Turbochargers eru nánast almennt notaðir í dísilvélum með meðalstórum og stórum götum í Norður-Ameríku, og þær eru líka næstum að fullu vinsælar í vélum með litlum holu. Skilgreiningin á forþjöppu er miðflóttadæla sem knúin er af útblásturslofti, sem getur "endurheimt" hluta af afgangshitanum frá vélarhólkunum. Í sérstökum kappakstursvélum getur snúningshraði forþjöppu farið yfir 200.000 snúninga á mínútu, en í dísilvélum er hámarkssnúningshraði hans venjulega um 30% lægri. Meginhlutverk forþjöppu er að útvega inntaksloft undir þrýstingi fyrir strokka vélarinnar. Í stuttu máli eykur það súrefnisþéttleika í inntakslofti. Þar að auki getur útblástursgas-drifinn hverflin einnig knúið minnkunargírinn sem er tengdur við sveifarás hreyfilsins í gegnum vökvatengi. Á þessum tímapunkti getur túrbóhlaðan aðstoðað við að knýja sveifarásinn. Þessi aðferð er kölluð turbo composite tækni og er nú beitt í nýjustu kynslóð Detroit dísilvéla. Það verður nánar kynnt í síðari hluta þessa kafla. Mynd 12-7 sýnir hægri mynd af Cummins ISX vélinni 2010, þar sem staðsetning túrbóhleðslunnar er merkt.
Mynd 12-7 Hægri mynd af Cummins ISX vél (merkt með stöðu Turbocharger)
Starfsregla
Turbocharger er loftdæla sem knúin er af útblásturslofti, sem samanstendur af túrbínu og hjóli sem komið er fyrir á sama bol (sjá mynd 12-8). Skaftið er upphengt á núningslaginu með þrýstingssmurolíu (vatnsaflsfjöðrun). Túrbínuhjólið er knúið áfram af orku (hita) útblásturslofts hreyfilsins og snýst innan túrbínuhússins þar sem útblástursloftið streymir. Hjólhjólið er staðsett í sjálfstæðu þjöppuhlíf og virkar á loft inntakskerfisins og dælir því inn í þrýstihlið inntakskerfisins. Útblástursloftið sem knýr túrbínuna kemst ekki í snertingu við inntaksloftið sem verkar á hjólið. Mynd 12-9 sýnir flæðisleiðir gass og smurolíu í einfaldri túrbó.
Mynd 12-8 Hrifhjól forþjöppunnar (eða þjöppuhjólsins)
Mynd 12-9 Þverskurðarmynd af forþjöppu (þar á meðal smurolíugangur og gasflæðisstefna)
Vinnulag þjöppunnar
Síað inntaksloft er dregið inn í þjöppuhlífina og knúið áfram af hjólinu á túrbínuás þjöppuhliðinni. Hverflinn knýr hjólið til að snúast hinum megin á túrbínuásnum, þannig að raunverulegur snúningshraði hjólsins fer eftir vinnuskilyrðum inni í túrbínuhúsinu. Þegar hjólið snýst er loftinu í inntakskerfinu hraðað upp á mikinn hraða. Hár-loftflæði fer inn í dreifara geislavirkt út á við. Dreifari er inngjöfarbúnaður sem hefur það markmið að breyta hreyfiorku (hreyfingarorku) loftsins sem kemur inn í þrýsting þegar loftstreymi fer í gegnum. Dreifarinn getur verið af gervigerðinni (snigilformi) eða blaðgerðinni (sjá mynd 12-9). Skilvirkni blaðdreifarans er meiri.
Vinnulag túrbínu
Útblástursloftið er leitt að túrbínuhúsinu. Því hærra sem úrgangshitagildi hreyfilsins er (sem eykst venjulega með aukningu á afköstum vélarinnar), því meiri varmaorka útblástursloftsins. Útblástursloftið fer inn í túrbínuhúsið og fer síðan inn í gegnum spóluna (-snigllaga bygging með smám saman minnkandi-þversniði). Sprengjan táknar form af inngjöf. En þegar útblástursloftið rennur út úr volutinu þenst það út og verkar á hverflablöðin og fer síðan inn í útblásturskerfið meðfram ásstefnunni.
