С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Турбина с изменяемой геометрией принцип работы

Турбина с изменяемой геометрией принцип работы


о турбине с изменяемой геометрией — DRIVE2

Конструкция классической турбиныУпрощенно конструкцию классического турбонагнетателя можно представить в виде двух крыльчаток, соединенных вместе одной осью. Находятся эти крыльчатки в отдельных герметично разделенных камерах. На одну из крыльчаток подводятся выпускные газы работающего двигателя и заставляют ее вращаться. Это вращение передается через совместную ось на вторую крыльчатку, соединенную с подводом атмосферного воздуха. Захваченный крыльчаткой свежий воздух направляется к цилиндрам двигателя для сгорания.

классическая турбина

Дело в том, что мощность дизельного двигателя увеличивается за счет подачи большего количества топлива. Но в этом случае мы очень быстро столкнемся с проблемой: увеличив порцию топлива в очередной раз, мы определим, что все оно не сгорает — для его горения не хватает кислорода. Помните школьные уроки, на которых нам утверждали, что горение — это химическая реакция? Это правда. Окисление происходит с помощью кислорода и, если его мало, то нам не удастся сжечь (= окислить) все топливо. В этом случае достигается предел мощности.Осознав задачу, инженеры разработали турбокомпрессор, который нагнетает дополнительный воздух в камеры сгорания. Есть дополнительный воздух, значит можно увеличить порцию впрыскиваемого топлива и увеличить мощность двигателяТурбоямаВыпускные газы могут раскрутить крыльчатки турбины до скорости 150 000 — 210 000 об/мин! Если не учитывать геометрические особенности конструкции турбины, то можно вывести простую взаимосвязь: чем больше отработанных газов попадают в турбину, тем выше ее скорость вращения и тем больше свежего воздуха она нагнетает. Именно здесь классическую турбину подстерегает неприятность. Дело в том, что мы ожидаем от турбодвигателя ускорения в любой момент. Представьте себе, что автомобиль двигается с небольшой скоростью, а двигатель работает в нижнем диапазоне частоты вращения. В таком экономном режиме двигатель вырабатывает малое количество отработанных газов и, следовательно, скорость вращения турбины низкая.Тут водитель решает обогнать автобус, резко нажимает на педаль акселератора и … ничего не происходит. Ожидаемого ускорения нет. Причиной является врожденная задержка турбины, называемая в народе «турбоямой»: сразу же после команды водителя скорость вращения турбины низкая, а двигатель сначала увеличивает впрыск, потом это топливо сгорает и только потом поступает к турбине в виде отработанных газов. Постепенно скорость турбины увеличивается, она нагнетает больше воздуха и вот оно долгожданное ускорение — можно обгонять, но тут на «встречке» вырисовывается другой автомобиль и маневр приходиться откладывать. Неприятно.Решение пришло в виде турбины с изменяемой геометрией. Ее отличие от классической конструкции — наличие специальных направляющих лепестков в канале, через который на крыльчатку подводятся отработанные газы. Принцип работы умиляет своей простотой.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией

направляющие лопости

Принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией состоит в изменении сечения на входе колеса турбины с целью оптимизировать мощность турбины для заданной нагрузки.При низких оборотах двигателя и поток отработанных газов является небольшим и он раскручивает турбину недостаточно сильно для резкого ускорения. В этот момент по сигналу блока управления направляющие лопатки смещаются и уменьшают расстояние между собой. Несмотря на то, что объем отработанных газов не увеличился, ему теперь приходиться «протискиваться» через узкий коридор, что заставляет отработанные газы двигаться быстрее.В результате обороты турбины возрастают и увеличивается давление наддува. Таким образом, удается увеличить скорость вращения турбины без резкого увеличения объема отработанных газов.На полной скорости работы двигателя и при высоком уровне газового потока турбокомпрессор развдвигает направляющие лепестки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на уровне необходимом двигателю.Изменение площади сечения (расстояния между направляющими элементами) может управляться непосредственно давлением турбины с помощью привода, с помощью вакуумного регулятора или шагового электромотораa. корпус турбиныb. крыльчатка для отработанных газовc. корпус турбокомпрессораe. ось рычага смещения регулируемого кольцаf. регулируемое кольцоg. оси направляющих лепестков

h. направляющие лепестки

турбина в разрезе

Турбина с изменяемой геометрией: устройство и принцип работы.

Обычная турбина представляет собой 2 крыльчатки, соединенные осью. Располагаются крыльчатки в разных камерах. Одну крыльчатку вращают выхлопные газы, а вторая вращается за счет первой, тем самым подводя новый воздух в систему.

