Turbocompressoren worden in Noord-Amerika bijna universeel gebruikt in dieselmotoren met gemiddelde en grote boring, en ze zijn ook bijna volledig populair in motoren met kleine boring. De definitie van een turbocompressor is een centrifugaalpomp aangedreven door uitlaatgas, die een deel van de afvalwarmte uit de motorcilinders kan "terugwinnen". Bij specifieke racemotortoepassingen kan de rotatiesnelheid van een turbocompressor hoger zijn dan 200.000 omwentelingen per minuut, maar bij dieselmotoren is de maximale rotatiesnelheid gewoonlijk ongeveer 30% lager. De belangrijkste functie van een turbocompressor is het leveren van onder druk staande inlaatlucht voor de motorcilinders. Kortom, het verhoogt de zuurstofdichtheid in de inlaatlucht. Bovendien kan de door uitlaatgas-aangedreven turbine ook het reductietandwiel aandrijven dat via een vloeistofkoppeling met de krukas van de motor is verbonden. Op dit punt kan de turbocompressor helpen bij het aandrijven van de krukas. Deze methode heet turbocomposiettechnologie en wordt momenteel toegepast in de nieuwste generatie Detroit-dieselmotoren. In het laatste deel van dit hoofdstuk zal dit verder worden geïntroduceerd. Figuur 12-7 toont het rechteraanzicht van de Cummins ISX-motor uit 2010, waarop de positie van de turbocompressor is gemarkeerd.
Figuur 12-7 Rechteraanzicht van Cummins ISX-motor (gemarkeerd met turbocompressorpositie)
Werkingsprincipe
Een turbocompressor is een door uitlaatgas aangedreven luchtpomp, bestaande uit een turbine en een waaier die op dezelfde as zijn geïnstalleerd (zie Figuur 12.8). De as is door middel van druksmeerolie aan het wrijvingslager opgehangen (hydrodynamische vering). De turbinewaaier wordt aangedreven door de energie (warmte) van het uitlaatgas van de motor en draait in het turbinehuis waar het uitlaatgas stroomt. De waaier bevindt zich in een onafhankelijk compressorhuis en werkt op de lucht van het inlaatsysteem, waardoor deze naar de drukzijde van het inlaatsysteem wordt gepompt. Het uitlaatgas dat de turbine aandrijft, komt niet in contact met de inlaatlucht die op de waaier inwerkt. Figuur 12.9 toont de stroompaden van gas en smeerolie in een eenvoudige turbocompressor.
Figuur 12-8 De waaier van de turbocompressor (of compressorwiel)
Figuur 12-9 Dwarsdoorsnede van de turbocompressor (inclusief de smeeroliedoorgang en de gasstroomrichting)
Het werkingsprincipe van de compressor
De gefilterde inlaatlucht wordt in het compressorhuis gezogen en aangedreven door de waaier aan de compressorzijde van de turbine-as. De turbine drijft de waaier aan om aan de andere kant van de turbine-as te roteren, dus de werkelijke rotatiesnelheid van de waaier hangt af van de werkomstandigheden in het turbinehuis. Terwijl de waaier draait, wordt de lucht in het inlaatsysteem versneld tot een hoge snelheid. De luchtstroom met hoge-snelheid komt radiaal naar buiten een diffuser binnen. Een diffusor is een smoorapparaat, waarvan het ontwerpdoel is om de kinetische energie (bewegingsenergie) van de binnenkomende lucht om te zetten in druk wanneer de luchtstroom er doorheen gaat. De diffusor kan van het slakkenhuistype zijn (slakvorm) of van het bladtype (zie Figuur 12-9). Het rendement van de lamellendiffusor is hoger.
Het werkingsprincipe van de turbine
Het uitlaatgas wordt naar het turbinehuis geleid. Hoe groter de restwarmtewaarde van de motor (die gewoonlijk toeneemt met de toename van het motorvermogen), hoe hoger de thermische energie van het uitlaatgas. Het uitlaatgas komt radiaal het turbinehuis binnen en komt vervolgens via het slakkenhuis binnen (een slak-vormige structuur met een geleidelijk afnemende dwars-doorsnede). Het slakkenhuis vertegenwoordigt een vorm van smoren. Maar wanneer het uitlaatgas uit het slakkenhuis stroomt, zet het uit en werkt het in op de turbinebladen, en komt vervolgens in de axiale richting het uitlaatsysteem binnen.
