I. STC-ahdistusjärjestelmän koostumus ja periaate
Sequential TurboCharging (STC) -tekniikka on edistynyt turboahdintekniikka, joka yhdistää kaksi tai useampi turboahdin toimimaan rinnakkain. Dieselmoottorin kuormituksen ja nopeuden kasvaessa nämä turboahtimet aktivoituvat peräkkäin ennalta määritettyjen käyttöolosuhteiden perusteella [1]. Tämä tekniikka käsittelee erityisesti perinteisten dieselmoottoreiden ja turboahtimien välisiä yhteensopivuus- ja suorituskykyhaasteita. Tavoitteena on parantaa merkittävästi moottorin tehokkuutta ja taloudellisuutta alhaisissa nopeuksissa, suuren kuormituksen olosuhteissa ja samalla optimoida kokonaisteho ja päästöjen suorituskyky.
1. STC Supercharging Systemin kokoonpano
STC on energiatehokas ja suorituskykyinen ahtotekniikka, jota käytetään ensisijaisesti suurten laivojen, raskaiden ajoneuvojen ja teollisuussovellusten dieselmoottoreissa.
PA6-propulsiodieselmoottori käyttää tätä tekniikkaa, joka koostuu STC-ohjausjärjestelmästä ja kahdesta rinnakkaisesta ensimmäisen vaiheen pakokaasuturboahtimesta vaiheittaista ahtoa varten.
PA{0}}STC-dieselmoottorin kahden pakokaasuturboahtimen joukossa:
- Suoraan A-kolonnin pakosarjaan kytketty toimii ensisijaisena turboahtimena, jota kutsutaan A-kolonnin turboahtimeksi.
- Kolonnin B pakosarjaan yhdistetty toimii ohjattuna turboahtimena, joka tunnetaan nimellä B-kolonnin turboahdin.
Dieselmoottorin käytön aikana pakokaasut käyttävät joko toista tai molempia ensimmäisen vaiheen pakokaasuturboahtimia, jotka puristavat imuilman ja lisäävät imupainetta ja lämpötilaa. Tämä prosessi parantaa palamistehokkuutta ja parantaa dieselmoottorin tehoa ja hyötysuhdetta.
STC-ohjausjärjestelmä koostuu neljästä pneumaattisesta läppäventtiilistä, STC-ohjaimesta ja läppäventtiilin ilmaisumagneettiventtiilikotelosta. Se tarkkailee jatkuvasti kriittisiä parametreja, kuten dieselmoottorin nopeutta, kuormitusta ja pakokaasujen lämpötilaa. Näiden parametrien perusteella järjestelmä ohjaa turboahtimien toimintaa. Erityisesti:
- Kaasuventtiili on asennettu B-kolonnin turboahtimen turbiinin sisääntuloon.
- Ilmaventtiili on asennettu B-kolonnin turboahtimen kompressorin ulostuloon.
- Ohitusventtiili (turboahtimen jännitteen estämiseksi) on asennettu kompressorin ulostulon ja turbiinin sisääntulon väliin.
- Puhallusventtiili (sylinterin liiallisen paineen estämiseksi matalissa lämpötiloissa) asennetaan imujärjestelmään ennen moottoria.
STC-ohjain on ohjausjärjestelmän ydinkomponentti, joka vastaa tietojen keräämisestä turboahtimen nopeudesta, ahtopaineesta, dieselmoottorin kierrosnopeudesta, polttoainetelineen asennosta ja polttoainetelineen nolla-asennosta [2]. Se ohjaa neljän läppäventtiilin avaamista ja sulkemista mahdollistaen B-kolonnin turboahtimen kytkemisen päälle tai pois tarpeen mukaan, mikä täyttää dieselmoottorin suorituskykyvaatimukset vaihtelevissa kuormitusolosuhteissa.
