Турбокомпрессоры, как и другие механические устройства вроде двигателей, имеют историю развития, в которой одни инновации сменялись другими, построенными на предыдущем поколении. Почти все турбины попадают в одно из “семейств турбин”, например: без механизма изменяемой геометрии, с вестгейтом, турбины с изменяемой конфигурацией сопла (VNT, иногда называемые турбинами с изменяемой геометрией) и совсем недавно получившие развитие электрические турбины (E-Turbo).
В этой статье мы рассмотрим эти различные типы турбокомпрессоров, начиная с самых простых/самых ранних типов и заканчивая самыми последними.
Без механизма изменяемой геометрии: Турбокомпрессор с одним фиксированным отношением индюсера к эксдюсеру (также называемым A over R или A/R) также называется свободно плавающим или турбонаддувом с фиксирванной геометрией, поскольку он не предполагает интегрального контроля над скоростью или давлением наддува. Управление Турбонаддувом полностью зависит от двигателя и его систем, обеспечивающих корректное количество энергии в выхлопных газах для питания турбины. Турбокомпрессор точно подобран к двигателю на этапе разработки двигателя, где выбирается оптимальный корпус турбины исходя из соотношения A/R.
Этот тип турбонаддува был разработан самым ранним, но в последние годы стал использоваться на производстве двигателей максимальных уровней мощности и крутящего момента с использованием самых прочных материалов и методов турбостроения для самых больших наземных двигателей в мире, особенно для внедорожной землеройной и строительной техники объемом от 64 до 110 литров. То, что эти типы турбин являются самыми простыми конструкциями, не означает, что они не используют новейшие технологии;фактически, новые турбокомпрессора механизма изменяемой геометрии часто используют титановые колеса и высоконикелевые кобальт-вольфрамовые сплавы для обеспечения эксплуатации до 20 000 часов.
Турбокомпрессоры с вестгейтом: вестгейт, или перепускной клапан турбокомпрессора, был применен при создании турбокомпрессора много лет назад, чтобы улучшить производительность турбонаддува и двигателя. Эти типы устройств использовались еще в 1940-х годах в циклонном двигателе Wright R-1820, использовавшейся на знаменитой Летающей крепости B-17 (пилоты могли вручную управлять работой нагнетателей с перепускным клапаном своих B-17s).
Турбонаддув с вестгейтом предполагает несколько дополнительных компонентов, обеспечивающих контроль над перепуском потока выхлопных газов. Внутренний клапан сброса установлен на рычаге, который проходит через втулку в корпусе турбины. К нему приварен внешний кривошипный узел. Этот кривошип управляется либо пневматическим, либо электрическим приводом.
Пневматический привод может приводиться в действие давлением воздуха или вакуумом и управляться шлангом от выхода компрессора или регулирующим клапаном в вакуумном контуре транспортного средства. Электропривод реагирует на команды от собственного электронного блока управления автомобиля.
Перепускной клапан позволяет контролировать поток выхлопных газов в обход турбинного колеса. Это позволяет использовать меньший корпус турбины для максимального ускорения турбины при низких оборотах двигателя, когда клапан wastegate закрыт.
При более высоких оборотах двигателя, когда напряжение на корпус турбины приближается к максимальному, клапан сброса открывается, позволяя некоторому количеству выхлопного газа обойти колесо турбины и слиться непосредственно с потоком выхлопных газов.
Это увеличивает пропускную способность корпуса, уменьшая обратное давление и позволяя двигателю свободно дышать для максимальной мощности. Таким образом можно достичь более высокой мощности двигателя с улучшенной реакцией на низких оборотах.
В простейшей схеме управления вестгейтом привод давления соединен шлангом непосредственно с выходом компрессора. Когда турбина работает на низкой скорости и низком уровне наддува, давление в шланге и приводе также низкое, поэтому перепускной клапан турбины закрыт.