De mate waarin het gas in het turbinehuis uitzet, is afhankelijk van de warmte van het uitlaatgas. Onder de hoge -omstandigheid van de motor neemt de afvalwarmte van de motor toe en zal het effect van de uitzetting van uitlaatgas op de turbinebladen de turbinesnelheid verhogen. Benadrukt moet worden dat de rotatiesnelheid van een turbocompressor voornamelijk afhangt van de hitte van het uitlaatgas en niet van de druk ervan. We moeten ook de betekenis van het slakkenhuis begrijpen: hoe kleiner de slakkenhuisgrootte, hoe sterker het smorende effect op de luchtstroom, maar een klein- slakkenhuis betekent dat het uitlaatgas vollediger uitzet wanneer het naar buiten stroomt. De beste oplossing is om het stroomoppervlak van het slakkenhuis te kunnen regelen, wat hieronder verder zal worden besproken. Figuur 12-10 is een schematisch diagram van de gasstroom in een turbocompressor, waarin de belangrijkste functies van het slakkenhuis en de diffusor worden geïllustreerd: Let op de richtingen waarin het gas in en uit het turbinehuis en het compressorhuis stroomt.
Luchtstroom pad
Zoals weergegeven in figuur 12-10 komt de luchtstroom de turbinebehuizing binnen op een radiale instroom en axiale uitstroom. De lucht stroomt in axiale richting door het waaierhuis en radiaal naar buiten. In het eenvoudigste turbocompressorontwerp is de inlaatdoorgang of keel van het turbinehuis niet gesegmenteerd, dat wil zeggen dat de uitlaatpoorten van alle cilinders naar een enkel inlaatkanaal leiden. Turbocompressoren met variabele geometrie kunnen echter de luchtstroom in en uit het turbinehuis regelen. Dit zal later in deze sectie worden besproken.
Figuur 12-10 Schematisch diagram van het luchtstroomprincipe van een turbocompressor, waarbij de functies van het slakkenhuis en de diffusor worden gedemonstreerd.
Type turbocompressor
Allereerst is het belangrijk om onderscheid te maken tussen turbocompressoren met vaste-geometrie en turbocompressoren met variabele-geometrie. Dit artikel definieert het als volgt:
• Turbocompressor met vaste-geometrie: alle uitlaatgassen stromen door het turbinehuis, ongeacht de bedrijfsomstandigheden van de motor.
• Turbocompressor met variabele geometrie: Door externe of interne controle wordt het stroomgebied in het turbinehuis aangepast, of wordt een deel van het uitlaatgas om het turbinehuis heen geleid.
Vanaf 2001 behoorden de turbocompressoren die in de meeste commerciële dieselmotoren op snelwegen werden gebruikt nog steeds tot het type met vaste geometrie. Maar deze situatie is veranderd. Als we tegenwoordig een turbocompressor met vaste-geometrie op de dieselmotor van een vrachtwagen zien, is deze meestal onderdeel van een serie turbocompressoren of onderdeel van een samengesteld turbocompressorsysteem. Momenteel gebruiken bijna alle turbocompressoren een of andere technologie om de stroom uitlaatgas door het turbinehuis te regelen (controleren), hetzij via een uitlaatgasomleidingsklep, hetzij door gebruik te maken van een interne variabele geometrie.
Turbocompressor met vaste-geometrie
Laten we eerst het werkingsprincipe van de turbocompressor met vaste-geometrie beschrijven. Turbocompressoren met vaste-geometrie zijn ontworpen om optimale prestaties te leveren bij specifieke snelheden en specifieke afvalwarmtebelastingen, wat betekent dat ze niet erg veelzijdig zijn. Ingenieurs moeten de bedrijfstijd selecteren waarop de turbine-efficiëntie het hoogst is. De meeste wegmotoren die turbocompressoren met vaste-geometrie gebruiken, bereiken doorgaans het hoogste rendement van hun turbines bij volledige belasting en maximale koppelsnelheden. Als het werkingsbereik wordt overschreden, nemen de prestaties af. De turbocompressor met vaste-geometrie heeft een eenvoudige structuur. Figuur 12.9 toont de typische structuur ervan.
Door de piekturbine-efficiëntie in te stellen op het piekkoppeltoerental in plaats van op het nominale toerental, kan de turbocompressor met vaste{0}}geometrie zelfregelende kenmerken- hebben: wanneer het motortoerental toeneemt, wordt de werkelijke tijd die beschikbaar is voor het onder druk zetten en injecteren van brandstof in de cilinder verkort. Als een turbocompressor met vaste-geometrie buiten het gespecificeerde snelheidsbereik wordt gebruikt, zal de koppelcurve van de motor snel dalen, waardoor de motor moeite heeft bij lage snelheden en hoge belastingen. Bij belasting op hoge snelheden zal de snelheid snel dalen en zal ook het brandstofverbruik verslechteren.
Waarschuwing:
Onjuiste afstemming van turbocompressoren met vaste-geometrie kan leiden tot een te hoge cilinderdruk, waardoor motorstoringen ontstaan, of omgekeerd, resulteren in onvoldoende vermogen, zwarte rookuitstoot en verhoogde schadelijke uitstoot.
