توربوشارژر موتور چیست؟

توربوشارژرها تقریباً به طور جهانی در موتورهای دیزلی جاده‌ای متوسط ​​و بزرگ در آمریکای شمالی استفاده می‌شوند و همچنین تقریباً به طور کامل در موتورهای با سوراخ کوچک رایج هستند. تعریف توربوشارژر یک پمپ گریز از مرکز است که توسط گاز اگزوز هدایت می شود و می تواند بخشی از گرمای اتلاف سیلندرهای موتور را "بازیابی" کند. در کاربردهای خاص موتورهای مسابقه ای، سرعت چرخش توربوشارژر ممکن است از 200000 دور در دقیقه فراتر رود، اما در موتورهای دیزلی، حداکثر سرعت چرخش آن معمولاً حدود 30 درصد کمتر است. وظیفه اصلی توربوشارژر تامین هوای ورودی تحت فشار برای سیلندرهای موتور است. به طور خلاصه، چگالی اکسیژن هوای ورودی را افزایش می دهد. علاوه بر این، توربین گازهای خروجی{8} می‌تواند دنده کاهش متصل به میل لنگ موتور را از طریق یک کوپلینگ سیال به حرکت درآورد. در این مرحله، توربوشارژر می تواند به حرکت میل لنگ کمک کند. این روش فناوری کامپوزیت توربو نامیده می شود و در حال حاضر در آخرین نسل موتورهای دیزل دیترویت کاربرد دارد. در بخش بعدی این فصل بیشتر معرفی خواهد شد. شکل 12-7 نمای سمت راست موتور ISX کامینز 2010 را نشان می دهد که موقعیت توربوشارژر روی آن مشخص شده است.

شکل 12-7 نمای سمت راست موتور کامینز ISX (با موقعیت توربوشارژر مشخص شده است)

اصل کار

توربوشارژر یک پمپ هوا است که توسط گاز خروجی به حرکت در می‌آید و متشکل از یک توربین و یک پروانه نصب شده روی یک محور است (شکل 12-8 را ببینید). شفت توسط روغن روان کننده فشار (تعلیق هیدرودینامیکی) بر روی یاتاقان اصطکاک معلق می شود. پروانه توربین توسط انرژی (گرما) گاز خروجی موتور به حرکت در می آید و در داخل محفظه توربین که در آن گاز خروجی جریان دارد می چرخد. پروانه در یک محفظه کمپرسور مستقل قرار دارد و بر روی هوای سیستم ورودی عمل می کند و آن را به سمت تحت فشار سیستم ورودی پمپ می کند. گاز خروجی که توربین را هدایت می کند با هوای ورودی که روی پروانه عمل می کند تماس پیدا نمی کند. شکل 12-9 مسیرهای جریان گاز و روغن روان کننده را در یک توربوشارژر ساده نشان می دهد.

شکل 12-8 پروانه توربوشارژر (یا چرخ کمپرسور)

شکل 12-9 نمای مقطعی توربوشارژر (شامل مسیر عبور روغن روانکار و جهت جریان گاز)

اصل کار کمپرسور

هوای ورودی فیلتر شده به داخل محفظه کمپرسور کشیده شده و توسط پروانه در سمت کمپرسور شفت توربین هدایت می شود. توربین پروانه را به سمت چرخش در سمت دیگر شفت توربین هدایت می کند، بنابراین سرعت چرخش واقعی پروانه به شرایط کاری داخل محفظه توربین بستگی دارد. با چرخش پروانه، هوا در سیستم ورودی تا سرعت بالایی شتاب می گیرد. جریان هوا با سرعت بالا به صورت شعاعی به بیرون وارد یک دیفیوزر می شود. دیفیوزر یک دستگاه گاز است که هدف طراحی آن تبدیل انرژی جنبشی (انرژی حرکت) هوای ورودی به فشار هنگام عبور جریان هوا است. دیفیوزر می تواند از نوع حلزونی (شکل حلزونی) یا تیغه ای باشد (شکل 12-9 را ببینید). راندمان دیفیوزر تیغه ای بالاتر است.