Общее устройство турбины с изменяемой геометрией ( турбокомпрессора )крыльчатки и принцип нагнетания дополнительного воздуха не отличается от обычных турбокомпрессоров. Основная особенность в поворотных лопатках, механизме управления и вакуумном приводе.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией крыльчатки основывается на регулировании потока отработавших газов, направляемых на колесо турбины. Регулировка позволяет подстраивать проходное сечение для потока отработавших газов под режим работы двигателя.

При движении на маленькой скорости, турбина крутится медленно. Однако блок управления выставляет лепестки так, чтобы расстояние между ними было минимальным. При малом объеме, газу тяжело поступить через маленькое отверстие, что вынуждает его передвигаться с большей скоростью. В ходе перекрывания, обороты турбины увеличиваются, а значит повышается давление наддува.

                                                   

С помощью таких лепестков, можно поднять скорость вращения турбины не изменяя объем поступающих газов. На высокой скорости компрессор наоборот раздвигает лепестки. Это предусмотрено для поддержания безопасного давления внутри системы и исключения перегрева.

Принцип работы изменяемой геометрии позволяет отказаться от перепускного клапана (wastegate). Через крыльчатку «горячей» части проходит весь поток выхлопных газов. Предотвращение избыточного наддува осуществляется изменением положения поворотных лопаток.

Изменение расстояния между направляющими элементами, в зависимости от типа и модели турбодвигателя управляться как давлением компрессора (или его отсутствием), так и вакуумным приводом, а в некоторых случаях — шаговым электромотором

Преимущества данной турбины можно выделить следующие:

  • авто с изменяемой геометрией турбонаддува могут выдавать большую мощность уже с самих низких оборотов.
  • снижение расхода топлива и количества вредных выбросов в атмосферу
  • из-за отсутствующего клапана wastegate в «горячей» части уменьшается количество разнонаправленных потоков газов, что улучшает прохождение газов через турбину.
  • улучшение эластичности двигателя

Настройка и регулировка турбины с изменяемой геометрией.

 Эфективная и правильная настройка и регулировка турбины важна и для эффективности ее работы, и для снижения темпа износа деталей всего механизма, и даже для экономии денег на топливе.

Связано это с тем, что неправильные параметры настройки работы или неправильное (несвоевременное) проведение регулировки турбины непосредственно влияют на весь автомобиль и удобство его управления.

В то время как о некоторых действиях, обычно упоминаемых в инструкции к обслуживанию авто и его механизмов, владелец способен позаботиться самостоятельно, даже без специальных инструментов, опыта и знаний — для большинства из них потребуется внимание профессионала

Каждый разумный и заботливый автовладелец должен помнить о таких принципах как: своевременная профилактика и обслуживание, а также уклонение от вреда своими действиями. Это верно и для бензинового двигателя, и для дизельного.

 

Турбина с изменяемой геометрией

Система наддува с применением турбины с изменяемой геометрией крыльчатки придумана как вариант борьбы с турбоямой или турболагом. Турбояма или турболаг - важнейшее конструктивное препятствие, лишающее двигатели с турбонаддувом возможности плавно наращивать отдачу мощности на всех оборотах - начиная с самых низких.

Что такое турбояма и чем она вредна

Выпускные газы могут раскрутить крыльчатки турбины до скорости 150 000 - 210 000 об/мин. Если не учитывать геометрические особенности конструкции турбины, то можно вывести простую взаимосвязь: чем больше отработанных газов попадают в турбину, тем выше ее скорость вращения и тем больше свежего воздуха она нагнетает. Именно здесь классическую турбину подстерегает неприятность. Дело в том, что мы ожидаем от турбодвигателя ускорения в любой момент. Представьте себе, что автомобиль двигается с небольшой скоростью, а двигатель работает в нижнем диапазоне частоты вращения. В таком экономном режиме двигатель вырабатывает малое количество отработанных газов и, следовательно, скорость вращения турбины низкая.      Тут водитель решает обогнать автобус, резко нажимает на педаль акселератора и ... ничего не происходит. Ожидаемого ускорения нет. Причиной является врожденная задержка турбины, называемая в народе «турбоямой»: сразу же после команды водителя скорость вращения турбины низкая, а двигатель сначала увеличивает впрыск, потом это топливо сгорает и только потом поступает к турбине в виде отработанных газов. Постепенно скорость турбины увеличивается, она нагнетает больше воздуха и вот оно долгожданное ускорение - можно обгонять, но тут на «встречке» вырисовывается другой автомобиль и маневр приходится откладывать. Неприятно. Решение пришло в виде турбины с изменяемой геометрией. Ее отличие от классической конструкции - наличие специальных направляющих лепестков в канале, через который на крыльчатку подводятся отработанные газы. Принцип работы умиляет своей простотой.

