Turbopolnilniki se v Severni Ameriki skoraj povsod uporabljajo v cestnih dizelskih motorjih srednje in velike vrtine, prav tako pa so skoraj v celoti popularizirani v motorjih z majhno vrtino. Definicija turbopolnilnika je centrifugalna črpalka, ki jo poganjajo izpušni plini in lahko "rekuperira" del odpadne toplote iz valjev motorja. V posebnih aplikacijah dirkalnih motorjev lahko vrtilna hitrost turbopolnilnika preseže 200.000 vrtljajev na minuto, pri dizelskih motorjih pa je njegova največja vrtilna hitrost običajno približno 30 % nižja. Glavna funkcija turbopolnilnika je zagotavljanje vsesanega zraka pod pritiskom za valje motorja. Skratka, poveča gostoto kisika v vsesanem zraku. Poleg tega lahko turbina,-ki jo poganja izpušni plin, poganja tudi reduktor, povezan z ročično gredjo motorja prek tekočinske sklopke. Na tej točki lahko turbopolnilnik pomaga pri pogonu ročične gredi. Ta metoda se imenuje turbokompozitna tehnologija in se trenutno uporablja v najnovejši generaciji dizelskih motorjev Detroit. Nadalje bo predstavljen v kasnejšem delu tega poglavja. Slika 12-7 prikazuje desni pogled na motor Cummins ISX 2010, na katerem je označen položaj turbopolnilnika.
Slika 12-7 Desni pogled na motor Cummins ISX (označen s položajem turbopolnilnika)
Načelo delovanja
Turbopolnilnik je zračna črpalka, ki jo poganjajo izpušni plini in je sestavljena iz turbine in rotorja, nameščenega na isti gredi (glej sliko 12-8). Gred je obešena na tornem ležaju s pomočjo tlačnega mazalnega olja (hidrodinamično vzmetenje). Rotor turbine poganja energija (toplota) izpušnih plinov motorja in se vrti znotraj ohišja turbine, kjer tečejo izpušni plini. Tekač se nahaja v neodvisnem ohišju kompresorja in deluje na zrak sesalnega sistema ter ga črpa v tlačno stran sesalnega sistema. Izpušni plini, ki poganjajo turbino, ne pridejo v stik z vsesanim zrakom, ki deluje na propeler. Slika 12-9 prikazuje pretočne poti plina in mazalnega olja v preprostem turbopolnilniku.
Slika 12-8 Tekač turbopolnilnika (ali kompresorskega kolesa)
Slika 12-9 Prečni prerez turbopolnilnika (vključno s prehodom mazalnega olja in smerjo pretoka plina)
Načelo delovanja kompresorja
Filtrirani vsesani zrak se vsesa v ohišje kompresorja in ga poganja rotor na strani kompresorja turbinske gredi. Turbina poganja rotor, da se vrti na drugi strani turbinske gredi, zato je dejanska hitrost vrtenja rotorja odvisna od delovnih pogojev v ohišju turbine. Ko se rotor vrti, se zrak v sesalnem sistemu pospeši do visoke hitrosti. Visok{3}}zračni tok vstopa v difuzor radialno navzven. Difuzor je dušilna naprava, katere namen zasnove je pretvorba kinetične energije (energije gibanja) vhodnega zraka v tlak, ko gre zračni tok skozi. Difuzor je lahko spiralnega tipa (polžasta oblika) ali lamelnega tipa (glej sliko 12-9). Učinkovitost lamelnega difuzorja je večja.
Načelo delovanja turbine
Izpušni plini se vodijo do ohišja turbine. Večja kot je vrednost odpadne toplote motorja (ki običajno narašča z večanjem izhodne moči motorja), večja je toplotna energija izpušnih plinov. Izpušni plini radialno vstopijo v ohišje turbine in nato skozi spiralo (polžasto -strukturo s postopno padajočim-prerezom). Voluta predstavlja obliko dušilke. Ko pa izpušni plin teče iz spirale, se razširi in deluje na lopatice turbine, nato pa vstopi v izpušni sistem vzdolž osne smeri.
