Historia i rozwój turbosprężarek ze zmienną geometrią

, 4 kwietnia 2014, 14:55

Rozwój turbosprężarek Garrett VNT miał swój początek w 1990 roku kiedy po raz pierwszy zaprezentowano TD2502 bazującą na starym modelu TB25. Sterowana była przez siłownik ciśnieniowy, który był połączony przewodem bezpośrednio z wylotem sprężarki, była to technologia VNT w najprostszej postaci.

Po uruchomieniu silnika łopatki były ustawione w pozycji minimalnego przypływu, przy zwiększaniu obciążenia/prędkości łopatki otwierały się. Zapewniło to zmaksymalizowanie przyspieszenia koła turbiny i sprężarki w warunkach niskiej energii. Dało to szybki wzrost momentu obrotowego przy niskich obrotach silnika, a mimo to pozwoliło na wysoki przepływ gazu i zmniejszenie ciśnienia wstecznego dla maksymalnej mocy silnika. Zasada ta została zaimplementowana z oryginalnej wersji i zastosowana w gamie turbosprężarek GT (nazwana generacją 0) aż do obecnej trzeciej generacji ulepszonej o nowe optymalizacje.

Poszczególne generacje VNT można rozpoznać po numerach modeli: pierwsza generacja rozpoczyna się od GT, druga generacja od GTA, trzecia generacja od GTB, natomiast trzecia generacja po optymalizacji GTC. Każda z generacji stanowi znaczącą poprawę w zakresie projektowania, wydajności i trwałości mechanizmu zmiennej geometrii. Konstrukcja najnowszej trzeciej generacji turbosprężarek VNT umożliwiła zoptymalizowanie doboru materiałów dla każdego komponentu. Pozwala to na sprostanie wymogom OE. Dla całego zespołu zmiennej geometrii używanych jest osiem różnych materiałów, każdy wybrany specjalnie do pracy, którą ma wykonać. Dodatkowo niektóre elementy poddawane są azotowaniu, co zapewnia zwiększoną: twardość powierzchni, odporność na zużycie, trwałość zmęczeniową i odporność na korozję.

Turbosprężarka VNT DutyDrive

Preferowanym rozwiązaniem stosowanym w busach, średnich i ciężkich samochodach ciężarowych jest VNT DutyDrive (wcześniej nosiło nazwę Double Axle VNT). Rozwiązanie to wykorzystuje od 12 do 19 łopatek zmiennej geometrii i jest wspierane dwiema osiami.

Technologia VNT DutyDrive zapewnia szybszą reakcję w czasie, zapewnia również zwiększoną zdolność hamowania silnikiem, i jest kluczowym elementem w kierowaniu recyrkulacją spalin. Korpus środkowy przy wlocie spalin jest w stanie wytrzymać temperaturę nawet 700ºC.

Wytrzymały mechanizm zmiennej geometrii jest w stanie pracować pod ciśnieniem przewyższającym 5 barów. Łopatki zmiennej geometrii są ustawiane przez specjalnie zaprojektowany elektroniczny zawór sterujący lub wysokociśnieniowy zawór pneumatyczny. W przypadku elektronicznego sterownika pozycja i ruch łopatek jest kontrolowany za pomocą zintegrowanego czujnika pozycjonowania zaworu.

Tytanowe koło kompresji w połączeniu z czujnikiem prędkości obrotowej pozwala na działanie przy wysokim wskaźniku ciśnienia i na wyrafinowaną kontrolę. Trwałość całego układu wsparta jest przez system wyrównywania ciśnienia, opatentowany przez Honeywell. System ten łączy spaliny po obu stronach łopatek zrównując ciśnienie, minimalizując przeciążenia, histerezę (tj. minimalizuje opóźnienie reakcji układu na czynnik zewnętrzny) i zużycie.

Ta technologia jest dopasowana do silników o pojemności od 4 do 14 litrów.

Technologia Honeywell VNT DualBoost

Silne wpływy rynku na projektowanie pojazdów, takie jak downsizing, redukcja emisji spalin, zmniejszenie zużycia paliwa oraz niezawodność powoduje iż inżynierowie Honeywell ciągle opracowują nowe rozwiązania i technologie.

VNT DualBoost – technologia ta wygrała nagrodę PACE – została zastosowana po raz pierwszy na rynku Amerykańskim w 2011 roku w pojeździe Ford Powerstroke z widlastym silnikiem wysokoprężnym V8 o pojemności 6,7 l. W turbosprężarce zastosowano technologię kompresji, która pozwala dostarczyć w jednym urządzeniu doładowanie niemalże takie jak turbosprężarki dwustopniowe.

Korzyści płynące z posiadania dwóch kół kompresji zasilających silnik są bardzo dobrze znane i konstrukcje z turbosprężarką dwustopniową stają się coraz bardziej powszechne. Inżynierom Honeywell udało się połączyć przepływ powietrza dwóch kół kompresji wewnątrz jednej turbosprężarki.