اصل کار توربین

گاز خروجی به محفظه توربین هدایت می شود. هر چه مقدار حرارت اتلاف موتور بیشتر باشد (که معمولاً با افزایش توان خروجی موتور افزایش می یابد)، انرژی حرارتی گاز خروجی بیشتر می شود. گاز خروجی به صورت شعاعی وارد محفظه توربین می شود و سپس از طریق حلزون (یک ساختار حلزونی شکل- با مقطع-به تدریج در حال کاهش) وارد می شود. ولوت نشان دهنده شکلی از دریچه گاز است. اما هنگامی که گاز خروجی از ولوت خارج می شود، منبسط شده و بر روی پره های توربین اثر می گذارد و سپس در جهت محوری وارد سیستم اگزوز می شود.

میزان انبساط گاز در محفظه توربین به گرمای گاز خروجی بستگی دارد. تحت شرایط خروجی بالا-موتور، گرمای تلف شده از موتور افزایش می‌یابد و اثر انبساط گاز خروجی بر روی پره‌های توربین، سرعت توربین را افزایش می‌دهد. لازم به ذکر است که سرعت چرخش توربوشارژر بیشتر به گرمای گاز خروجی بستگی دارد تا فشار آن. اهمیت پیچک نیز باید درک شود: هرچه اندازه پیچ کوچکتر باشد، اثر دریچه گاز قوی‌تر بر جریان هوا خواهد بود، اما یک پیچک کوچک-به این معنی است که گاز خروجی هنگام خروج به بیرون منبسط می‌شود. بهترین راه حل این است که بتوانیم ناحیه جریان ولوت را کنترل کنیم که در ادامه بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت. شکل 12-10 یک نمودار شماتیک از جریان گاز در یک توربوشارژر است که عملکردهای کلیدی ولوت و دیفیوزر را نشان می دهد: لطفاً به جهت هایی که در آن گاز به داخل و خارج از محفظه توربین و محفظه کمپرسور جریان می یابد توجه کنید.

مسیر جریان هوا

همانطور که در شکل 12-10 نشان داده شده است، جریان هوا به صورت ورودی شعاعی و خروجی محوری وارد محفظه توربین می شود. هوا از داخل محفظه پروانه در جهت محوری جریان می یابد و به صورت شعاعی خارج می شود. در ساده ترین طراحی توربوشارژر، گذرگاه ورودی یا گلوگاه محفظه توربین تقسیم بندی نشده است، یعنی درگاه های اگزوز همه سیلندرها به یک کانال ورودی منتهی می شوند. با این حال، توربوشارژرهای هندسی متغیر می توانند جریان هوا را در داخل و خارج از محفظه توربین تنظیم کنند. بعداً در این بخش به این موضوع پرداخته خواهد شد.

شکل 12-10 نمودار شماتیک اصل جریان هوا یک توربوشارژر، که عملکرد ولوت و دیفیوزر را نشان می دهد.

نوع توربوشارژر

اول از همه، تمایز بین-توربوشارژرهای هندسی ثابت و توربوشارژرهای هندسه متغیر- مهم است. این مقاله آن را چنین تعریف می کند:

• توربوشارژر با هندسه ثابت-: همه گازهای خروجی بدون توجه به شرایط کار موتور از داخل محفظه توربین جریان می‌یابند.

• توربوشارژر با هندسه متغیر: با کنترل خارجی یا داخلی، ناحیه جریان داخل محفظه توربین تنظیم می شود یا بخشی از گاز خروجی برای دور زدن محفظه توربین ساخته می شود.

از سال 2001، توربوشارژرهای مورد استفاده در بیشتر موتورهای دیزل تجاری در بزرگراه ها همچنان از نوع هندسه ثابت بودند. اما این وضعیت تغییر کرده است. امروزه، وقتی یک توربوشارژر هندسه ثابت-روی موتور دیزلی کامیون می‌بینیم، معمولاً عضوی از جفت‌های سری توربوشارژ یا بخشی از سیستم توربوشارژ مرکب است. در حال حاضر، تقریباً تمام توربوشارژرها نوعی فناوری را برای تنظیم (کنترل) جریان گاز خروجی از داخل محفظه توربین، چه از طریق یک سوپاپ بای پس گاز خروجی یا با استفاده از هندسه متغیر داخلی، اتخاذ می کنند.

توربوشارژر{0}}هندسی ثابت

اجازه دهید ابتدا اصل کار توربوشارژر هندسه ثابت-را شرح دهیم. توربوشارژرهای هندسه ثابت-برای دستیابی به عملکرد بهینه در سرعت های خاص و بارهای گرمای تلف شده خاص طراحی شده اند، به این معنی که آنها بسیار متنوع نیستند. مهندسان باید زمان عملیاتی را انتخاب کنند که راندمان توربین بالاترین باشد. اکثر موتورهای جاده‌ای که از توربوشارژرهای هندسه ثابت-استفاده می‌کنند، معمولاً بالاترین راندمان توربین‌های خود را در بار کامل و سرعت حداکثر گشتاور به دست می‌آورند. اگر از محدوده عملیاتی فراتر رود، عملکرد کاهش می یابد. توربوشارژر هندسه ثابت- ساختار ساده ای دارد. شکل 12-9 ساختار معمولی آن را نشان می دهد.

تنظیم حداکثر راندمان توربین در حداکثر سرعت گشتاور به جای سرعت نامی، توربوشارژر با هندسه ثابت را قادر می‌سازد تا ویژگی‌های خود تنظیمی داشته باشد: وقتی دور موتور افزایش می‌یابد، زمان واقعی در دسترس برای تحت فشار قرار دادن و تزریق سوخت به سیلندر کوتاه می‌شود. اگر یک توربوشارژر هندسه ثابت خارج از محدوده سرعت مشخص شده کار کند، منحنی گشتاور موتور به سرعت کاهش می‌یابد و باعث می‌شود که موتور در سرعت‌های پایین و بارهای بالا دچار مشکل شود. هنگامی که در سرعت های بالا بارگیری می شود، سرعت به سرعت کاهش می یابد و مصرف سوخت نیز بدتر می شود.

هشدار:

تطبیق نادرست توربوشارژرهای هندسه ثابت{0} ممکن است منجر به فشار بیش از حد سیلندر، خرابی موتور، یا برعکس، قدرت ناکافی، انتشار دود سیاه و افزایش آلاینده‌های مضر شود.

نکات فنی:

اگرچه موتورهای دیزلی کامیون با توربوشارژرهای هندسه ثابت{{0}برای دستیابی به بالاترین راندمان گاز در حداکثر گشتاور طراحی شده‌اند، اکثر موتورهای دیزلی دیگر که از توربوشارژرهای هندسی ثابت (مانند تجهیزات سنگین غیر{2}راهی یا مجموعه‌های ژنراتور) استفاده می‌کنند، معمولاً به این سرعت می‌رسند (میزان حداکثر توان). در این برنامه‌ها، توربوشارژرهای هندسه ثابت رایج باقی می‌مانند و معمولاً برای شرایط کارکرد با سرعت کامل-قدرت بالا-بهینه می‌شوند.

توربوشارژر هندسه متغیر

هدف توربوشارژر هندسه متغیر را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

• هنگامی که بار موتور کم است، توربین را به سرعت یک توربوشارژر کوچک پاسخ دهید.

• هنگامی که بار موتور زیاد است، توربین را مجبور کنید مانند یک توربوشارژر بزرگ، تقویت کافی داشته باشد.

توربوشارژرهای مدرن که توسط ECM کنترل می شوند می توانند به تمام اهداف فوق و تنظیم دقیق تمام مراحل میانی دست یابند، در نتیجه سرعت پاسخگویی سریعتر (کاهش پسماند توربو) و انتشار کمتر را به ارمغان می آورند. برخی از توربوشارژرهای فعلی نیز استفاده از دریچه های بای پس اگزوز خارجی و هندسه های متغیر داخلی را برای مدیریت فشار افزایش در وسیع ترین محدوده سرعت و بار ترکیب می کنند.

• نوع کنترل دریچه بای پس گاز خروجی

سوپاپ بای پس گاز خروجی از نوع توربوشارژر سال هاست که مورد استفاده قرار می گیرد. اصل کار آن این است: از طریق یک "دریچه"، تمام گازهای خروجی کنترل می شود تا از طریق محفظه توربین جریان یابد، یا بخشی از گاز خروجی مستقیماً به سیستم اگزوز دور می شود. در حال حاضر، عمدتاً دو روش کنترل وجود دارد:

• کنترل پنوماتیکی: عملکرد شیر بای پس به فشار منیفولد ورودی بستگی دارد. معمولاً از یک مخزن محرک با فنر استفاده می شود. به طور پیش فرض، حالت بسته به گاز خروجی اجازه می دهد تا به طور کامل در توربین جریان یابد. هنگامی که فشار بوست منیفولد به مقدار تنظیم شده می رسد، فشار بر نیروی فنر غلبه می کند تا میله عمل را فشار دهد و دریچه را برای دور زدن بخشی از گاز خروجی باز می کند.

• کنترل الکترونیکی: توسط ECM موتور کنترل می شود. به عنوان مثال، برخی از موتورها از توربین های بای پس اگزوز با درگاه ورودی دوگانه استفاده می کنند. ECM دقیقاً فشار وارد بر محرک را از طریق دریچه‌های برقی و فشار منیفولد مدیریت می‌کند و تنظیم تقویت چند مرحله‌ای را به دست می‌آورد. اصل کنترل آن را می توان به عنوان یک مکانیسم کنترل ترکیبی "الکترونیک - کنترل الکتریکی - پنوماتیک" خلاصه کرد.

• توربین هندسه متغیر کنترل شده با حجم

توربوشارژرهای هندسی متغیر کنترل شده Volute به طور گسترده در موتورهای دیزلی امروزی مورد استفاده قرار گرفته اند. موتورهای مسابقه‌ای سال‌هاست که از نازل‌های با دیافراگم متغیر برای کنترل ناحیه جریان ولوت استفاده می‌کنند و موتورهای دیزلی این فناوری را به عاریت گرفته‌اند. اولین توربوشارژر کنترل شده با چرخش که برای موتورهای دیزلی استفاده شد در اوایل دهه 1990 با موفقیت اولیه محدود ظاهر شد. اما امروزه، اکثریت قریب به اتفاق تولیدکنندگان موتورهای دیزلی به جای توربوشارژر سنتی سوپاپ بای پس اگزوز، استفاده از فناوری چرخش متغیر را ترجیح می دهند. به عنوان مثال، توربین هندسی متغیر (VGT) نصب شده بر روی موتور Paccar MX13 نشان داده شده در شکل 12-11 یک نماینده معمولی است. برای نشان دادن اصل کار توربین هندسه متغیر، توربوشارژر معمولی کنترل ولتاژ نشان داده شده در شکل 12-12 را به عنوان مثال برای تصویر در نظر می گیریم.

شکل 12-11 توربین هندسه متغیر (VGT) مورد استفاده در موتور Paccar MX13

شکل 12-12 نمای مقطعی توربین هندسه متغیر (VGT)، با تمرکز بر محرک آن

توربوشارژر نازل متغیر

شکل 12{1}}12 نمای مقطعی از یک توربوشارژر نازل متغیر معمولی را نشان می‌دهد. لطفاً برای شناسایی اجزای کلیدی مانند توربین، پینیون، تیغه نازل و حلقه سنکرون به شکل 12-13 مراجعه کنید.

شکل 12-13 اصل کار اجزای توربوشارژر VN.

توربوشارژر نازل متغیر با تنظیم زاویه تیغه برای تغییر ناحیه جریان پیچ، فشار تقویت مورد نیاز را ایجاد می کند. این فرآیند با فشار روغن بر روی پیستون حاصل می شود که با چرخ دنده CAM و میل لنگ مشبک می شود و در نتیجه رینگ سنکرون را به چرخش سوق می دهد. حلقه سنکرون از تمام مجموعه های تیغه پشتیبانی می کند. هر تیغه مجهز به یک شیار مارپیچ است. هنگامی که موقعیت چرخش حلقه سنکرون تغییر می کند، تیغه با محور پین خود به عنوان تکیه گاه می چرخد ​​و در نتیجه به تنظیم همزمان زاویه شیب تیغه دست می یابد. از طریق این مکانیسم، مساحت جریان ولوت (سمت ورودی) را می توان افزایش یا کاهش داد که به طور مستقیم بر راندمان گاز در داخل محفظه توربین تأثیر می گذارد. به طور خلاصه، ناحیه جریان پیچ سرعت توربین و در نهایت فشار بوست تولید شده توسط کمپرسور توربین را تعیین می کند.

کنترل نازل متغیر

توربوشارژر نازل متغیر توسط شیر کنترل نازل متغیر تنظیم می شود. این شیر کنترلی یک محرک متناسب است که توسط ماژول کنترل موتور مدیریت می شود و قادر است سیگنال جریان ورودی را به موقعیت رینگ پیستون خاص تبدیل کند. هنگامی که تیغه ها به موقعیت بسته نزدیک می شوند (پره ها هرگز به طور کامل بسته نمی شوند)، توربوشارژر حداکثر فشار بوست را ایجاد می کند. مدیریت هوای تحت فشار کاملاً به موقعیت پره ها بستگی دارد، زیرا زاویه تیغه به طور مستقیم نحوه عمل گاز خروجی بر روی توربین را تعیین می کند. شکل 12-14 نشان می دهد که چگونه فشار روغن رینگ پیستون را به حرکت در می آورد تا مکانیسم CAM و میل لنگ را به حرکت درآورد و باعث می شود حلقه همزمان در جهت عقربه های ساعت بچرخد و در نتیجه پره ها را پهن کرده و بازده گاز توربین را کاهش می دهد.

شکل 12-14 توربوشارژر VN: برای کاهش راندمان توربین، دهانه تیغه را افزایش دهید.

هنگامی که فشار روغن پیستون را برای حرکت به سمت چپ فشار می‌دهد (شکل 12-15)، حلقه سنکرون در خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخد، تیغه‌ها را در زاویه نزدیک به موقعیت بسته تنظیم می‌کند و بازده توربین را افزایش می‌دهد تا حداکثر تقویت را فراهم کند. این فرآیند عمل را می توان در شکل 12-16 اشاره کرد.

شکل 12-15 توربوشارژر VN: باز شدن تیغه را کاهش دهید تا به حداکثر تقویت برسید.

شکل 12-16 نقش حلقه سنکرون در کنترل باز شدن تیغه.

سرعت چرخش توربوشارژر نازل متغیر از طریق یک سنسور سرعت محوری بر اساس اصل یک ژنراتور پالس القایی به ماژول کنترل موتور بازگردانده می شود. سیگنال ماشه آن از ساختار مسطح در یک موقعیت خاص روی شفت توربین گرفته می شود.

3. توربین حلزونی حلقه لغزش

ساختار حلزونی متغیر دیگری که توسط توربوشارژرهای Cummins Honicell اتخاذ شده است: ناحیه جریان با حرکت دادن حلقه لغزش از طریق محرک VG تنظیم می شود. هدف آن مانند توربین VN کاترپیلار است، اما روش دستیابی به آن کمی متفاوت است. شکل 12-17 یک ماژول محرک معمولی VG را نشان می دهد که در موتورهای بعد از سال 2010 استفاده شده است.

شکل 12-17: ماژول محرک VG در یک موتور معمولی 10 سال بعد استفاده می شود.