Turbodmychadla jsou téměř univerzálně používána v silničních dieselových motorech se středním a velkým vrtáním v Severní Americe a jsou také téměř plně populární v motorech s malým vrtáním. Definicí turbodmychadla je odstředivé čerpadlo poháněné výfukovými plyny, které dokáže „získávat“ část odpadního tepla z válců motoru. Ve specifických aplikacích závodních motorů může rychlost otáčení turbodmychadla překročit 200 000 otáček za minutu, ale u dieselových motorů je jeho maximální rychlost otáčení obvykle o 30 % nižší. Hlavní funkcí turbodmychadla je zajistit stlačený vzduch nasávaný do válců motoru. Stručně řečeno, zvyšuje hustotu kyslíku v nasávaném vzduchu. Kromě toho může turbína poháněná výfukovými plyny-pohánět také redukční převod připojený ke klikovému hřídeli motoru prostřednictvím kapalinové spojky. V tomto okamžiku může turbodmychadlo asistovat při pohonu klikového hřídele. Tato metoda se nazývá turbokompozitní technologie a v současnosti se používá v nejnovější generaci dieselových motorů Detroit. To bude dále představeno v pozdější části této kapitoly. Obrázek 12-7 ukazuje pravý pohled na motor Cummins ISX 2010, na kterém je vyznačena poloha turbodmychadla.
Obrázek 12-7 Pohled zprava na motor Cummins ISX (označený polohou turbodmychadla)
Princip fungování
Turbodmychadlo je vzduchové čerpadlo poháněné výfukovými plyny, které se skládá z turbíny a oběžného kola nainstalovaného na stejné hřídeli (viz obrázek 12-8). Hřídel je zavěšena na kluzném ložisku tlakovým mazacím olejem (hydrodynamické odpružení). Oběžné kolo turbíny je poháněno energií (teplem) výfukových plynů motoru a otáčí se uvnitř skříně turbíny, kudy proudí výfukové plyny. Oběžné kolo je umístěno v samostatné skříni kompresoru a působí na vzduch sacího systému a čerpá ho do tlakové strany sacího systému. Výfukové plyny pohánějící turbínu nepřicházejí do styku s nasávaným vzduchem působícím na oběžné kolo. Obrázek 12-9 ukazuje cesty proudění plynu a mazacího oleje v jednoduchém turbodmychadle.
Obrázek 12-8 Oběžné kolo turbodmychadla (nebo kompresorového kola)
Obrázek 12-9 Pohled v řezu na turbodmychadlo (včetně průchodu mazacího oleje a směru proudění plynu)
Princip činnosti kompresoru
Filtrovaný nasávaný vzduch je nasáván do skříně kompresoru a poháněn oběžným kolem na straně kompresoru turbíny. Turbína pohání oběžné kolo k otáčení na druhé straně hřídele turbíny, takže skutečná rychlost otáčení oběžného kola závisí na pracovních podmínkách uvnitř skříně turbíny. Jak se oběžné kolo otáčí, vzduch v sacím systému je urychlován na vysokou rychlost. Vysokorychlostní-proud vzduchu vstupuje do difuzoru radiálně směrem ven. Difuzér je škrticí zařízení, jehož konstrukčním cílem je přeměnit kinetickou energii (energii pohybu) přiváděného vzduchu na tlak při průchodu proudu vzduchu. Difuzér může být spirálového typu (tvar šneka) nebo lopatkového typu (viz obrázek 12-9). Účinnost lopatkového difuzoru je vyšší.
Princip činnosti turbíny
Výfukové plyny jsou vedeny do skříně turbíny. Čím větší je hodnota odpadního tepla motoru (která se obvykle zvyšuje s rostoucím výstupním výkonem motoru), tím vyšší je tepelná energie výfukových plynů. Výfukové plyny radiálně vstupují do skříně turbíny a poté vstupují spirálou (struktura ve tvaru hlemýždě -s postupně se zmenšujícím- průřezem). Voluta představuje formu škrcení. Ale když výfukové plyny proudí ze spirály, expandují a působí na lopatky turbíny a poté se dostávají do výfukového systému podél axiálního směru.
Rozsah, v jakém se plyn ve skříni turbíny rozpíná, závisí na teplu výfukových plynů. Při vysokém-výkonu motoru se zvyšuje odpadní teplo z motoru a účinek expanze výfukových plynů na lopatky turbíny zvýší otáčky turbíny. Je třeba zdůraznit, že rychlost otáčení turbodmychadla závisí spíše na teplu výfukových plynů než na jejich tlaku. Je třeba si také uvědomit význam spirály: čím menší je velikost spirály, tím silnější je škrtící účinek na proudění vzduchu, ale malá- velikost spirály znamená, že výfukové plyny se při vytékání více rozpínají. Nejlepším řešením je mít možnost ovládat průtokovou oblast spirály, což bude dále diskutováno níže. Obrázek 12-10 je schematický diagram proudění plynu v turbodmychadle, znázorňující klíčové funkce spirály a difuzoru: Věnujte prosím pozornost směrům, kterými plyn proudí do a ze skříně turbíny a skříně kompresoru.
Dráha proudění vzduchu
Jak je znázorněno na obrázku 12-10, proud vzduchu vstupuje do skříně turbíny radiálním přítokem a axiálním odtokem. Vzduch proudí skříní oběžného kola v axiálním směru a radiálně ven. U nejjednodušší konstrukce turbodmychadla není sací kanál nebo hrdlo skříně turbíny segmentované, to znamená, že výfukové kanály všech válců vedou do jediného sacího kanálu. Turbodmychadla s proměnnou geometrií však mohou regulovat proudění vzduchu dovnitř a ven ze skříně turbíny. O tom bude řeč později v této části.
Obrázek 12-10 Schéma principu proudění vzduchu u turbodmychadla, znázorňující funkce spirály a difuzoru.
Typ turbodmychadla
Nejprve je důležité rozlišovat mezi turbodmychadly s pevnou-geometrií a turbodmychadlem s proměnnou-geometrií. Tento článek to definuje takto:
• Turbodmychadlo s pevnou{0}}geometrií: Všechny výfukové plyny proudí skříní turbíny bez ohledu na provozní podmínky motoru.
• Turbodmychadlo s proměnnou geometrií: Vnějším nebo vnitřním ovládáním se upravuje průtoková plocha uvnitř skříně turbíny nebo se část výfukových plynů přiměje k obtékání skříně turbíny.
Od roku 2001 turbodmychadla používaná ve většině komerčních dieselových motorů na dálnicích stále patřila k typu s pevnou geometrií. Ale tato situace se změnila. Když v dnešní době vidíme turbodmychadlo s pevnou-geometrií na vznětovém motoru nákladního automobilu, je obvykle součástí páru sériového turbodmychadla nebo součástí systému složeného turbodmychadla. V současnosti téměř všechna turbodmychadla přijímají nějaký druh technologie k regulaci (řízení) proudění výfukových plynů skříní turbíny, ať už přes obtokový ventil výfukových plynů nebo pomocí vnitřní proměnné geometrie.
Opravená-geometrie turbodmychadla
Nejprve si popišme princip fungování turbodmychadla s pevnou{0}}geometrií. Turbodmychadla s pevnou{2}}geometrií jsou navržena tak, aby dosahovala optimálního výkonu při konkrétních otáčkách a specifickém zatížení odpadním teplem, což znamená, že nejsou příliš univerzální. Inženýři musí zvolit provozní dobu, kdy je účinnost turbíny nejvyšší. Většina silničních motorů, které používají turbodmychadla s pevnou{5}}geometrií, obvykle dosahuje nejvyšší účinnosti svých turbín při plném zatížení a maximálních otáčkách točivého momentu. Pokud je překročen provozní rozsah, výkon se sníží. Turbodmychadlo s pevnou-geometrií má jednoduchou konstrukci. Obrázek 12-9 ukazuje jeho typickou strukturu.
Nastavení špičkové účinnosti turbíny při otáčkách maximálního točivého momentu namísto jmenovitých otáček umožňuje, aby turbodmychadlo s pevnou{0}}geometrií mělo samoregulační-charakteristiky: když se otáčky motoru zvýší, zkrátí se skutečný čas dostupný pro natlakování a vstřikování paliva do válce. Pokud je turbodmychadlo s pevnou{3}}geometrií provozováno mimo specifikovaný rozsah otáček, křivka točivého momentu motoru rychle klesne, což způsobí, že motor bude mít problémy při nízkých otáčkách a vysokém zatížení. Při zatížení ve vysokých otáčkách otáčky rychle klesnou a také se zhorší spotřeba paliva.
