији. Слика 12-17 приказује типичан ВГ актуаторски модул који се користи на моторима након 2010. године.
Слика 12-17: Модул ВГ актуатора који се користи на типичном мотору 10 година касније.