2. Pakokaasuturboahtimen toimintaperiaate
PA{0}}STC-dieselmoottorin pakokaasuturboahdin koostuu pääasiassa keskipakokompressorista ja pakokaasuturbiinista, kuten pakokaasuturboahtimen poikkileikkauskuvassa (kuva 1) näkyy. Nämä komponentit on asennettu samalle pääakselille ja toimivat kuin nopea pyörivä kone, joka pystyy saavuttamaan pyörimisnopeudet kymmeniä tuhansia kierroksia minuutissa tai enemmän.
STC-ahdistusjärjestelmän toimintaperiaatteena on, että dieselmoottorin sylintereistä poistuva korkean lämpötilan, nopea pakokaasu tulee suutinrenkaan kautta ei-vesijäähdytteiseen turbiinin imukoteloon laajenemaan. Tämä laajeneminen muuntaa lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi, mikä saa turbiinin pyörimään ja puolestaan pyörittää koaksiaalikompressorin juoksupyörää. Pakokaasu jäähdytetään sitten vesijäähdytteisen turbiinin ulostulokotelon avulla ennen kuin se päästetään ilmakehään.
Kompressori imee raitista ilmaa imujärjestelmän kautta ja puristaa sen. Puristettu, nopea ilma kulkee diffuusorin läpi lisäpaineistamista varten ja virtaa sitten välijäähdyttimen läpi jäähdytystä ja paineenpoistoa varten. Lopuksi jäähdytetty ilma tulee dieselmoottorin imusarjaan ja syötetään sylintereihin saavuttaen ahtauksen tarkoituksen. Tämän prosessin ansiosta dieselmoottori voi imeä enemmän ilmaa ja polttaa enemmän polttoainetta, mikä parantaa tehoa ja lämpötehokkuutta.
3. STC-ohjausjärjestelmän perusperiaate
STC-ahdistusjärjestelmä toimii kahdessa ensisijaisessa tilassa: 1TC (yksi turboahdin) ja 2TC (kaksoisturboahdin), kuten kuvassa 2, STC-ahdistusjärjestelmän kaaviokuva, esitetään.
Kun dieselmoottori toimii alhaisella kuormituksella, kaasuventtiili ja ilmaventtiili ovat kiinni. Tässä tilassa vain A-kolonnin turboahdin on aktiivinen, kun taas B-kolonnin turboahdin on suljettu suljetuilla venttiileillä ja pysyy passiivisena. Tätä kokoonpanoa kutsutaan 1TC (single turbocharger) -työtilaksi [3-4]. Tämän tilan aikana sekä A-kolonnin että B-kolonnin sylintereiden pakokaasut ovat riittävät täyttämään A-kolonnin turboahtimen toimintavaatimukset, mikä varmistaa päämoottorin optimaalisen suorituskyvyn matalan kuormituksen olosuhteissa. Tämä parantaa propulsiodieselmoottorin tehoa ja polttoainetehokkuutta alhaisilla kuormituksilla ja alentaa samalla pakokaasun lämpötilaa ja polttoaineen kulutusta.
Kun moottori saavuttaa suuren kuormituksen, kaasuventtiili ja ilmaventtiili avautuvat, jolloin aiemmin tyhjäkäynnillä ollut B-kolonniohjattu turboahdin kytkeytyy rinnakkain A-kolonnin turboahtimen kanssa. Tämä johtaa siihen, että sekä A-kolonnin että B-kolonnin turboahtimet toimivat samanaikaisesti rinnakkain, mikä on nimetty 2TC (dual turbocharger) -työtilaksi. Kun dieselmoottorin kuormitus ja nopeus kasvavat alhaisesta korkeaan ja saavuttavat ennalta määrätyn kynnyksen, järjestelmä siirtyy 1TC-tilasta 2TC-tilaan. Päinvastoin, kun kuormitus ja nopeus laskevat, järjestelmä vaihtaa takaisin 2TC-tilasta 1TC-tilaan. Ohitusventtiili ja puhallusventtiili aktivoituvat dieselmoottorin tietyissä käyttöolosuhteissa tai siirtymisen aikana 1TC- ja 2TC-tilojen välillä.