Турбо с променлива геометрия

Турбината с променлива геометрия позволява значителна гъвкавост спрямо съотношението на налягане в турбината. При дизеловите двигатели тази гъвкавост може да се използва за подобряване на характеристиките на въртящия момент с ниска скорост, намаляване на забавянето на турбокомпресора и задвижване на EGR потока. Най-често срещаните конструкции на турбокомпресори с променлива геометрия включват шарнирния дизайн на лопатките и дизайна на подвижната стена.
Въведение

Алтернатива на фиксирана геометрия турбината е променлива геометрия турбината . Предимствата на турбините с променлива геометрия пред турбините с изхабяване включват

няма загуба на дроселиране на клапана на отпадъчните газове;
по-високо съотношение въздух / гориво и по-висок въртящ момент при ниски обороти на двигателя;
подобрени ускорения на превозното средство, без да е необходимо да се прибягва до турбини с висока загуба на помпа при високи обороти на двигателя;
потенциал за по-ниски двигатели ΔP (разликата между налягането на изпускателния колектор и налягането на всмукателния колектор);
контрол върху двигателя ΔP, който може да се използва за задвижване на EGR потока в дизелови двигатели с EGR системи с високо налягане (HPL);
по-добра способност за покриване на по-широк регион с нисък BSFC в областта на скоростта на двигателя и натоварване;
способност за осигуряване на спиране на двигателя;
възможност за повишаване на температурата на отработените газове за управление на системата за последващо третиране.
Идеята за използване на турбина с променлива геометрия в турбокомпресор датира поне от 50-те години на миналия век . От това време се появяват редица различни дизайни. Две от по-често срещаните са въртящите се фрези и подвижните стени. Други включват типа на променливата зона, променливия тип на потока и конструкциите на плъзгащия пръстен. Тези дизайни ще бъдат разгледани по-подробно в следващите раздели.

Има редица различни съкращения, които обикновено се използват, когато се говори за турбокомпресори с турбини с променлива геометрия. В повечето случаи това са или са търговски марки, които конкретен производител е използвал по отношение на техния продукт. При по-честа употреба, определен акроним може да се използва в по-общ смисъл, а не непременно да е препратка към продукта на определен производител. Някои от тези съкращения включват:

VGT – Турбокомпресор с променлива геометрия (Cummins / Holset),
VNT – турбина с променлива дюза (Honeywell / Garrett),
VTG – променлива геометрия на турбината (BorgWarner и ABB)
VG – Турбокомпресор с променлива геометрия (MHI)
VGS – турбокомпресор за система с променлива геометрия (IHI)
VTA – Променлива зона на турбината (MAN Diesel & Turbo)
В много проекти турбината с променлива геометрия не включва байпас, така че турбината трябва да може да се справи с целия поток от изгорели газове от двигателя, като същевременно избягва пренасищането и превишаването на турбокомпресора. За дадена мощност на двигателя това би означавало по-голям капацитет на поглъщане на турбината от този, изискван от турбината с фиксирана геометрия с фиксирана геометрия и съпоставим с този, използван за турбокомпресор с неподвижна геометрия без байпас.

Основната разлика между турбината с фиксирана геометрия и турбината с променлива геометрия. В сравнение с турбината с фиксирана геометрия, турбината с променлива геометрия позволява значителна гъвкавост по отношение на съотношението налягане / дебит в турбината и при разширение на двигателя ΔP. Тази гъвкавост може да се използва за подобряване на характеристиките на въртящия момент при ниски обороти, намаляване на забавянето на турбокомпресора и при дизелови двигатели, задвижване на EGR потока.

Сравнение на фиксирана геометрия и променлива геометрия на масовия поток спрямо съотношението на налягане
Пиковата ефективност на турбината с променлива геометрия се получава при около 60% отваряне на дюзата. Обикновено тя е сравнима или с няколко процента по-ниска от тази за турбина с фиксирана геометрия. Въпреки това, ефективността отпада доста бързо, тъй като отворът на дюзата се намалява или увеличава от позиция на отваряне на средна криста.

Егер клапан на турбокомпресора
EGR с високо налягане намалява масовия поток през турбокомпресора и изисква компресор с напречна линия далеч отляво на картата на компресора. За да се избегне използването на по-скъпи, двустепенни турбокомпресори, са разработени методи за разширяване на ширината на картата на компресора. Тези методи, някои от тях въведени в дизеловите двигатели, включват пасивна и активна обработка на корпуса, контролни лопатки на входящите вихри и дифузьорни лопатки.

При избора на турбокомпресор за дадено приложение, един турбокомпресор с решение на един компресор е предпочитаният избор поради причини за цена и сложност. С увеличената употреба на по-високи нива на високо налягане EGR, особено при дизелови двигатели, това може да бъде особено предизвикателно. Както е показано, високите нива на EGR с високо налягане могат да облагат границите на един разтвор на компресор. Големите фракции с високо налягане EGR при ниско натоварване / ниска скорост намаляват масовия поток през турбокомпресора и изтласкват търсенето на компресор с напречна линия далеч вляво. При условия на високо натоварване / скорост, при които фракциите на EGR са сравнително ниски, търсенето на мощност с висока номинална стойност изисква високо съотношение на налягането при голям масов поток. С увеличаване на нивото на натоварване / скорост на EGR, разликата между тези две крайности може да се увеличи и да изисква много големи ширини на картата на компресора. Докато множеството компресори предлагат едно решение на този проблем, потенциалната икономия на разходи и сложност на използването на един компресор осигурява силна мотивация за обмисляне на опции за разширяване на ширината на картата на един компресор.