Varování:
Nesprávné přizpůsobení turbodmychadel s pevnou{0}}geometrií může vést k příliš vysokému tlaku ve válci, což může způsobit selhání motoru, nebo naopak vést k nedostatečnému výkonu, emisím černého kouře a zvýšeným škodlivým emisím.
Technické tipy:
Přestože jsou vznětové motory nákladních automobilů s turbodmychadly s pevnou{0}}geometrií navrženy tak, aby dosahovaly nejvyšší účinnosti plynu při maximálním točivém momentu, většina ostatních vznětových motorů využívajících turbodmychadla s pevnou-geometrií (jako jsou jiné než -silniční těžké stroje nebo agregáty) toho obvykle dosahuje při jmenovitých otáčkách (maximálním výkonu). V těchto aplikacích zůstávají turbodmychadla s pevnou{4}}geometrií běžná a jsou obvykle optimalizována pro provozní podmínky s plným-vysokým výkonem-.
Turbodmychadlo s variabilní geometrií
Cíl turbodmychadla s proměnnou geometrií lze shrnout takto:
• Když je zatížení motoru nízké, zajistěte, aby turbína reagovala stejně rychle jako malé turbodmychadlo.
• Když je zatížení motoru vysoké, zajistěte, aby turbína poskytovala dostatečný výkon jako velké turbodmychadlo.
Moderní turbodmychadla řízená ECM dokážou dosáhnout všech výše uvedených cílů a přesné regulace všech mezistupňů, čímž přinášejí vyšší rychlosti odezvy (snížení hystereze turba) a nižší emise. Některá současná turbodmychadla také kombinují použití vnějších výfukových obtokových ventilů a vnitřních proměnných geometrií pro řízení plnicího tlaku v co nejširším rozsahu otáček a zatížení.
• Typ ovládání obtokového ventilu výfukových plynů
Turbodmychadlo typu s obtokovým ventilem výfukových plynů se používá již mnoho let. Jeho pracovní princip je: přes "ventil" jsou všechny výfukové plyny řízeny tak, aby proudily skrz skříň turbíny, nebo je část výfukových plynů přímo odváděna do výfukového systému. V současné době existují především dva způsoby ovládání:
• Pneumatické ovládání: Činnost obtokového ventilu závisí na tlaku v sacím potrubí. Obvykle se používá nádrž pohonu s pružinou. Ve výchozím nastavení zavřený stav umožňuje, aby výfukové plyny proudily zcela přes turbínu. Když plnicí tlak sběrného potrubí dosáhne nastavené hodnoty, tlak překoná sílu pružiny, aby zatlačil na akční tyč, otevře ventil, aby obcházel část výfukových plynů.
• Elektronické ovládání: Řízené ECM motoru. Některé motory například využívají výfukové obtokové turbíny s dvojitými sacími otvory. Modul ECM přesně řídí tlak působící na pohon prostřednictvím solenoidových ventilů a tlaku v potrubí, čímž dosahuje více-stupňové regulace zvýšení. Jeho princip ovládání lze shrnout jako složený ovládací mechanismus „elektronického - elektrického ovládání - pneumatického“.
• Turbína s proměnnou geometrií řízená spirálou
Směrově řízená turbodmychadla s proměnnou geometrií jsou široce používána v dnešních vznětových motorech. Závodní motory již řadu let používají trysky s proměnnou aperturou pro řízení průtokové oblasti voluty a dieselové motory si tuto technologii vypůjčily. První spirálově řízené turbodmychadlo použité u vznětových motorů se objevilo na počátku 90. let s omezeným počátečním úspěchem. V dnešní době však naprostá většina výrobců vznětových motorů upřednostňuje přijetí technologie s proměnnou spirálou před tradičním turbodmychadlem s obtokovým ventilem výfukových plynů. Typickým představitelem je například turbína s proměnnou geometrií (VGT) nainstalovaná na motoru Paccar MX13 znázorněném na obrázku 12-11. Pro ilustraci pracovního principu turbíny s proměnnou geometrií si jako příklad pro ilustraci vezmeme typické spirálové turbodmychadlo zobrazené na obrázku 12-12.