Упрощенно конструкцию классического турбонагнетателя можно представить в виде двух крыльчаток, соединенных вместе одной осью. Находятся эти крыльчатки в отдельных герметично разделенных камерах. На одну из крыльчаток подводятся выпускные газы работающего двигателя и заставляют ее вращаться. Это вращение передается через совместную ось на вторую крыльчатку, соединенную с подводом атмосферного воздуха. Захваченный крыльчаткой свежий воздух направляется к цилиндрам двигателя для сгорания. Турбина увеличивает мощность двигателя Дело в том, что мощность дизельного двигателя увеличивается за счет подачи большего количества топлива. Но в этом случае мы очень быстро столкнемся с проблемой: увеличив порцию топлива в очередной раз, мы определим, что все оно не сгорает - для его горения не хватает кислорода. Помните школьные уроки, на которых нам утверждали, что горение - это химическая реакция? Это правда. Окисление происходит с помощью кислорода и, если его мало, то нам не удастся сжечь (= окислить) все топливо. В этом случае достигается предел мощности. Осознав задачу, инженеры разработали турбокомпрессор, который нагнетает дополнительный воздух в камеры сгорания. Есть дополнительный воздух, значит можно увеличить порцию впрыскиваемого топлива и увеличить мощность двигателя.     

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией

Изменение сечения между направляющими лепестками изменяет скорость движения отработанных газов. Принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией состоит в изменении сечения на входе колеса турбины с целью оптимизировать мощность турбины для заданной нагрузки. При низких оборотах двигателя и поток отработанных газов является небольшим и он раскручивает турбину недостаточно сильно для резкого ускорения. В этот момент по сигналу блока управления направляющие лопатки смещаются и уменьшают расстояние между собой. Несмотря на то, что объем отработанных газов не увеличился, ему теперь приходиться «протискиваться» через узкий коридор, что заставляет отработанные газы двигаться быстрее. В результате обороты турбины возрастают и увеличивается давление наддува. Таким образом, удается увеличить скорость вращения турбины без резкого увеличения объема отработанных газов.

Принцип работы VNT-турбины

Рассматривая принцип работы турбонаддува, мы затронули проблемы, ограничивающие эффективность газовых турбокомпрессоров. Турбина с изменяемой геометрией позволяет расширить зону действия турбонаддува и сделать двигатель более приемистым. Поговорим не только об устройстве системы, но и о симптомах неисправности клапана управления, чистке и регулировке VNT-турбонагнетателей.

Устройство VNT-турбины

На рисунке изображена турбина с изменяемой геометрией, устанавливаемая на автомобили Volkswagen, Skoda. Общее устройство турбокомпрессора и принцип нагнетания дополнительного воздуха не отличается от обычных турбокомпрессоров. Основная особенность в поворотных лопатках, механизме управления и вакуумном приводе.

Принцип работы

Поворотные лопатки вращаются на осях, установленных в опорном кольце. К оси каждой лопатки прикреплены тяги управления, которые при монтаже входят в зацепление с регулировочным кольцом. Направляющий рычаг соединяет регулировочное кольцо с рычагом тяги управления и осью вакуумного привода поворотных лопаток.

При изменении положения оси вакуумного привода регулировочное кольцо проворачивается на определенный угол. За счет этого происходит поворот оси лопаток в опорном кольце. Они синхронно меняют свое положение, изменяя тем самым сечение для потока выхлопных газов.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией основывается на регулировании потока отработавших газов, направляемых на колесо турбины. Регулировка позволяет подстраивать проходное сечение для потока отработавших газов под режим работы двигателя.

Как изменяется давление наддува?

Когда мы рассматривали принцип работы системы изменяемой геометрии впускного коллектора, то говорили о зависимости скорости потока газов от проходного сечения канала. При одинаковом давлении скорость потока газа будет выше в канале с суженым сечением.

Для быстрого выхода турбины в зону эффективной работы на низких оборотах двигателя необходимо высокое давление наддува. В таком режиме работы лопатки уменьшают сечение канала, по которому отработанные газы движутся к крыльчатке турбины. В итоге повышается давление наддува.

В зоне высоких оборотов двигателя увеличивается объем выхлопных газов. Небольшое сечение канал приведет к чрезмерному подпору выхлопных газов, что приведет к плохому наполнению цилиндров свежим зарядом ТПВС. Поэтому с повышением оборотов двигателя лопатки меняют свое положение, увеличивая сечение для прохождения выхлопных газов.