Когда водитель автомобиля разгоняется, турбонаддув реагирует на увеличение скорости выброса выхлопных газов, ускоряясь и обеспечивая большее давление наддува и приток воздуха к двигателю. Когда это давление наддува достигает заранее заданного уровня, это заставляет шток привода двигаться и открывать перепускной клапан турбины, позволяя избыточному выхлопному газу поступать непосредственно в выхлопную систему автомобиля.
Когда водитель замедляется, давление наддува от турбонаддува уменьшается, и перепускной клапан снова закрывается.
Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией турбины (VNT): турбины с изменяемой геометрией гораздо более сложны, чем турбины с технологией перепускного клапана. Такой турбокомпрессор предназначен для максимального увеличения наддува во всем рабочем диапазоне двигателя, устраняя запаздывание турбонаддува.
Он использует сложную точную переменную лопастную или сопловую технологию. Эти движущиеся части управляются давлением, вакуумом или электронными приводами, связанными с системой управления двигателем.
Гарретт запатентовал эту идею в 1953 году;но только в конце 1980-х годов турбины VNT были коммерчески развернуты в 1988 году при производстве Honda Legend и 1989 году при производстве Shelby Daytona CSX-VNT. По-настоящему первый успешный запуск состоялся на дизельном двигателе несколько лет спустя, в 1991 году, на турбодизеле прямого впрыска Fiat Croma.
В частности, VNT на турбодизелях был настолько успешным, что почти все современные турбодизели для легковых автомобилей используют VNT наряду с непосредственным впрыском топлива.
Корпус турбины выбирается в соответствии с максимальной номинальной мощностью двигателя, а затем, изменяя положение лопастей и размер газового канала в колесе, можно достичь постоянной адаптации соотношения А/Р, предлагая значительно улучшенную производительность в более широком рабочем диапазоне двигателя.
Движение лопастей управляется приводом, соединенным с внешним кривошипно-шатунным узлом. Этот кривошип соединяется через короткий вал с внутренним рычагом управления и передает движение на кольцо, которое управляет движением всех лопастей с помощью их лопастных рычагов.
В положении минимального расхода выхлопные газы разгоняются через лопасти до более высокой скорости, чтобы придать максимальное ускорение турбине и компрессору с быстрым повышением давления наддува. По мере увеличения оборотов двигателя и нагрузки лопасти перемещаются в полностью открытое положение, чтобы обеспечить максимальную пропускную способность и уменьшить обратное давление для лучшего дыхания двигателя.
На современной турбине с изменяемой геометрией положение лопастей постоянно и быстро меняется как реакция на сигналы от ЭБУ автомобиля, чтобы соответствовать не только действиям водителя, но и множеству настроек, контролирующих эффективность сгорания и выбросы выхлопных газов.
Наш ВНТ представлял собой ступенчатое изменение производительности турбокомпрессора по сравнению с вышеупомянутыми свободно плавающими и отработанными турбинами.
Электронные турбины, или e-turbos, представляют собой грандиозный скачок в турботехнологии 21-го века. Вплоть до e-turbo вся энергия, используемая для питания колес турбины и компрессора, поступала из отработанных выхлопных газов;в то время как e-turbo все еще использует выхлопные газы при увеличении оборотов двигателя, он —как и следовало ожидать — приводится в движение небольшим электрическим двигателем.
Одним из ключевых факторов, влияющих на развитие e-turbo, является небольшой, но очевидный переход от традиционных 12-вольтовых электрических систем к 48-вольтовым системам, типичным для мягких гибридных силовых агрегатов. До сих пор просто не хватало мощности, чтобы запустить маленький электромотор, необходимый для быстрого запуска турбонаддува, но 48 - вольтовые системы преодолели это препятствие.
Мало того, что турбины могут быть компактнее по размеру, что обеспечивает лучшую производительность во всем диапазоне оборотов двигателя, e-turbo может также служить электрическим генератором для улавливания и хранения тепловой энергии выхлопных газов в качестве электрической энергии путем зарядки аккумулятора при определенных условиях.
По мере того, как мир движется к более основательно электрифицированным силовым агрегатам, включая мягкие гибриды, мы должны ожидать быстрого роста числа электронных турбин на рынке в течение следующих нескольких лет.