Obrázek 12-11 Turbína s proměnnou geometrií (VGT) použitá na motoru Paccar MX13
Obrázek 12-12 Pohled v řezu na turbínu s proměnnou geometrií (VGT) se zaměřením na její pohon
Turbodmychadlo s variabilní tryskou
Obrázek 12-12 ukazuje pohled v řezu na typické turbodmychadlo s proměnnou tryskou. Na obr. 12-13 jsou uvedeny klíčové součásti, jako je turbína, pastorek, lopatka trysky a synchronní kroužek.
Obrázek 12-13 Princip činnosti součástí turbodmychadel VN.
Turbodmychadlo s proměnnou tryskou generuje požadovaný plnicí tlak nastavením úhlu lopatky tak, aby se změnila plocha spirálního proudění. Tohoto procesu je dosaženo tlakem oleje působícím na píst, který je v záběru s ozubeným kolem CAM a klikovým hřídelem, čímž pohání synchronní kroužek k otáčení. Synchronní kroužek podpírá všechny sestavy lopatek. Každá čepel je vybavena spirálovou drážkou. Když se poloha otáčení synchronního prstence změní, čepel se otáčí se svým čepovým hřídelem jako opěrným bodem, čímž se dosáhne synchronního nastavení úhlu sklonu čepele. Prostřednictvím tohoto mechanismu lze zvětšit nebo zmenšit průtokovou plochu spirály (sací strana), což přímo ovlivňuje účinnost plynu uvnitř skříně turbíny. Stručně řečeno, průtoková plocha spirály určuje rychlost turbíny a nakonec plnicí tlak generovaný kompresorem turbíny.
Variabilní ovládání trysek
Turbodmychadlo s proměnnou tryskou je regulováno regulačním ventilem s proměnnou tryskou. Tento řídicí ventil je proporcionální akční člen řízený řídicím modulem motoru, který je schopen převádět vstupní proudový signál na konkrétní polohu pístního kroužku. Když jsou lopatky blízko zavřené polohy (lopatky nebudou nikdy zcela uzavřeny), turbodmychadlo generuje maximální plnicí tlak. Řízení stlačeného vzduchu je zcela závislé na poloze lopatek, protože úhel lopatek přímo určuje způsob, jakým výfukové plyny působí na turbínu. Obrázek 12-14 ukazuje, jak tlak oleje pohání pístní kroužek k ovládání CAM a klikového mechanismu, což způsobuje otáčení synchronního kroužku ve směru hodinových ručiček, čímž se rozšiřují lopatky a snižuje se plynová účinnost turbíny.
Obrázek 12-14 Turbodmychadlo VN: Zvětšením otvoru lopatek snížíte účinnost turbíny.
Když tlak oleje tlačí píst k pohybu doleva (obrázek 12-15), synchronní kroužek se otáčí proti směru hodinových ručiček, čímž se lopatky nastavují do úhlu blízkého uzavřené poloze, čímž se zvyšuje účinnost turbíny pro zajištění maximálního výkonu. Tento akční proces lze zobrazit na obrázku 12-16.
Obrázek 12-15 Turbodmychadlo VN: Zmenšením otvoru lopatek dosáhnete maximálního výkonu.
Obrázek 12-16 Role synchronního kroužku při ovládání otevírání lopatky.
Rychlost otáčení turbodmychadla s proměnnou tryskou je přiváděna zpět do řídicího modulu motoru prostřednictvím snímače axiálních otáček na principu generátoru indukčních impulsů. Jeho spouštěcí signál je odebírán z rovinné struktury na určitém místě na hřídeli turbíny.
3. Spirálová turbína se skluzným kroužkem
Další variabilní spirální struktura použitá u turbodmychadel Cummins Honicell: průtoková plocha se nastavuje pohybem sběracího kroužku přes pohon VG. Jeho cíl je stejný jako u VN turbíny Caterpillar, ale způsob jeho dosažení je mírně odlišný. Obrázek 12-17 ukazuje typický modul ovladače VG používaný u motorů po roce 2010.
Obrázek 12-17: Modul ovladače VG použitý na typickém motoru o 10 let později.