Turboladdare används nästan universellt i dieselmotorer för medelstora och stora vägar i Nordamerika, och de är också nästan helt populära i motorer med liten borrning. Definitionen av en turboladdare är en centrifugalpump som drivs av avgaser, som kan "återvinna" en del av spillvärmen från motorns cylindrar. I specifika tävlingsmotortillämpningar kan turboladdarens varvtal överstiga 200 000 varv per minut, men i dieselmotorer är dess maximala varvtal vanligtvis cirka 30 % lägre. Huvudfunktionen hos en turboladdare är att tillhandahålla trycksatt insugningsluft till motorns cylindrar. Kort sagt ökar det syretätheten i insugningsluften. Dessutom kan den avgasdrivna-turbinen också driva reduktionsväxeln som är ansluten till motorns vevaxel genom en vätskekoppling. Vid denna tidpunkt kan turboladdaren hjälpa till att driva vevaxeln. Denna metod kallas turbokompositteknik och används för närvarande i den senaste generationen av Detroit-dieselmotorer. Det kommer att introduceras ytterligare i den senare delen av detta kapitel. Bild 12-7 visar den högra bilden av 2010 års Cummins ISX-motor, på vilken turboladdarens position är markerad.
Bild 12-7 Högervy av Cummins ISX-motor (märkt med turboladdarens läge)
Arbetsprincip
En turboladdare är en luftpump som drivs av avgaser, som består av en turbin och ett pumphjul installerade på samma axel (se figur 12-8). Axeln är upphängd i friktionslagret med trycksmörjolja (hydrodynamisk suspension). Turbinhjulet drivs av energin (värmen) från motorns avgaser och roterar inuti turbinhuset där avgaserna strömmar. Impellern är placerad i ett oberoende kompressorhölje och verkar på luften i insugningssystemet och pumpar den in i den trycksatta sidan av insugningssystemet. Avgaserna som driver turbinen kommer inte i kontakt med insugningsluften som verkar på pumphjulet. Figur 12-9 visar flödesvägarna för gas och smörjolja i en enkel turboladdare.
Figur 12-8 Turboladdarens (eller kompressorhjulets) pumphjul
Figur 12-9 Tvärsnittsvy av turboladdaren (inklusive smörjoljepassagen och gasflödesriktningen)
Kompressorns arbetsprincip
Den filtrerade insugningsluften sugs in i kompressorhuset och drivs av pumphjulet på turbinaxelns kompressorsida. Turbinen driver pumphjulet att rotera på andra sidan av turbinaxeln, så den faktiska rotationshastigheten för pumphjulet beror på arbetsförhållandena inuti turbinhuset. När pumphjulet roterar accelereras luften i insugningssystemet till en hög hastighet. Hög-luftflöde kommer in i en diffusor radiellt utåt. En diffusor är en strypanordning vars designmål är att omvandla den inkommande luftens kinetiska energi (rörelseenergi) till tryck när luftflödet passerar igenom. Spridaren kan vara av spiraltyp (snigelform) eller bladtyp (se figur 12-9). Verkningsgraden hos bladdiffusorn är högre.
Arbetsprincipen för turbinen
Avgaserna leds till turbinhuset. Ju högre spillvärmevärde för motorn (som vanligtvis ökar med ökningen av motorns uteffekt), desto högre är avgasernas termiska energi. Avgaserna kommer radiellt in i turbinhuset och kommer sedan in genom voluten (en snigelformad struktur med ett gradvis minskande- tvärsnitt). Voluten representerar en form av strypning. Men när avgaserna rinner ut ur voluten, expanderar den och verkar på turbinbladen och kommer sedan in i avgassystemet längs den axiella riktningen.
I vilken utsträckning gasen i turbinhuset expanderar beror på avgasens värme. Under motorns höga-effekttillstånd ökar spillvärmen från motorn, och effekten av avgasexpansion på turbinbladen kommer att höja turbinhastigheten. Det bör betonas att en turboladdares rotationshastighet huvudsakligen beror på avgasens värme snarare än på dess tryck. Betydelsen av voluten bör också förstås: ju mindre voluten storlek, desto starkare strypeffekt på luftflödet, men en liten -stor volute gör att avgasen expanderar mer fullständigt när den strömmar ut. Den bästa lösningen är att kunna kontrollera volutens flödesarea, vilket kommer att diskuteras ytterligare nedan. Figur 12-10 är ett schematiskt diagram av gasflödet i en turboladdare, som illustrerar nyckelfunktionerna för spiralen och diffusorn: Var uppmärksam på i vilka riktningar gasen strömmar in i och ut ur turbinhuset och kompressorhuset.
Luftflödesväg
Som visas i figur 12-10 kommer luftflödet in i turbinhuset på ett radiellt inflödes- och axiellt utflödessätt. Luften strömmar genom pumphjulshuset i axiell riktning och ut radiellt. I den enklaste turboladdardesignen är insugningspassagen eller halsen på turbinhuset inte segmenterad, det vill säga avgasportarna på alla cylindrar leder till en enda inloppskanal. Turboladdare med variabel geometri kan dock reglera luftflödet in och ut ur turbinhuset. Detta kommer att diskuteras senare i detta avsnitt.