Принцип работы изменяемой геометрии позволяет отказаться от перепускного клапана (wastegate). Через крыльчатку «горячей» части проходит весь поток выхлопных газов. Предотвращение избыточного наддува осуществляется изменением положения поворотных лопаток.

Система в разрезе

  1. Лопатки расположены перпендикулярно радиальным линиям, что равняется узкому сечению для потока выхлопных газов. Обеспечивается быстрое нарастание наддува и прибавка крутящего момента в зоне низких оборотов двигателя.
  2. Ступенчатое расположение лопаток — большое сечение для потока выхлопных газов. Этот же режим используется в качестве аварийного, когда система самодиагностики регистрирует некорректную работу системы, отсутствует питание на электромагнитном клапане.

Управление геометрией

Изменение геометрии турбины осуществляется блоком управления двигателем. Принцип работы рассмотренной выше системы предполагает наличие электромагнитного клапана управления наддувом. Управляется клапан ШИМ-сигналом. Изменяя скважность сигнала, ЭБУ двигателя устанавливает необходимое разряжение в вакуумной среде привода поворотных лопаток. При таком управлении ЭБУ может плавно и точно управлять регулировочным кольцом, что обеспечивает эффективное сгорание ТПВС на всех режимах работы двигателя.

Когда электромагнитный клапан обесточен, в вакуумной среде атмосферное давление, лопатки установлены в ступенчатом положении. Для плавной регулировки давления наддува ЭБУ постоянно опрашивает датчиковую аппаратуру двигателя.

Принципиальное отличие

Автомобильные газовые турбины всех типов имеют 3 режима работы:

  • выход в рабочую зону. Раскручивающийся вал турбины создает сопротивление потоку выхлопных газов, что снижает наполняемость цилиндров и, как следствие, КПД двигателя. Именно с режимом раскручивания турбинного колеса водители связывают явление «турбоямы»;
  • зона эффективной работы. При достижении рабочей зоны скорость вращения компрессорного колеса позволяет нагнетать в цилиндры большее количество воздуха, что ощущается прибавкой в крутящем моменте;
  • зона оверспина (от англ. over—spinning — избыточное вращение). Устройство турбокомпрессора предполагает зоны эффективности. Конструкция двигателя также рассчитывается на определенную величину наддува. Если скорость потока выхлопных газов превысит зону оптимальной эффективности и расчетную величину наддува, дальнейшее использование турбонаддува только снизит КПД двигателя. Также превышение расчетной скорости вращения крыльчатки ведет к срыву потока воздуха. Поэтому устройство большинства турбин предполагает наличие клапана Последний на определенных оборотах двигателя пускает поток выхлопных газов в обход турбинного колеса.

Устройство турбины с фиксированной геометрией — это всегда компромисс между скоростью выхода в зону эффективности, величиной наддува и границей пиковой мощности. На эти параметры влияет диаметр каналов для движения газов, соотношение площади индюсера и эксдюсера, Area/Radius хаузинга, конструкция клапана wastegate, blow-off. Но из-за того, что характеристики турбины закладываются еще на стадии проектирования, ее рабочая зона довольно узкая.

Преимущества

  • Активное изменение сечения канала «горячей» части турбины позволяет расширить зону ее эффективной работы. Авто с изменяемой геометрией турбонаддува могут выдавать большую мощность уже с самих низких оборотов.
  • Уменьшенный подпор выходу выхлопных газов на высоких оборотах. Из-за отсутствующего клапана wastegate в «горячей» части уменьшается количество разнонаправленных потоков газов, что улучшает прохождение газов через турбину.
  • Улучшение эластичности двигателя.
  • Снижение расхода топлива и количества вредных выбросов в атмосферу.

Возможные неисправности

Усложнение конструкции турбины неминуемо приводит к увеличению риска поломки. Но в случае с работой изменяемой геометрии ситуация не так плоха, как может показаться. У механизма лишь несколько основных проблем:

  • движение лопаток с подклиниванием. Происходит из-за критического износа трущихся пар и при нагарообразовании. Углеродистые и масляные отложения препятствуют плавному перемещению регулировочного кольца;
  • заклинивание лопаток в одном из положений. Из-за критического нагарообразования силы вакуума недостаточно для перемещения регулировочного кольца;
  • неисправность вакуумного привода поворотных лопаток, клапана управления давлением турбонаддува.

Среди основных симптомов поломки — подергивания при разгоне, потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива и появление на панели приборов индикации Check Engine.

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости