Турбонагнетатель с изменяемой геометрией — Variable-geometry turbocharger

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией ( VGT ), иногда известные как турбины с регулируемым соплом ( VNT ), представляют собой тип турбокомпрессоров , обычно предназначенных для изменения эффективного соотношения сторон турбокомпрессора при изменении условий. Это сделано потому, что оптимальное соотношение сторон на низких оборотах двигателя сильно отличается от такового при высоких оборотах двигателя.

Если соотношение сторон слишком велико, турбо не сможет создать ускорение на низких скоростях; если соотношение сторон слишком мало, турбонаддув будет заглушать двигатель на высоких оборотах, что приведет к высокому давлению в выпускном коллекторе , высоким насосным потерям и, в конечном итоге, к снижению выходной мощности. Изменяя геометрию корпуса турбины по мере ускорения двигателя, можно поддерживать оптимальное соотношение сторон турбины. Из-за этого VGT имеют минимальную задержку , низкий порог наддува и высокую эффективность на более высоких оборотах двигателя.

Разрезанный турбокомпрессор VGT (VW Golf, Diesel)

Сторона выпуска с направляющими лопатками переменной геометрии

сторона наддувочного воздуха с крыльчаткой компрессора

Содержание

История

Вращающаяся пластина VGT была впервые разработана Гарреттом и запатентована в 1953 году.

Одним из первых серийных автомобилей, в которых использовались эти турбокомпрессоры, была Honda Legend 1988 года ; он использовал VGT с водяным охлаждением, установленный на его 2,0-литровом двигателе V6.

Ограниченный выпуск 1989 Shelby CSX-VNT , всего было выпущено 500 экземпляров, был оснащен 2,2-литровым двигателем Chrysler K с турбонаддувом Garrett под названием VNT-25 (потому что он использовал тот же компрессор и вал, что и Garrett с фиксированной геометрией. Т-25).

В 1991 году Fiat включил VGT в турбодизель Croma с прямым впрыском.

Peugeot 405 Т16 , запущенный в 1992 году, использовали Гаррета VAT25 изменяемой геометрией турбонагнетателя на его 2,0-литровым двигателем с 16 клапанами.

Porsche 911 Turbo 2007 года оснащен двумя турбокомпрессорами с изменяемой геометрией на его 3,6-литровом горизонтально-оппозитном шестицилиндровом бензиновом двигателе.

Koenigsegg One: 1 2015 года (названный в честь отношения мощности к весу 1: 1) использует сдвоенные турбокомпрессоры с изменяемой геометрией на своем 5,0-литровом двигателе V8, что позволяет ему производить 1361 л.с.

Общие конструкции

Две наиболее распространенные реализации VGT следующие:

В двигателях малой грузоподъемности (легковые автомобили, гоночные автомобили и легкие коммерческие автомобили) лопатки турбины вращаются синхронно относительно ее ступицы, чтобы изменять ее шаг и площадь поперечного сечения.

В двигателях большой мощности лопатки не вращаются, а вместо этого изменяется их эффективная ширина. Обычно это делается путем перемещения турбины вдоль ее оси, частично втягивая лопатки внутри корпуса. Как вариант, перегородка внутри корпуса может скользить вперед и назад. Область между краями лопаток изменяется, что приводит к системе с переменным соотношением сторон с меньшим количеством движущихся частей.

VGT могут управляться мембранным вакуумным приводом, электрическим сервоприводом , трехфазным электрическим приводом, гидравлическим приводом или пневматическим приводом с использованием давления пневматического тормоза .

В отличие от турбин с фиксированной геометрией, VGT не требуют перепускного клапана .

Использовать

VGT чаще встречаются в дизельных двигателях, поскольку более низкая температура выхлопных газов означает, что они менее склонны к отказу. Ранние бензиновые двигатели VGT требовали значительного предварительного охлаждения, чтобы продлить срок службы турбокомпрессора до разумных уровней, но достижения в области технологий улучшили их устойчивость к высокотемпературным бензиновым выхлопам, и они начали все чаще появляться в автомобилях с бензиновыми двигателями.

Как правило, VGT используются только в OEM-приложениях из-за уровня координации, необходимого для поддержания лопаток в наиболее оптимальном положении для любого состояния двигателя. Тем не менее, доступны блоки управления VGT на вторичном рынке и некоторые высококачественные вторичные двигатели. системы управления также могут контролировать VGT.

В грузовиках VGT также используются для управления соотношением выхлопных газов, рециркулируемых обратно на впуск двигателя (ими можно управлять, чтобы выборочно увеличивать давление в выпускном коллекторе до тех пор, пока оно не превысит давление во впускном коллекторе, что способствует рециркуляции выхлопных газов ). Хотя чрезмерное противодавление двигателя отрицательно сказывается на общей топливной эффективности , обеспечение достаточной скорости рециркуляции отработавших газов даже во время переходных процессов (таких как переключение передач) может быть достаточным для снижения выбросов оксидов азота до уровня, требуемого законодательством о выбросах (например, Euro 5 для Европы и EPA). 10 для США).

Еще одно применение лопастных турбонагнетателей — это тормоз , расположенный ниже по потоку , так что дополнительный дроссельный клапан выпуска не требуется. Механизм также может быть намеренно модифицирован для снижения КПД турбины в заранее заданном положении. Этот режим может быть выбран для поддержания повышенной температуры выхлопных газов, чтобы способствовать «зажиганию» и «регенерации» сажевого фильтра (это включает нагревание углеродных частиц, застрявших в фильтре, до тех пор, пока они не окисляются в полусамостоятельной реакции. — скорее, как процесс самоочистки, который предлагают некоторые духовки). Приведение в действие VGT для управления потоком рециркуляции ОГ или для реализации режимов торможения или регенерации в целом требует гидравлических приводов или электрических сервоприводов.

Производители

Несколько компаний производят и поставляют турбокомпрессоры с вращающимися лопастями и изменяемой геометрией, включая Garrett, BorgWarner и Mitsubishi Heavy Industries . Эта конструкция в основном предназначена для небольших двигателей и легких грузовиков (легковые автомобили, гоночные автомобили и легкие коммерческие автомобили).

Основным поставщиком пластинчатых ВГЦ является Holset Engineering .

Турбина с изменяемой геометрией: устройство и принцип работы.

Обычная турбина представляет собой 2 крыльчатки, соединенные осью. Располагаются крыльчатки в разных камерах. Одну крыльчатку вращают выхлопные газы, а вторая вращается за счет первой, тем самым подводя новый воздух в систему.

Общее устройство турбины с изменяемой геометрией ( турбокомпрессора )крыльчатки и принцип нагнетания дополнительного воздуха не отличается от обычных турбокомпрессоров. Основная особенность в поворотных лопатках, механизме управления и вакуумном приводе.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией крыльчатки основывается на регулировании потока отработавших газов, направляемых на колесо турбины. Регулировка позволяет подстраивать проходное сечение для потока отработавших газов под режим работы двигателя.

При движении на маленькой скорости, турбина крутится медленно. Однако блок управления выставляет лепестки так, чтобы расстояние между ними было минимальным. При малом объеме, газу тяжело поступить через маленькое отверстие, что вынуждает его передвигаться с большей скоростью. В ходе перекрывания, обороты турбины увеличиваются, а значит повышается давление наддува.

С помощью таких лепестков, можно поднять скорость вращения турбины не изменяя объем поступающих газов. На высокой скорости компрессор наоборот раздвигает лепестки. Это предусмотрено для поддержания безопасного давления внутри системы и исключения перегрева.

Принцип работы изменяемой геометрии позволяет отказаться от перепускного клапана (wastegate). Через крыльчатку «горячей» части проходит весь поток выхлопных газов. Предотвращение избыточного наддува осуществляется изменением положения поворотных лопаток.

Изменение расстояния между направляющими элементами, в зависимости от типа и модели турбодвигателя управляться как давлением компрессора (или его отсутствием), так и вакуумным приводом, а в некоторых случаях — шаговым электромотором

Преимущества данной турбины можно выделить следующие:

• авто с изменяемой геометрией турбонаддува могут выдавать большую мощность уже с самих низких оборотов.
• снижение расхода топлива и количества вредных выбросов в атмосферу
• из-за отсутствующего клапана wastegate в «горячей» части уменьшается количество разнонаправленных потоков газов, что улучшает прохождение газов через турбину.
• улучшение эластичности двигателя

Настройка и регулировка турбины с изменяемой геометрией.

Эфективная и правильная настройка и регулировка турбины важна и для эффективности ее работы, и для снижения темпа износа деталей всего механизма, и даже для экономии денег на топливе.

Связано это с тем, что неправильные параметры настройки работы или неправильное (несвоевременное) проведение регулировки турбины непосредственно влияют на весь автомобиль и удобство его управления.

В то время как о некоторых действиях, обычно упоминаемых в инструкции к обслуживанию авто и его механизмов, владелец способен позаботиться самостоятельно, даже без специальных инструментов, опыта и знаний — для большинства из них потребуется внимание профессионала

Каждый разумный и заботливый автовладелец должен помнить о таких принципах как: своевременная профилактика и обслуживание, а также уклонение от вреда своими действиями. Это верно и для бензинового двигателя, и для дизельного.

Устройство и принцип работы турбины с изменяемой геометрией

Турбокомпрессор используется для увеличения мощности двигателя, которая напрямую зависит от объема воздуха и топлива, подаваемого в цилиндр. Ведущими частями любого турбокомпрессора являются турбина и насос, которые соединены между собой жесткой осью. Турбина двигателя с изменяемой геометрией необходима для образования оптимальной мощности двигателя, имеет свойство изменять сечение турбинных колес в зависимости от общей нагрузки. Если двигатель работает на низких оборотах, то турбина может увеличить скорость отвода выхлопных газов. Это позволяет турбине вращаться быстрее, при этом количество топлива остается небольшим.

Как устроена турбина и как она работает

Турбина с измененной геометрией отличается от классических турбокомпрессоров тем, что имеет в своей конструкции кольцо и специальные лопасти с аэродинамической формой, которая способствует увеличению эффективности наддува. В автомобилях с двигателями небольшой мощности сечение регулируется посредством изменения ориентации этих лопастей. В двигателях большой мощности лопасти не вращаются, а покрываются специальным кожухом или перемещаются вдоль оси камеры.

Особенностью VNT турбины являются поворотные лопасти, механизм управления и вакуумный привод. Принцип работы основывается на регулировке потока отработавших газов, которые направляются на колесо турбины. Точная регулировка позволяет настроить проходное сечение для потока газов под режим работы двигателя. Если автомобиль двигается на небольшой скорости, то и турбина крутится медленнее, но при этом лепестки устанавливаются в такое положение, чтобы расстояние между ними было минимальным. Газу в малом объеме сложно преодолеть небольшое отверстие, поэтому он будет передвигаться с большей скоростью, за счет чего обороты турбины увеличиваются, увеличивая при этом давление наддува.

При помощи данных лопастей можно существенно увеличить скорость вращения турбины, не меняя объемы поступающих газов. На большой скорости компрессор раздвигает лопасти – это обеспечивает поддержание безопасного давления внутри системы и исключает перегревы. Принцип изменяемой геометрии позволяет не использовать перепускной клапан, так как весь объём выхлопных газов выходит через горячую часть крыльчатки. Изменение положения поворотных предотвращает избыточный наддув.

Преимущества турбины с изменяемой геометрией

• Автомобили с такими турбинами развивают большую скорость с самых низких оборотов.
• Существенно снижается объем необходимого топлива, а также количество вредных выбросов в атмосферу.
• Улучшается прохождение газов через турбину из-за отсутствия клапана Wastegate и уменьшения количества разнонаправленных потоков газа.
• Улучшается эластичность двигателя.

Возможные неисправности

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией представляет собой сложный механизм, поэтому он больше подвержен различным поломкам. Однако, такие турбины сталкиваются лишь с несколькими проблемами:

• Подклинивание лопастей в движении. Такая ситуация может сложиться из-за сильного износа трущихся пар и образовании нагара. Масляные, а также углеродистые отложения мешают плавному движению регулировочного кольца.
• Заклинивание лопаток в одном положении. Это может происходить по причине критического нагарообразования, когда силы вакуума не хватает для движения регулировочного кольца.
• Поломки вакуумного привода поворотных лопастей или клапана управления давлением.

Симптомами поломок считаются подергивание при разгонах, потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива, а также срабатывание индикатора на приборной панели Check Engine.

Как настроить и отрегулировать турбину

Правильная регулировка турбины с изменяемой геометрией крайне важна для эффективной работы, и для того, чтобы предотвратить быстрый износ деталей и снизить потребление топлива. Если отрегулировать турбину неправильно, то в дальнейшем это повлияет на работу всего автомобиля и удобство его управления.

Любой современный автовладелец немного разбирается в устройстве своего автомобиля и даже может устранить определенные небольшие поломки. Однако, чтобы сделать серьезный ремонт автомобиля, необходим специальный инструмент и оборудование, которого у обычного потребителя может и не быть.

Поэтому, если вы хотите, чтобы работа турбины была эффективной и качественной – обращайтесь за помощью к специалистам, которые правильно настроят механизм и расскажут, как лучше всего за ним ухаживать. Также, не стоит забывать о своевременных диагностиках и профилактике.

Как почистить турбину своими руками

Устройство турбины постоянно сталкивается с непрерывной нагрузкой, подвергается воздействиям продуктов горения масла и топлива, поэтому нуждается в регулярной чистке для профилактики различных поломок, которые могут быть с этим связаны. Зачастую, достаточно обработать турбину специальным средством и прогнать его через механизм для качественной очистки. Однако, иногда придется приложить побольше усилий для того, чтобы удалить все загрязнения с устройства. Также стоит помнить о том, что турбина не требует частой чистки, поэтому если она сильно загрязняется за короткое время, значит есть неполадки в ее работе или настройке.

Причинами сильных загрязнений могут выступать:

• Увеличение нормы давления газов.
• Износ лопастей турбины.
• Превышение необходимого срока эксплуатации поршневого отсека.
• Засора сапуна.
• Износ прокладок.

Именно поэтому каждый автовладелец должен понимать, что сделать качественную чистку самостоятельно возможно, но далеко не всегда результат таких действий положительно влияет на работу механизма, а в некоторых случаях может и вовсе ухудшать ситуацию.

Отсутствие надлежащего опыта, проверенных чистящих средств, специальных инструментов – все это может негативно сказаться на результате вашей чистки, поэтому лучше всего обращаться в специализированные центры, где такой работой занимаются профессионалы.

Как сделать ремонт турбины?

Ремонт турбин гораздо проще предупредить посредством регулярного обслуживания и диагностики, чем потом пытаться исправить ситуацию самостоятельно. Процесс осложняется еще и тем, что многие автовладельцы боятся высоких цен на профессиональные услуги, забывая о том, что самостоятельное проведение ремонта отнимает также немало денег и времени. К тому же, не все получается с первого раза, и затраты на самостоятельный ремонт могут быть достаточно внушительными.

Поэтому мы настоятельно рекомендуем автовладельцам без опыта, знаний, навыков, а, самое главное, необходимого оборудования, не пытаться ремонтировать сложное устройство турбины самостоятельно, поскольку это может привести к еще более серьезным поломкам, устранить которые не сможет даже опытный специалист. При первых признаках поломки обращайтесь в наш сервисный центр, где наши мастера помогут вам восстановить картридж турбокомпрессора, а также устранить другие неисправности быстро и качественно.

Для того,чтобы идентифицировать турбокомпрессор,необходимо правильно «прочитать» информационную табличку,которая на нем установлена.

Ниже приведены фотографии информационных табличек наиболее распространенных турбокомпрессоров — Garrett,Mitsubishi,IHI,KKK,Holset с описанием нанесенной на них информации.