Figur 12-10 Schematisk bild av luftflödesprincipen för en turboladdare, som visar funktionerna hos spiralen och diffusorn.
Turboladdare typ
Först och främst är det viktigt att skilja mellan fasta-geometriska turboladdare och turboladdare med variabel-geometri. Den här artikeln definierar det på följande sätt:
• Turboladdare med fast-geometri: Alla avgaser strömmar genom turbinhuset oavsett motorns driftsförhållanden.
• Turboladdare med variabel geometri: Genom extern eller intern kontroll justeras flödesytan inuti turbinhuset, eller så bringas en del av avgaserna att passera turbinhuset.
Från och med 2001 tillhörde de turboladdare som användes i de flesta kommersiella dieselmotorer på motorvägar fortfarande typen med fast geometri. Men denna situation har förändrats. När vi nu för tiden ser en turboladdare med fast-geometri på en dieselmotor för lastbilar, är den vanligtvis en del av en serie turboladdare eller en del av ett sammansatt turboladdarsystem. För närvarande använder nästan alla turboladdare någon form av teknik för att reglera (kontrollera) flödet av avgaser genom turbinhuset, antingen genom en avgasbypassventil eller genom att använda en intern variabel geometri.
Turboladdare med fast-geometri
Låt oss först beskriva arbetsprincipen för turboladdaren med fast-geometri. Turboladdare med fast-geometri är designade för att uppnå optimal prestanda vid specifika hastigheter och specifika spillvärmebelastningar, vilket innebär att de inte är särskilt mångsidiga. Ingenjörer måste välja drifttiden när turbinens verkningsgrad är som högst. De flesta vägmotorer som använder turboladdare med fast-geometri uppnår vanligtvis den högsta verkningsgraden för sina turbiner vid full belastning och toppvridmoment. Om driftsintervallet överskrids kommer prestandan att minska. Turboladdaren med fast-geometri har en enkel struktur. Figur 12-9 visar dess typiska struktur.
Genom att ställa in turbinens maximala verkningsgrad vid det maximala vridmomentet snarare än det nominella varvtalet gör det möjligt för turboladdaren med fast-geometri att ha själv-reglerande egenskaper: när motorvarvtalet ökar förkortas den faktiska tiden som är tillgänglig för trycksättning och insprutning av bränsle i cylindern. Om en turboladdare med fast-geometri körs utanför det angivna varvtalsintervallet kommer motorns vridmomentkurva att sjunka snabbt, vilket gör att motorn kämpar vid låga hastigheter och höga belastningar. Vid lastning i höga hastigheter sjunker hastigheten snabbt och bränsleekonomin försämras också.
Varning:
Felaktig matchning av turboladdare med fast-geometri kan leda till överdrivet högt cylindertryck, orsaka motorbortfall, eller omvänt leda till otillräcklig effekt, utsläpp av svart rök och ökade skadliga utsläpp.
Tekniska tips:
Även om dieselmotorer för lastbilar med turboladdare med fast-geometri är utformade för att uppnå högsta gaseffektivitet vid toppvridmoment, uppnår de flesta andra dieselmotorer som använder fasta-geometriska turboladdare (som icke-väg tung utrustning eller generatoraggregat) vanligtvis detta vid den nominella hastigheten (maximal effekt). I dessa applikationer är turboladdare med fast-geometri fortfarande vanliga och är vanligtvis optimerade för driftförhållanden med full-effekt och hög-hastighet.
Turboladdare med variabel geometri
Syftet med turboladdaren med variabel geometri kan sammanfattas som:
• När motorbelastningen är låg, få turbinen att reagera lika snabbt som en liten turboladdare.
• När motorbelastningen är hög, se till att turbinen ger tillräcklig förstärkning som en stor turboladdare.
Moderna turboladdare som styrs av ECM kan uppnå alla ovanstående mål och exakt reglering av alla mellansteg, vilket ger snabbare svarshastigheter (minskar turbohysteres) och lägre utsläpp. Vissa nuvarande turboladdare kombinerar också användningen av externa avgasbypass-ventiler och interna variabla geometrier för att hantera laddtrycket inom det bredaste intervallet av hastigheter och belastningar.
• Kontrolltyp av avgasbypassventil
Turboladdaren av typ avgasbypassventil har använts i många år. Dess arbetsprincip är: genom en "ventil" styrs all avgas att strömma genom turbinhuset, eller så förbikopplas en del av avgaserna direkt till avgassystemet. För närvarande finns det huvudsakligen två kontrollmetoder:
• Pneumatisk styrning: Bypassventilens funktion beror på trycket i insugningsröret. Vanligtvis används en aktuatortank med en fjäder. Som standard tillåter det stängda tillståndet att avgaserna strömmar helt genom turbinen. När grenrörets laddtryck når det inställda värdet övervinner trycket fjäderkraften för att trycka på åtgärdsstången och öppnar ventilen för att kringgå en del av avgaserna.
