Turboahtimia käytetään lähes yleisesti keski- ja suurireikäisissä tiedieselmoottoreissa Pohjois-Amerikassa, ja ne ovat myös lähes täysin suosittuja pienireikäisissä moottoreissa. Turboahtimen määritelmä on pakokaasulla toimiva keskipakopumppu, joka voi "palauttaa" osan hukkalämmöstä moottorin sylintereistä. Tietyissä kilpamoottorisovelluksissa turboahtimen pyörimisnopeus voi ylittää 200 000 kierrosta minuutissa, mutta dieselmoottoreissa sen maksimipyörimisnopeus on yleensä noin 30 % pienempi. Turboahtimen päätehtävä on tuottaa paineistettua imuilmaa moottorin sylintereihin. Lyhyesti sanottuna se lisää happitiheyttä imuilmassa. Lisäksi pakokaasu{8}}käyttöinen turbiini voi myös käyttää alennusvaihdetta, joka on kytketty moottorin kampiakseliin nestekytkimen kautta. Tässä vaiheessa turboahdin voi auttaa kampiakselin ajamisessa. Tätä menetelmää kutsutaan turbokomposiittitekniikaksi, ja sitä käytetään tällä hetkellä uusimman sukupolven Detroit-dieselmoottoreissa. Sitä esitellään tarkemmin tämän luvun myöhemmässä osassa. Kuvassa 12-7 on oikea kuva vuoden 2010 Cummins ISX -moottorista, johon on merkitty turboahtimen asento.
Kuva 12-7 Oikea kuva Cummins ISX -moottorista (merkitty turboahtimen asennosta)
Toimintaperiaate
Turboahdin on pakokaasulla toimiva ilmapumppu, joka koostuu turbiinista ja samalle akselille asennetusta juoksupyörästä (katso kuva 12-8). Akseli on ripustettu kitkalaakeriin painevoiteluöljyllä (hydrodynaaminen jousitus). Turbiinin juoksupyörää käyttää moottorin pakokaasun energia (lämpö) ja se pyörii turbiinin kotelossa, jossa pakokaasu virtaa. Juoksupyörä sijaitsee erillisessä kompressorin kotelossa ja vaikuttaa imujärjestelmän ilmaan pumppaamalla sen imujärjestelmän paineistettuun puolelle. Turbiinia käyttävä pakokaasu ei joudu kosketuksiin juoksupyörään vaikuttavan imuilman kanssa. Kuva 12-9 näyttää kaasun ja voiteluöljyn virtausreitit yksinkertaisessa turboahtimessa.
Kuva 12-8 Turboahtimen (tai kompressorin pyörän) juoksupyörä
Kuva 12-9 Poikkileikkauskuva turboahtimesta (mukaan lukien voiteluöljyn kanava ja kaasun virtaussuunta)
Kompressorin toimintaperiaate
Suodatettu imuilma imetään kompressorin koteloon ja sitä käytetään turbiinin akselin kompressorin puolella olevalla juoksupyörällä. Turbiini ajaa juoksupyörän pyörimään turbiinin akselin toisella puolella, joten juoksupyörän todellinen pyörimisnopeus riippuu turbiinin kotelon sisällä olevista työolosuhteista. Juoksupyörän pyöriessä imujärjestelmän ilma kiihtyy suureen nopeuteen. Nopea -ilmavirta tulee diffuusoriin säteittäisesti ulospäin. Hajotin on kuristuslaite, jonka suunnittelun tavoitteena on muuntaa tulevan ilman liike-energia (liikeenergia) paineeksi, kun ilmavirta kulkee läpi. Hajotin voi olla kierukkatyyppinen (etanan muotoinen) tai terätyyppinen (katso kuva 12-9). Terähajottimen hyötysuhde on suurempi.
Turbiinin toimintaperiaate
Pakokaasu ohjataan turbiinin koteloon. Mitä suurempi moottorin hukkalämpöarvo (joka yleensä kasvaa moottorin tehon kasvaessa), sitä suurempi on pakokaasun lämpöenergia. Pakokaasu tulee säteittäisesti turbiinin koteloon ja sitten sisään kierukan kautta (etanan muotoinen rakenne, jonka poikkileikkaus- pienenee asteittain). Voluutti edustaa kuristuksen muotoa. Mutta kun pakokaasu virtaa ulos kierteestä, se laajenee ja vaikuttaa turbiinin siipiin ja tulee sitten pakokaasujärjestelmään aksiaalisuunnassa.