W rzeczywistości te dwa koła kompresji są jednym kołem o lustrzanym odbiciu łopatek, pracującym wewnątrz wyglądającej bardzo skomplikowanie, skonstruowanej z trzech oddzielnych elementów obudowie. Obudowa posiada dwa osobne wloty powietrza i jeden wspólny wylot. Obie sekcje wlotowe obudowy kompresora są typu „ported shroud”, które poszerzają zakres przepływu.

Patrząc z perspektywy VNT, DualBoost jest kombinacją koncepcji wkładu zmiennej geometrii trzeciej generacji turbosprężarek VNT (oddziela obudowę turbiny od wkładu zmiennej geometrii dla zwiększenia niezawodności i wydajności) z wkładem łopatek zmiennej geometrii z turbosprężarek AVNT. Ponadto obudowa turbiny wyposażona jest w jeden zawór upustowy spalin w celu umożliwienia zastosowania mniejszej turbiny, jeszcze lepszej reakcji przy niskich obrotach silnika, podczas dalszego poszerzenia zdolności przepływu.

Sterowanie łopatkami zmiennej geometrii różni się od tego stosowanego w samochodach osobowych, ponieważ jest elektro-hydrauliczne. Siłownik jest potężną jednostką hydrauliczną, zintegrowaną z odlewem obudowy łożysk, wykorzystuje działanie oleju silnikowego na tłok do poruszania łopatkami poprzez wewnętrzny wałek i koło zębate. Przepływ oleju do siłownika kontrolowany jest przez elektrozawór, który otrzymuje sygnał na zapotrzebowanie oleju wprost od ECU (centralna jednostka sterowania silnikiem) za pomocą pojedynczego złącza elektrycznego.

Siłownik o wysokiej mocy jest niezbędny gdyż silnik pracuje z bardzo wysokim poziomem recyrkulacji spalin aby zachować zgodność z najnowszymi amerykańskimi przepisami dotyczącymi emisji. Łopatki zmiennej geometrii mogą być przemieszczane w kierunku pozycji zamkniętej w zależności od potrzeb, co zwiększa ciśnienie wsteczne w kolektorze wydechowym i dosłownie "wpycha" spaliny z powrotem w kierunku niższego ciśnienia w kolektorze dolotowym powietrza. Pomaga to zmniejszyć emisję spalin i jest możliwe tylko przy użyciu układu zmiennej geometrii sterowanej siłownikiem o wysokiej mocy.

Moment obrotowy z wirnika turbiny przenoszony jest do kompresora z minimalnymi stratami mocy, co jest możliwe dzięki zastosowaniu zaawansowanego układu łożysk kulkowych. Wykorzystano lekkie, wytrzymałe i o niskiej bezwładności ceramiczne kulki po obu końcach wkładu, taki układ wykonuje złożone funkcje systemu łożyska wzdłużnego i łożyska oporowego. Ten system łożysk kulkowych pochodzi z wielu lat doświadczenia zdobytego w wyścigach i rajdach potwierdzone wielokrotnymi zwycięstwami.

W tym zastosowaniu turbosprężarka umiejscowiona jest nietypowo bo na zintegrowanym cokole na górze silnika. Cokół i turbosprężarka posiadają także szybkie złącza do oleju i płynu chłodzącego, dzięki czemu instalacja i konserwacja może być przeprowadzona łatwo i szybko.
Na koniec, aby zapewnić, że olej, powietrze i gazy wydechowe znajdą się tam gdzie powinny, po obu końcach tj. turbiny i kompresora stosuje się pierścienie. Przy czym pierścień po stronie kompresora jest pod ciśnieniem powietrza, które jest zasysane bezpośrednio z sekcji dyfuzora sprężarki i zapewnienia skuteczne uszczelnienie w każdych warunkach jazdy.
 

Dowiedz się więcej

Ceramiczny system łożysk kulkowych z azotku krzemu
Ceramiczny system łożysk kulkowych z azotku krzemu

Od 2014 roku, w większości turbosprężarek Garrett serii GT oraz GTX, znajdą zastosowanie nowe łożyska kulkowe. Wszystkie 8mm, 10mm i 16mm stosowane od 2014r. kartridże zawierają poniższe właściwości: Mocowanie: Termoplastyk -> Posrebrzana Stal Chromowa Kulki: Stal Narzędziowa O Wysokiej Zawartości Wolframu -> Ceramiczne Z Azotku Krzemu Pierścień Wewnętrzny: Stal Nierdzewna -> Stal Narzędziowa Zastosowanie tych […]

Turbosprężarki w silnikach Ford Duratorq 2.2 – uwaga techniczna
Turbosprężarki w silnikach Ford Duratorq 2.2 – uwaga techniczna

Firma MotoRemo – autoryzowany dystrybutor i serwisant marki Garrett by Honeywell – zwraca uwagę na potencjalny problem techniczny, który może wystąpić przy zamiennym stosowaniu turbosprężarek o numerach 798128-5002S i 798128-5006S. Turbosprężarki są stosowane w silnikach Ford Duratorq o poj. 2.2 l. Opisywany silnik był montowany m.in. w pojazdach: Fiat Ducato, Citroen Jumper/Relay czy Peugeot Boxer. […]

Komentarze

Brak komentarzy