• Elektronisk styrning: Styrs av motorns ECM. Till exempel använder vissa motorer avgasbypassturbiner med dubbla inloppsportar. ECM hanterar exakt trycket som verkar på ställdonet genom magnetventiler och grenrörstryck, vilket uppnår fler-förstärkningsreglering. Dess styrprincip kan sammanfattas som en sammansatt styrmekanism av "elektronisk - elektrisk styrning - pneumatisk".
• Volutstyrd turbin med variabel geometri
Volutstyrda turboladdare med variabel geometri har använts i stor utsträckning i dagens dieselmotorer. Racingmotorer har använt munstycken med variabel öppning för att kontrollera volutens flödesarea i många år, och dieselmotorer har lånat denna teknik. Den första volutstyrda turboladdaren som användes för dieselmotorer dök upp i början av 1990-talet, med begränsad initial framgång. Men nuförtiden har den stora majoriteten av dieselmotortillverkarna föredragit att använda teknik med variabel volut snarare än den traditionella avgasbypass-ventilens turboladdare. Till exempel är turbinen med variabel geometri (VGT) installerad på Paccar MX13-motorn som visas i figur 12-11 en typisk representant. För att illustrera arbetsprincipen för turbinen med variabel geometri kommer vi att ta den typiska turboladdaren för volutstyrning som visas i figur 12-12 som ett exempel för illustration.
Figur 12-11 Turbin med variabel geometri (VGT) som används på Paccar MX13-motorn
Figur 12-12 Sektionsvy av turbinen med variabel geometri (VGT), med fokus på dess ställdon
Turboladdare med variabel munstycke
Figur 12-12 visar en tvärsnittsvy av en typisk turboladdare med variabelt munstycke. Se figur 12-13 för att identifiera nyckelkomponenterna som turbin, pinjong, munstycksblad och synkronring.
Figur 12-13 Arbetsprincip för komponenter i VN-turboladdare.
Den variabla munstycksturboladdaren genererar det erforderliga laddtrycket genom att justera bladvinkeln för att ändra volutflödesarean. Denna process uppnås genom att oljetrycket verkar på kolven, som griper in i CAM-växeln och vevaxeln, och därigenom driver den synkrona ringen att rotera. Den synkrona ringen stöder alla bladenheter. Varje blad är försett med ett spiralformigt spår. När den synkrona ringens rotationsposition ändras, roterar bladet med sin stiftaxel som stödpunkt, varigenom den synkrona justeringen av bladets lutningsvinkel uppnås. Genom denna mekanism kan volutens (intagssidan) flödesarea ökas eller minskas, vilket direkt påverkar gaseffektiviteten inuti turbinhuset. Kort sagt bestämmer volutens flödesarea turbinhastigheten och slutligen laddtrycket som genereras av turbinkompressorn.
Variabel munstyckskontroll
Turboladdaren med variabelt munstycke regleras av den variabla munstycksstyrventilen. Denna styrventil är ett proportionellt ställdon som styrs av motorstyrningsmodulen, som kan omvandla ingångsströmsignalen till ett specifikt kolvringsläge. När bladen är nära stängt läge (bladen kommer aldrig att stängas helt) genererar turboladdaren maximalt laddtryck. Hanteringen av tryckluft är helt beroende av bladens position, eftersom bladvinkeln direkt bestämmer hur avgaserna verkar på turbinen. Figur 12-14 visar hur oljetrycket driver kolvringen för att aktivera CAM- och vevmekanismen, vilket får den synkrona ringen att rotera medurs, vilket vidgar bladen och minskar turbinens gaseffektivitet.
Figur 12-14 VN Turboladdare: Öka bladöppningen för att minska turbinens effektivitet.
När oljetrycket trycker på kolven för att flyttas åt vänster (Figur 12-15), roterar den synkrona ringen moturs och justerar bladen till en vinkel nära det stängda läget, vilket förbättrar turbinens effektivitet för att ge maximal förstärkning. Denna åtgärdsprocess kan refereras till i figur 12-16.
Figur 12-15 VN Turboladdare: Minska bladöppningen för att uppnå maximal förstärkning.
Figur 12-16 Synkronringens roll för att styra bladöppningen.
Den variabla turboladdarens rotationshastighet matas tillbaka till motorns styrmodul genom en axialhastighetssensor baserad på principen om en induktionspulsgenerator. Dess utlösningssignal tas från den plana strukturen vid en specifik position på turbinaxeln.
3. Slipring volutturbin
En annan variabel volutstruktur som antagits av Cummins Honicell-turboladdare: flödesarean justeras genom att flytta släpringen genom VG-ställdonet. Dess mål är detsamma som för Caterpillars VN-turbin, men sättet det uppnås på är något annorlunda. Figur 12-17 visar en typisk VG-ställdonmodul som används på motorer efter 2010.
Bild 12-17: VG ställdonmodul som används på en typisk motor 10 år senare.