Se, kuinka paljon turbiinikotelossa oleva kaasu laajenee, riippuu pakokaasun lämmöstä. Moottorin korkeassa-tehotilassa moottorin hukkalämpö kasvaa ja pakokaasun laajenemisen vaikutus turbiinin siipiin nostaa turbiinin nopeutta. On syytä korostaa, että turboahtimen pyörimisnopeus riippuu pääasiassa pakokaasun lämmöstä eikä sen paineesta. Myös kierteen merkitys on ymmärrettävä: mitä pienempi kierteen koko, sitä voimakkaampi kuristusvaikutus ilmavirtaan on, mutta pieni-kierukka tarkoittaa, että pakokaasu laajenee täydellisemmin, kun se virtaa ulos. Paras ratkaisu on pystyä hallitsemaan kierteen virtausaluetta, jota käsitellään tarkemmin alla. Kuva 12-10 on kaaviollinen kaavio kaasun virtauksesta turboahtimessa, havainnollistaen kierukan ja diffuusorin tärkeimpiä toimintoja: Kiinnitä huomiota suuntiin, joissa kaasu virtaa turbiinikoteloon ja kompressorin koteloon ja sieltä ulos.
Ilmavirran reitti
Kuten kuvasta 12-10 näkyy, ilmavirtaus tulee turbiinin koteloon radiaalisesti sisään- ja aksiaalisesti ulosvirtauksena. Ilma virtaa juoksupyörän kotelon läpi aksiaalisessa suunnassa ja ulos säteittäisesti. Yksinkertaisimmassa turboahtimen rakenteessa turbiinikotelon imukanavaa tai kurkkua ei ole segmentoitu, eli kaikkien sylintereiden pakoaukot johtavat yhteen tulokanavaan. Muuttuvan geometrian turboahtimet voivat kuitenkin säätää ilmavirtausta turbiinin koteloon ja sieltä ulos. Tästä keskustellaan myöhemmin tässä osiossa.
Kuva 12-10 Kaaviokaavio turboahtimen ilmavirtausperiaatteesta, havainnollistaen kierukan ja diffuusorin toimintoja.
Turboahtimen tyyppi
Ensinnäkin on tärkeää erottaa kiinteä{0}}geometriset turboahtimet ja muuttuvageometriset{1}}turboahtimet. Tässä artikkelissa se määritellään seuraavasti:
• Kiinteä{0}}geometrinen turboahdin: Kaikki pakokaasut virtaavat turbiinin kotelon läpi moottorin käyttöolosuhteista riippumatta.
• Vaihtuvageometrinen turboahdin: Ulkoisella tai sisäisellä ohjauksella turbiinin kotelon sisällä olevaa virtausaluetta säädetään tai osa pakokaasusta saatetaan ohittamaan turbiinikotelo.
Vuodesta 2001 lähtien useimmissa maanteillä kaupallisissa dieselmoottoreissa käytetyt turboahtimet kuuluivat edelleen kiinteän geometrian tyyppiin. Mutta tämä tilanne on muuttunut. Nykyään, kun näemme kiinteän-geometrisen turboahtimen kuorma-auton dieselmoottorissa, se on yleensä sarjan turboahdinparin jäsen tai osa turboahdinjärjestelmää. Tällä hetkellä lähes kaikki turboahtimet käyttävät jonkinlaista tekniikkaa pakokaasun virtauksen säätelemiseksi (ohjaamiseksi) turbiinin kotelon läpi joko pakokaasun ohitusventtiilin kautta tai käyttämällä sisäistä muuttuvaa geometriaa.
Kiinteä{0}}geometrinen turboahdin
Kuvataan ensin kiinteän{0}}geometrisen turboahtimen toimintaperiaate. Kiinteän{2}}geometriset turboahtimet on suunniteltu saavuttamaan optimaalinen suorituskyky tietyillä nopeuksilla ja tietyillä hukkalämpökuormilla, mikä tarkoittaa, että ne eivät ole kovin monipuolisia. Insinöörien tulee valita käyttöaika, jolloin turbiinin hyötysuhde on korkein. Useimmat kiinteän{5}geometrisia turboahtimia käyttävät tiemoottorit saavuttavat yleensä turbiiniensa suurimman hyötysuhteen täydellä kuormituksella ja huippumomentin nopeuksilla. Jos toiminta-alue ylitetään, suorituskyky heikkenee. Kiinteän{8}}geometrisen turboahtimen rakenne on yksinkertainen. Kuvassa 12-9 näkyy sen tyypillinen rakenne.
Turbiinin huipputehokkuuden asettaminen huippuvääntömomentin nopeudelle nimellisnopeuden sijaan mahdollistaa kiinteän-geometrisen turboahtimen itsesäätyvän-ominaisuudet: kun moottorin nopeus kasvaa, paineistamiseen ja polttoaineen ruiskuttamiseen sylinteriin käytettävissä oleva todellinen aika lyhenee. Jos kiinteän-geometrisen turboahdinta käytetään määritellyn nopeusalueen ulkopuolella, moottorin vääntömomenttikäyrä putoaa nopeasti, mikä saa moottorin kamppailemaan alhaisilla nopeuksilla ja suurilla kuormilla. Suurilla nopeuksilla kuormitettuna nopeus laskee nopeasti ja myös polttoainetalous heikkenee.