V kolikšni meri se plin v ohišju turbine razširi, je odvisno od toplote izpušnih plinov. V pogojih visoke -izhodne moči motorja se odpadna toplota iz motorja poveča, učinek širjenja izpušnih plinov na lopatice turbine pa bo povečal hitrost turbine. Treba je poudariti, da je vrtilna hitrost turbopolnilnika odvisna predvsem od toplote izpušnih plinov in ne od njihovega tlaka. Razumeti je treba tudi pomen spirale: manjša kot je spirala, močnejši je dušilni učinek na pretok zraka, vendar majhna spirala-pomeni, da se izpušni plin bolj razširi, ko izteka. Najboljša rešitev je možnost nadzora pretoka volute, o čemer bomo podrobneje razpravljali v nadaljevanju. Slika 12-10 je shematski diagram pretoka plina v turbopolnilniku, ki ponazarja ključne funkcije spirale in difuzorja: Bodite pozorni na smeri, v katerih plin teče v in iz ohišja turbine in ohišja kompresorja.
Pot zračnega toka
Kot je prikazano na sliki 12-10, zračni tok vstopa v ohišje turbine v obliki radialnega dotoka in aksialnega odtoka. Zrak teče skozi ohišje rotorja v aksialni smeri in ven radialno. Pri najpreprostejši zasnovi turbopolnilnika sesalni prehod ali grlo ohišja turbine ni segmentirano, kar pomeni, da izpušne odprtine vseh valjev vodijo v en sam vstopni kanal. Vendar lahko turbopolnilniki s spremenljivo geometrijo uravnavajo pretok zraka v in iz ohišja turbine. O tem bomo razpravljali kasneje v tem razdelku.
Slika 12-10 Shematski diagram principa zračnega toka turbopolnilnika, ki prikazuje funkcije spirale in difuzorja.
Tip turbopolnilnika
Najprej je pomembno razlikovati med turbopolnilniki s fiksno-geometrijo in turbopolnilniki s spremenljivo-geometrijo. Ta člen ga opredeljuje na naslednji način:
• Turbopolnilnik s fiksno{0}}geometrijo: vsi izpušni plini tečejo skozi ohišje turbine ne glede na pogoje delovanja motorja.
• Turbopolnilnik s spremenljivo geometrijo: Z zunanjim ali notranjim krmiljenjem se prilagodi območje pretoka znotraj ohišja turbine ali pa del izpušnih plinov obide ohišje turbine.
Od leta 2001 so turbopolnilniki, ki se uporabljajo v večini komercialnih dizelskih motorjev na avtocestah, še vedno pripadali tipu s fiksno geometrijo. Toda to stanje se je spremenilo. Dandanes, ko vidimo turbopolnilnik s fiksno-geometrijo na dizelskem motorju tovornjaka, je to običajno član serijskega para turbopolnilnikov ali del sestavljenega sistema turbopolnilnikov. Trenutno skoraj vsi turbopolnilniki uporabljajo nekakšno tehnologijo za uravnavanje (nadzor) pretoka izpušnih plinov skozi ohišje turbine, bodisi prek obvodnega ventila za izpušne pline bodisi z uporabo notranje spremenljive geometrije.
Turbopolnilnik s fiksno-geometrijo
Najprej opišimo načelo delovanja turbopolnilnika-nepremične geometrije. Turbopolnilniki s fiksno-geometrijo so zasnovani za doseganje optimalne učinkovitosti pri določenih hitrostih in specifičnih obremenitvah z odpadno toploto, kar pomeni, da niso preveč vsestranski. Inženirji morajo izbrati čas delovanja, ko je izkoristek turbine največji. Večina cestnih motorjev, ki uporabljajo turbopolnilnike s fiksno-geometrijo, običajno doseže najvišjo učinkovitost svojih turbin pri polni obremenitvi in vrtljajih največjega navora. Če je območje delovanja preseženo, se bo zmogljivost zmanjšala. Turbopolnilnik s fiksno-geometrijo ima preprosto strukturo. Slika 12-9 prikazuje njegovo tipično zgradbo.
Nastavitev najvišje učinkovitosti turbine pri najvišji vrtilni frekvenci namesto pri nazivni vrtilni frekvenci omogoča, da ima turbopolnilnik s fiksno-geometrijo samo-regulacijske lastnosti: ko se vrtilna frekvenca motorja poveča, se dejanski čas, ki je na voljo za ustvarjanje tlaka in vbrizgavanje goriva v valj, skrajša. Če turbopolnilnik s fiksno-geometrijo deluje izven določenega območja vrtljajev, bo krivulja navora motorja hitro padla, kar bo povzročilo težave pri nizkih vrtljajih in visokih obremenitvah. Pri obremenitvi pri visokih hitrostih bo hitrost hitro padla, poslabšala pa se bo tudi poraba goriva.
Opozorilo:
Nepravilno ujemanje turbopolnilnikov s fiksno-geometrijo lahko privede do previsokega tlaka v valju, kar povzroči okvaro motorja, ali nasprotno, povzroči nezadostno moč, emisije črnega dima in povečane škodljive emisije.
Tehnični nasveti:
Čeprav so dizelski motorji tovornjakov s turbopolnilniki s fiksno-geometrijo zasnovani za doseganje najvišjega izkoristka plina pri največjem navoru, večina drugih dizelskih motorjev, ki uporabljajo turbopolnilnike s fiksno-geometrijo (kot je ne-težka oprema za ceste ali generatorski sklopi), to običajno doseže pri nazivni hitrosti (največja moč). V teh aplikacijah so turbopolnilniki s fiksno-geometrijo še vedno pogosti in so običajno optimizirani za-pogoje delovanja s polno-močjo in visoko{6}}hitrostjo.
Turbopolnilnik s spremenljivo geometrijo
Cilj turbopolnilnika s spremenljivo geometrijo je mogoče povzeti kot:
• Ko je obremenitev motorja majhna, naj se turbina odzove tako hitro kot majhen turbopolnilnik.
• Ko je obremenitev motorja visoka, poskrbite, da bo turbina zagotovila zadosten pospešek kot velik turbopolnilnik.
Sodobni turbopolnilniki, ki jih krmili ECM, lahko dosežejo vse zgoraj navedene cilje in natančno regulacijo vseh vmesnih stopenj, s čimer prinašajo hitrejše odzivne hitrosti (zmanjšanje turbo histereze) in nižje emisije. Nekateri trenutni turbopolnilniki združujejo tudi uporabo zunanjih izpušnih obvodnih ventilov in notranje spremenljive geometrije za upravljanje polnilnega tlaka v najširšem razponu vrtljajev in obremenitev.
• Tip krmiljenja obvodnega ventila za izpušne pline
Turbopolnilnik tipa obvodnega ventila za izpušne pline je v uporabi že vrsto let. Njegov princip delovanja je: skozi "ventil" se ves izpušni plin krmili tako, da teče skozi ohišje turbine, ali pa se del izpušnih plinov neposredno zaobide v izpušni sistem. Trenutno obstajata predvsem dva načina nadzora:
• Pnevmatsko krmiljenje: Delovanje obtočnega ventila je odvisno od tlaka v sesalnem razdelilniku. Običajno se uporabi pogonski rezervoar z vzmetjo. Privzeto zaprto stanje omogoča, da izpušni plini v celoti tečejo skozi turbino. Ko polnilni tlak kolektorja doseže nastavljeno vrednost, tlak premaga silo vzmeti, da potisne delovno palico in odpre ventil, da zaobide del izpušnih plinov.
• Elektronski nadzor: Upravlja ga ECM motorja. Na primer, nekateri motorji uporabljajo turbine z obvodom izpušnih plinov z dvojnimi vstopnimi odprtinami. ECM natančno upravlja tlak, ki deluje na aktuator preko elektromagnetnih ventilov in tlaka razdelilnika, s čimer doseže več-stopenjsko regulacijo povečanja. Njegovo krmilno načelo je mogoče povzeti kot sestavljen krmilni mehanizem "elektronskega - električnega krmiljenja - pnevmatskega".
• Turbina s spremenljivo geometrijo z volumsko krmiljenjem
Turbopolnilniki s spremenljivo geometrijo z volumsko krmiljenjem so bili široko uporabljeni v današnjih dizelskih motorjih. Dirkalni motorji že vrsto let uporabljajo šobe s spremenljivo odprtino za nadzor pretoka spirale, dizelski motorji pa so si izposodili to tehnologijo. Prvi spiralno krmiljeni turbopolnilnik, ki se uporablja za dizelske motorje, se je pojavil v zgodnjih 1990-ih, z omejenim začetnim uspehom. Toda dandanes je velika večina proizvajalcev dizelskih motorjev raje sprejela tehnologijo spremenljivega voluta namesto tradicionalnega turbopolnilnika obvodnega ventila izpušnih plinov. Tipičen predstavnik je na primer turbina s spremenljivo geometrijo (VGT), nameščena na motorju Paccar MX13, prikazanem na sliki 12-11. Za ponazoritev principa delovanja turbine s spremenljivo geometrijo bomo kot primer za ponazoritev vzeli tipičen turbopolnilnik s spiralnim krmiljenjem, prikazan na sliki 12-12.
Slika 12-11 Turbina s spremenljivo geometrijo (VGT), uporabljena na motorju Paccar MX13
Slika 12-12 Prerez turbine s spremenljivo geometrijo (VGT) s poudarkom na njenem aktuatorju
Turbopolnilnik s spremenljivo šobo
Slika 12-12 prikazuje prečni prerez tipičnega turbopolnilnika s spremenljivo šobo. Glejte sliko 12-13, da prepoznate ključne komponente, kot so turbina, zobnik, lopatica šobe in sinhronski obroč.
Slika 12-13 Načelo delovanja sestavnih delov turbopolnilnikov VN.
Turbopolnilnik s spremenljivo šobo ustvari zahtevani polnilni tlak s prilagajanjem kota lopatic, da spremeni površino spiralnega pretoka. Ta proces se doseže s pritiskom olja, ki deluje na bat, ki se ujame z zobnikom CAM in ročično gredjo, s čimer poganja sinhronski obroč k vrtenju. Sinhroni obroč podpira vse sklope rezil. Vsako rezilo je opremljeno s spiralnim utorom. Ko se položaj vrtenja sinhronega obroča spremeni, se rezilo vrti s svojo osjo zatiča kot oporiščem, s čimer se doseže sinhrona prilagoditev kota naklona rezila. S tem mehanizmom se lahko poveča ali zmanjša pretočna površina spirale (sesalna stran), kar neposredno vpliva na učinkovitost plina v ohišju turbine. Skratka, območje pretoka spirale določa hitrost turbine in končno polnilni tlak, ki ga ustvari turbinski kompresor.
Spremenljivo krmiljenje šob
Turbopolnilnik s spremenljivimi šobami je reguliran s krmilnim ventilom s spremenljivimi šobami. Ta krmilni ventil je proporcionalni aktuator, ki ga upravlja krmilni modul motorja in je sposoben pretvoriti signal vhodnega toka v določen položaj batnega obročka. Ko so lopatice blizu zaprtega položaja (lopatice nikoli ne bodo popolnoma zaprte), turbopolnilnik ustvari največji polnilni tlak. Upravljanje stisnjenega zraka je v celoti odvisno od položaja lopatic, saj kot lopatic neposredno določa način delovanja izpušnih plinov na turbino. Slika 12-14 prikazuje, kako tlak olja poganja batni obroček, da aktivira CAM in ročični mehanizem, zaradi česar se sinhronski obroč vrti v smeri urinega kazalca, s čimer se razširijo lopatice in zmanjša učinkovitost plina turbine.
Slika 12-14 Turbopolnilnik VN: Povečajte odprtino lopatic, da zmanjšate učinkovitost turbine.
Ko tlak olja potisne bat, da se premakne v levo (slika 12-15), se sinhronski obroč zavrti v nasprotni smeri urinega kazalca, pri čemer se lopatice prilagodijo pod kotom blizu zaprtega položaja, s čimer se poveča učinkovitost turbine, da se zagotovi največji pospešek. Ta akcijski proces je prikazan na sliki 12-16.
Slika 12-15 Turbopolnilnik VN: Zmanjšajte odprtino lopatic, da dosežete največji pospešek.
Slika 12-16 Vloga sinhronega obroča pri nadzoru odpiranja lopatic.
Hitrost vrtenja turbopolnilnika s spremenljivo šobo se prek senzorja aksialne hitrosti na principu indukcijskega generatorja impulzov vrne v krmilni modul motorja. Njegov sprožilni signal je vzet iz planarne strukture na določenem mestu na gredi turbine.
3. spiralna turbina z drsnim obročem
Še ena spremenljiva spiralna struktura, ki so jo sprejeli turbopolnilniki Cummins Honicell: območje pretoka se prilagodi s premikanjem drsnega obroča skozi aktuator VG. Njen cilj je enak kot pri Caterpillarjevi turbini VN, vendar je način doseganja nekoliko drugačen. Slika 12-17 prikazuje tipičen modul aktuatorja VG, ki se uporablja na motorjih po letu 2010.
Slika 12-17: Modul aktuatorja VG, uporabljen na tipičnem motorju 10 let pozneje.