Að hve miklu leyti gasið í túrbínuhúsinu stækkar fer eftir hita útblástursloftsins. Við mikla-afköst hreyfilsins eykst úrgangshitinn frá vélinni og áhrif útblástursþenslu á túrbínublöðin hækka túrbínuhraðann. Rétt er að árétta að snúningshraði forþjöppu fer aðallega eftir hita útblástursloftsins frekar en þrýstingi þess. Einnig ætti að skilja mikilvægi spólunnar: því minni sem spólustærð er, því sterkari eru inngjöfaráhrifin á loftflæðið, en lítill -stærð spólur þýðir að útblástursloftið þenst meira út þegar það flæðir út. Besta lausnin er að geta stjórnað flæðisflatarmáli spólunnar, sem nánar verður fjallað um hér á eftir. Mynd 12-10 er skýringarmynd af gasflæðinu í túrbóhleðslutæki, sem sýnir lykilaðgerðir spólunnar og dreifarsins: Vinsamlegast athugaðu í hvaða áttum gasið flæðir inn og út úr túrbínuhúsinu og þjöppuhúsinu.
Loftstreymisleið
Eins og sýnt er á mynd 12-10 fer loftflæðið inn í túrbínuhúsið með geislamyndað innstreymi og axialútstreymi. Loftið streymir í gegnum hjólhýsið í axial átt og út geislað. Í einföldustu hönnun túrbóhleðslunnar er inntaksgangur eða háls túrbínuhússins ekki aðgreindur, það er að útblástursport allra strokka leiða til einnar inntaksrásar. Hins vegar geta túrbóhleðslur með breytilegri rúmfræði stjórnað loftflæði inn og út úr túrbínuhúsinu. Um þetta verður fjallað síðar í þessum kafla.
Mynd 12-10 Skýringarmynd af loftflæðisreglu túrbóhleðslutækis, sem sýnir virkni rafhlöðunnar og dreifarsins.
Gerð turbocharger
Í fyrsta lagi er mikilvægt að gera greinarmun á föstum-rafómetrískum forþjöppum og breytilegum-geometrískum forþjöppum. Þessi grein skilgreinir það sem hér segir:
• Fast-geómetrísk túrbóhleðslutæki: Öll útblástursloft streymir í gegnum túrbínuhúsið óháð notkunarskilyrðum hreyfilsins.
• Turbocharger með breytilegri rúmfræði: Með ytri eða innri stjórn er flæðisvæðið inni í túrbínuhúsinu stillt eða hluti af útblástursloftinu látinn fara framhjá túrbínuhúsinu.
Frá og með árinu 2001 tilheyrðu túrbóhleðslunum sem notaðar voru í flestum dísilvélum í atvinnuskyni á þjóðvegum enn fastri rúmfræði. En þetta ástand hefur breyst. Nú á dögum, þegar við sjáum fasta-geometry forþjöppu á dísilvél vörubíls, er það venjulega hluti af röð forþjöppunarpörunar eða hluti af samsettu forþjöppukerfi. Sem stendur taka næstum öll túrbóhleðslutæki upp einhvers konar tækni til að stjórna (stýra) flæði útblásturslofts í gegnum túrbínuhúsið, hvort sem er í gegnum útblásturshjáveituloka eða með því að nota innri breytilega rúmfræði.
Fast-túrbóhleðslutæki með rúmfræði
Við skulum fyrst lýsa vinnureglunni um fasta-geometry forþjöppu. Forþjöppur með fastri-rúmfræði eru hönnuð til að ná sem bestum afköstum við ákveðna hraða og sérstakt hitaálag, sem þýðir að þau eru ekki mjög fjölhæf. Verkfræðingar verða að velja rekstrartíma þegar nýtni hverfla er sem mest. Flestar vegavélar sem nota fasta-geometry túrbóhleðslutæki ná yfirleitt mestu skilvirkni hverfla sinna við fullt álag og hámarkshraða. Ef farið er yfir rekstrarsviðið mun frammistaðan minnka. Fasta-geometry túrbóhleðslan hefur einfalda uppbyggingu. Mynd 12-9 sýnir dæmigerða uppbyggingu þess.
Með því að stilla hámarksnýtni túrbínu á hámarks snúningshraða frekar en nafnhraða gerir fasta-geometry turbocharger kleift að hafa sjálf-stillingareiginleika: þegar snúningshraði hreyfilsins eykst styttist raunverulegur tími sem er tiltækur til að þrýsta og dæla eldsneyti inn í strokkinn. Ef forþjöppuhleðslutæki með fastri-rúmfræði er keyrt utan tilgreinds hraðasviðs mun snúningshraðaferill hreyfilsins lækka hratt, sem veldur því að vélin lendir í erfiðleikum við lágan hraða og mikið álag. Þegar hlaðið er á miklum hraða mun hraðinn lækka hratt og eldsneytissparnaður mun einnig versna.