Varoitus:
Kiinteän geometrian{0}}turboahtimien väärä sovitus voi johtaa liian korkeaan sylinteripaineeseen, mikä voi aiheuttaa moottorivian tai päinvastoin johtaa riittämättömään tehoon, mustan savun päästöihin ja lisääntyneisiin haitallisiin päästöihin.
Teknisiä vinkkejä:
Vaikka kuorma-autojen dieselmoottorit, joissa on kiinteä-geometrinen turboahdin, on suunniteltu saavuttamaan suurin kaasutehokkuus huippuvääntömomentilla, useimmat muut dieselmoottorit, joissa käytetään kiinteän-geometrisia turboahtimia (kuten-raskaita laitteita tai generaattoreita), saavuttavat tämän tyypillisesti nimellisnopeudella (maksimiteholla). Näissä sovelluksissa kiinteän-geometriset turboahtimet ovat edelleen yleisiä, ja ne on yleensä optimoitu täysitehoisille-nopeille{6}}käyttöolosuhteille.
Vaihtuvageometrinen turboahdin
Vaihtuvageometrisen turboahtimen tavoite voidaan tiivistää seuraavasti:
• Kun moottorin kuormitus on alhainen, anna turbiinin reagoida yhtä nopeasti kuin pienen turboahtimen.
• Kun moottorin kuormitus on korkea, anna turbiini antaa riittävän tehon kuin suuri turboahdin.
Nykyaikaiset ECM:n ohjaamat turboahtimet voivat saavuttaa kaikki edellä mainitut tavoitteet ja kaikkien välivaiheiden tarkan säädön, mikä tuo nopeampia vastenopeuksia (vähentää turbohystereesiä) ja pienemmät päästöt. Jotkut nykyiset turboahtimet yhdistävät myös ulkoisten pakokaasun ohitusventtiilien ja sisäisen muuttuvan geometrian ahtopaineen hallitsemiseksi laajimmalla nopeus- ja kuormitusalueella.
• Pakokaasun ohitusventtiilin ohjaustyyppi
Pakokaasun ohitusventtiilityyppinen turboahdin on ollut käytössä useita vuosia. Sen toimintaperiaate on: "venttiilin" kautta kaikki pakokaasut ohjataan virtaamaan turbiinin kotelon läpi tai osa pakokaasusta ohjataan suoraan pakojärjestelmään. Tällä hetkellä on pääasiassa kaksi valvontamenetelmää:
• Pneumaattinen ohjaus: Ohitusventtiilin toiminta riippuu imusarjan paineesta. Yleensä käytetään jousella varustettua toimilaitesäiliötä. Oletusarvoisesti suljettu tila sallii pakokaasun virrata kokonaan turbiinin läpi. Kun jakotukin lisäpaine saavuttaa asetetun arvon, paine ylittää jousivoiman työntääkseen toimintatankoa ja avaamalla venttiilin ohittamaan osan pakokaasusta.
• Elektroninen ohjaus: Ohjataan moottorin ECM:llä. Esimerkiksi joissakin moottoreissa käytetään pakokaasun ohitusturbiineja, joissa on kaksi imuaukkoa. ECM hallitsee tarkasti toimilaitteeseen vaikuttavaa painetta solenoidiventtiilien ja jakotukin paineen kautta, mikä mahdollistaa monivaiheisen tehostuksen säätelyn. Sen ohjausperiaate voidaan tiivistää "elektronisen - sähköisen ohjauksen - pneumaattisen" yhdistelmäohjausmekanismiksi.
• Voluuttiohjattu muuttuvageometrinen turbiini
Volute-ohjatut muuttuvageometriset turboahtimet on otettu laajalti käyttöön nykypäivän dieselmoottoreissa. Kilpamoottorit ovat käyttäneet säädettävän aukon suuttimia säätämään kierteen virtausaluetta useiden vuosien ajan, ja dieselmoottorit ovat lainanneet tätä tekniikkaa. Ensimmäinen kierreohjattu turboahdin, jota käytettiin dieselmoottoreihin, syntyi 1990-luvun alussa, mutta alkumenestys oli rajallinen. Mutta nykyään suurin osa dieselmoottoreiden valmistajista on mieluummin omaksunut muuttuvan kierukkatekniikan perinteisen pakokaasun ohitusventtiilin turboahtimen sijaan. Esimerkiksi kuvassa 12-11 näkyvä Paccar MX13 -moottoriin asennettu muuttuvageometrinen turbiini (VGT) on tyypillinen edustaja. Vaihtuvageometrisen turbiinin toimintaperiaatteen havainnollistamiseksi otamme esimerkkinä kuvassa 12-12 näkyvän tyypillisen kierukkaohjatun turboahtimen.
Kuva 12-11 Paccar MX13 -moottorissa käytetty muuttuvageometrinen turbiini (VGT)
Kuva 12-12 Leikkauskuva muuttuvageometrisesta turbiinista (VGT) keskittyen sen toimilaitteeseen
Muuttuva suutin turboahdin
Kuvassa 12-12 on poikkileikkauskuva tyypillisestä säädettävän suuttimen turboahtimesta. Katso Kuva 12-13 tunnistaaksesi tärkeimmät komponentit, kuten turbiini, hammaspyörä, suuttimen siipi ja synkroninen rengas.
Kuva 12-13 VN-turboahtimien osien toimintaperiaate.
Säädettävä suutinturboahdin tuottaa tarvittavan ahtopaineen säätämällä siiven kulmaa kierteen virtausalueen muuttamiseksi. Tämä prosessi saavutetaan öljynpaineella, joka vaikuttaa mäntään, joka osuu CAM-vaihteeseen ja kampiakseliin, jolloin synkroninen rengas pyörii. Synkroninen rengas tukee kaikkia teräkokoonpanoja. Jokainen terä on varustettu kierteisellä uralla. Kun synkronisen renkaan pyörimisasento muuttuu, terä pyörii tapin akselinsa tukipisteenä, jolloin saavutetaan terän kaltevuuskulman synkroninen säätö. Tämän mekanismin avulla kierteen (imupuolen) virtausaluetta voidaan lisätä tai vähentää, mikä vaikuttaa suoraan kaasun hyötysuhteeseen turbiinin kotelon sisällä. Lyhyesti sanottuna kierteen virtausalue määrää turbiinin nopeuden ja lopulta turbiinikompressorin tuottaman ahtopaineen.
Säädettävä suutinohjaus
Säädettävän suuttimen turboahdin säätelee säädettävän suuttimen ohjausventtiilillä. Tämä ohjausventtiili on moottorin ohjausmoduulin ohjaama suhteellinen toimilaite, joka pystyy muuttamaan tulovirtasignaalin tiettyyn männänrenkaan asentoon. Kun terät ovat lähellä kiinni-asentoa (terät eivät ole koskaan täysin kiinni), turboahdin tuottaa suurimman ahtopaineen. Paineilman hallinta on täysin riippuvainen siipien asennosta, sillä siipien kulma määrää suoraan, miten pakokaasu vaikuttaa turbiiniin. Kuvassa 12-14 näkyy, kuinka öljynpaine saa männänrenkaan aktivoimaan CAM- ja kammenmekanismin, jolloin synkroninen rengas pyörii myötäpäivään, mikä laajentaa siipiä ja vähentää turbiinin kaasutehokkuutta.
Kuva 12-14 VN-turboahdin: Lisää siiven aukkoa turbiinin tehokkuuden vähentämiseksi.
Kun öljynpaine työntää mäntää liikkumaan vasemmalle (Kuva 12-15), synkroninen rengas pyörii vastapäivään säätäen siivet kulmaan, joka on lähellä suljettua asentoa, mikä parantaa turbiinin tehokkuutta maksimaalisen tehon saamiseksi. Tähän toimintaprosessiin voidaan viitata kuvassa 12-16.
Kuva 12-15 VN-turboahdin: Pienennä terän aukkoa maksimaalisen tehon saavuttamiseksi.
Kuva 12-16 Synkronisen renkaan rooli terän avautumisen ohjauksessa.
Säädettävän suuttimen turboahtimen pyörimisnopeus syötetään takaisin moottorin ohjausmoduuliin induktiopulssigeneraattorin periaatteella toimivan aksiaalisen nopeusanturin kautta. Sen liipaisusignaali otetaan tasomaisesta rakenteesta tietyssä kohdassa turbiinin akselilla.
3. Liukurengasturbiini
Toinen Cummins Honicell -turboahtimien käyttämä muuttuva kierukkarakenne: virtausaluetta säädetään siirtämällä liukurengasta VG-toimilaitteen läpi. Sen tavoite on sama kuin Caterpillarin VN-turbiinilla, mutta tapa, jolla se saavutetaan, on hieman erilainen. Kuvassa 12-17 on tyypillinen VG-toimilaite, jota on käytetty moottoreissa vuoden 2010 jälkeen.
Kuva 12-17: VG-toimilaitemoduulia käytetty tyypillisessä moottorissa 10 vuotta myöhemmin.