Viðvörun:
Óviðeigandi samsvörun á föstum-geometry forþjöppum getur leitt til of hás strokkþrýstings, valdið vélarbilun, eða öfugt, leitt til ófullnægjandi afl, svartan reyks og aukinnar skaðlegrar útblásturs.
Tæknilegar ráðleggingar:
Þrátt fyrir að dísilvélar vörubíla með föstum-geometrískum forþjöppum séu hannaðar til að ná sem mestri gasnýtni við hámarkstog, ná flestar aðrar dísilvélar sem nota fasta-geometry forþjöppu (eins og þungur búnaður sem ekki er á vegum eða rafalarsett) venjulega þessu á nafnhraða (hámarksafli). Í þessum forritum eru fastir-geometrískir forþjöppur áfram algengir og eru venjulega fínstilltir fyrir full-afl og háan-hraða notkunarskilyrði.
Turbocharger með breytilegri rúmfræði
Markmið túrbóhleðslunnar með breytilegri rúmfræði má draga saman sem:
• Þegar vélarálagið er lítið, láttu túrbínuna bregðast eins hratt við og lítil túrbó.
• Þegar vélarálagið er mikið, láttu túrbínuna veita nægilega mikla eyðslu eins og stór túrbó.
Nútíma forþjöppur, sem stjórnað er af ECM, geta náð öllum ofangreindum markmiðum og nákvæmri stjórnun á öllum millistigum, og færir þar með hraðari viðbragðshraða (dregur úr túrbó-hysteresis) og minni losun. Sumir núverandi túrbóhleðslutæki sameina einnig notkun ytri útblásturshjáveituloka og innri breytilegra rúmfræði til að stjórna aukaþrýstingi innan breiðasta sviðs hraða og álags.
• Gerð stjórnunarventils fyrir útblástursloft
Túrbóhleðslutæki af útblásturslofti hefur verið í notkun í mörg ár. Starfsregla þess er: í gegnum „ventil“ er öllu útblásturslofti stjórnað þannig að það flæðir í gegnum túrbínuhúsið, eða hluta af útblástursloftinu er beint framhjá útblásturskerfinu. Sem stendur eru aðallega tvær eftirlitsaðferðir:
• Pneumatic control: Rekstur hjáveitulokans fer eftir þrýstingi inntaksgreinarinnar. Venjulega er virkjunartankur með gorm notaður. Sjálfgefið er að lokað ástand leyfir útblástursloftinu að flæða alfarið í gegnum hverflinn. Þegar margvíslega örvunarþrýstingurinn nær settu gildi, sigrast þrýstingurinn á gormkraftinum til að ýta á aðgerðastöngina og opna lokann til að komast framhjá hluta útblástursloftsins.
• Rafræn stjórn: Stjórnað af ECM vélinni. Til dæmis nota sumar vélar útblásturshjáveituhverfla með tvöföldum inntaksportum. ECM stýrir nákvæmlega þrýstingnum sem verkar á stýrisbúnaðinn í gegnum segullokuloka og margvíslegan þrýsting, sem nær yfir fjölþrepa aukastjórnun. Stýrireglu þess má draga saman sem samsettan stýribúnað „rafræns - rafstýringar - loftkerfis.
• Rúmbína með breytilegri rúmfræði
Forþjöppur með breytilegri rúmfræði hafa verið notaðir víða í dísilvélum nútímans. Kappakstursvélar hafa notað stúta með breytilegu ljósopi til að stjórna flæðisflatarmáli spólunnar í mörg ár og dísilvélar hafa fengið þessa tækni að láni. Fyrsta rafstýrða túrbóhlaðan sem notuð var á dísilvélar kom fram snemma á tíunda áratugnum, með takmörkuðum árangri í upphafi. En nú á dögum hefur mikill meirihluti dísilvélaframleiðenda kosið að taka upp breytilega rafhlöðutækni frekar en hefðbundna útblásturshjáveituloka forþjöppu. Til dæmis er breytileg rúmfræðihverfla (VGT) sem sett er upp á Paccar MX13 vélinni sem sýnd er á mynd 12-11 dæmigerður fulltrúi. Til að útskýra virkni túrbínu með breytilegri rúmfræði munum við taka dæmigerða rafstýringarforþjöppu sem sýnd er á mynd 12-12 sem dæmi til skýringar.
Mynd 12-11 Variable Geometry Turbine (VGT) Notaður á Paccar MX13 vélinni
Mynd 12-12 Hlutamynd af hverflinum með breytilegri rúmfræði (VGT), með áherslu á stýrisbúnað hans
Breytileg stút túrbó
Mynd 12-12 sýnir þversniðsmynd af dæmigerðri breytilegri túrbó. Vinsamlega skoðaðu mynd 12-13 til að bera kennsl á lykilþættina eins og túrbínuna, snúðinn, stútblaðið og samstilltan hring.
Mynd 12-13 Vinnureglur íhluta í VN forþjöppum.
Breytilegur stútforþjöppubúnaðurinn framkallar nauðsynlegan aukaþrýsting með því að stilla horn blaðsins til að breyta rafflæðissvæðinu. Þetta ferli er náð með því að olíuþrýstingurinn verkar á stimplinn, sem tengist CAM gírnum og sveifarásinni, og knýr þannig samstillta hringinn til að snúast. Samstillti hringurinn styður allar blaðsamstæðurnar. Hvert blað er búið þyrillaga gróp. Þegar snúningsstaða samstillta hringsins breytist, snýst blaðið með pinnaskaftið sem burðarpunktinn, þannig að samstilltur aðlögun hallahorns blaðsins er náð. Með þessu fyrirkomulagi er hægt að auka eða minnka flæðissvæði spólunnar (inntakshliðar) sem hefur bein áhrif á gasnýtni inni í túrbínuhúsinu. Í stuttu máli þá ákvarðar flæðisflatarmál túrbínu hraða túrbínu og að lokum aukaþrýstinginn sem myndast af túrbínuþjöppunni.
Breytileg stútstýring
Túrbóhleðslutæki með breytilegum stútum er stjórnað af breytilegu stútstýrilokanum. Þessi stjórnventill er hlutfallsstýribúnaður sem stjórnað er af vélstýringareiningunni, sem getur umbreytt innstraumsmerkinu í ákveðna stimplahringstöðu. Þegar blöðin eru nálægt lokuðu stöðunni (blöðin verða aldrei alveg lokuð) myndar túrbóhlaðan hámarksörvunarþrýsting. Stjórnun á þrýstilofti er algjörlega háð staðsetningu blaðanna, þar sem horn blaðsins ákvarðar beint hvernig útblástursloftið virkar á hverflinn. Mynd 12-14 sýnir hvernig olíuþrýstingur knýr stimplahringinn til að virkja CAM og sveifbúnaðinn, sem veldur því að samstillti hringurinn snýst réttsælis, þar með víkkar blöðin og dregur úr gasnýtni hverflans.
Mynd 12-14 VN Turbocharger: Auktu blaðopið til að draga úr skilvirkni túrbínu.
Þegar olíuþrýstingurinn ýtir stimplinum til vinstri (Mynd 12-15), snýst samstillti hringurinn rangsælis, stillir blöðin í horn nálægt lokuðu stöðunni, sem eykur skilvirkni túrbínu til að veita hámarksuppörvun. Hægt er að vísa til þessa aðgerðaferlis á mynd 12-16.
Mynd 12-15 VN Turbocharger: Minnkaðu blaðopið til að ná hámarks aukningu.
Mynd 12-16 Hlutverk samstillta hringsins við að stjórna opnun blaðsins.
Snúningshraði breytilegra stúta forþjöppunnar er færður aftur til vélstýringareiningarinnar í gegnum áshraðaskynjara sem byggir á meginreglunni um örvunarpúlsrafall. Kveikjumerki þess er tekið frá sléttu burðarvirkinu á ákveðnum stað á túrbínuásnum.
3. Slip hringur volute hverfla
Önnur breytileg rafhlöðuuppbygging sem Cummins Honicell túrbóhleðslur hafa tekið upp: flæðisvæðið er stillt með því að færa rennihringinn í gegnum VG stýrisbúnaðinn. Markmið hennar er það sama og VN hverfla Caterpillar, en hvernig því er náð er aðeins öðruvísi. Mynd 12-17 sýnir dæmigerða VG stýrieiningu sem notuð er á hreyfla eftir 2010.
Mynd 12-17: VG stýrieining notuð á dæmigerða vél 10 árum síðar.