Technische tips:
Hoewel dieselmotoren voor vrachtwagens met turbocompressoren met vaste-geometrie zijn ontworpen om de hoogste gasefficiëntie te bereiken bij piekkoppel, bereiken de meeste andere dieselmotoren die turbocompressoren met vaste-geometrie gebruiken (zoals niet-zwaar materieel of generatorsets) dit doorgaans bij het nominale toerental (maximaal vermogen). In deze toepassingen blijven turbocompressoren met vaste-geometrie gangbaar en zijn ze doorgaans geoptimaliseerd voor bedrijfsomstandigheden op volle-hoge- snelheid.
Turbocompressor met variabele geometrie
Het doel van de turbocompressor met variabele geometrie kan als volgt worden samengevat:
• Als de motorbelasting laag is, zorg er dan voor dat de turbine net zo snel reageert als een kleine turbocompressor.
• Wanneer de motorbelasting hoog is, zorg er dan voor dat de turbine voldoende stuwkracht levert, zoals een grote turbocompressor.
Moderne door ECM bestuurde turbocompressoren kunnen alle bovengenoemde doelen bereiken en alle tussenfasen nauwkeurig regelen, waardoor snellere reactiesnelheden (waardoor de turbohysteresis wordt verminderd) en lagere emissies worden bereikt. Sommige huidige turbocompressoren combineren ook het gebruik van externe uitlaatomleidingskleppen en interne variabele geometrieën om de vuldruk binnen het breedste bereik van snelheden en belastingen te beheren.
• Regeltype uitlaatgasbypassklep
De uitlaatgasomleidingsklep-turbocompressor wordt al vele jaren gebruikt. Het werkingsprincipe is: via een "klep" wordt al het uitlaatgas zo geregeld dat het door het turbinehuis stroomt, of een deel van het uitlaatgas wordt rechtstreeks naar het uitlaatsysteem geleid. Momenteel zijn er hoofdzakelijk twee controlemethoden:
• Pneumatische regeling: De werking van de bypassklep is afhankelijk van de druk van het inlaatspruitstuk. Meestal wordt een actuatortank met een veer gebruikt. Standaard zorgt de gesloten toestand ervoor dat het uitlaatgas volledig door de turbine stroomt. Wanneer de vuldruk van het spruitstuk de ingestelde waarde bereikt, overwint de druk de veerkracht om de actiestang te duwen, waardoor de klep wordt geopend om een deel van het uitlaatgas te omzeilen.
• Elektronische regeling: geregeld door de ECM van de motor. Sommige motoren maken bijvoorbeeld gebruik van uitlaatomleidingsturbines met dubbele inlaatpoorten. De ECM beheert nauwkeurig de druk die op de actuator inwerkt via de magneetkleppen en de druk in het spruitstuk, waardoor meer-traps boostregeling wordt bereikt. Het besturingsprincipe kan worden samengevat als een samengesteld besturingsmechanisme van "elektronische - elektrische besturing - pneumatisch".
• Slakkenhuisgestuurde turbine met variabele geometrie
Slakkenhuisgestuurde turbocompressoren met variabele geometrie worden op grote schaal toegepast in de huidige dieselmotoren. Racemotoren gebruiken al jaren mondstukken met variabele opening om het stroomgebied van het slakkenhuis te regelen, en dieselmotoren hebben deze technologie geleend. De eerste slakkenhuisgestuurde turbocompressor die op dieselmotoren werd toegepast, verscheen begin jaren negentig, met beperkt aanvankelijk succes. Maar tegenwoordig heeft de overgrote meerderheid van de fabrikanten van dieselmotoren er de voorkeur aan gegeven om technologie met een variabel slakkenhuis toe te passen in plaats van de traditionele turbocompressor met omloopklep. De turbine met variabele geometrie (VGT) die is geïnstalleerd op de Paccar MX13-motor, weergegeven in figuur 12-11, is bijvoorbeeld een typisch voorbeeld. Om het werkingsprincipe van de turbine met variabele geometrie te illustreren, zullen we de typische turbocompressor met slakkenhuisregeling, weergegeven in Figuur 12.12, als voorbeeld nemen.
Figuur 12-11 Turbine met variabele geometrie (VGT) Gebruikt op de Paccar MX13-motor
Figuur 12-12 Doorsnede van de turbine met variabele geometrie (VGT), met de focus op de actuator
Turbocompressor met variabel mondstuk
Figuur 12-12 toont een dwarsdoorsnede van een typische turbocompressor met variabele spuitmond. Raadpleeg Figuur 12-13 om de belangrijkste componenten te identificeren, zoals de turbine, het rondsel, het mondstukblad en de synchrone ring.
Figuur 12-13 Werkingsprincipe van componenten van VN-turbocompressoren.
De turbocompressor met variabel mondstuk genereert de vereiste vuldruk door de bladhoek aan te passen om het slakkenhuisstroomgebied te veranderen. Dit proces wordt bereikt doordat de oliedruk op de zuiger inwerkt, die in ingrijping komt met het CAM-tandwiel en de krukas, waardoor de synchrone ring gaat draaien. De synchrone ring ondersteunt alle mesconstructies. Elk mes is voorzien van een spiraalvormige groef. Wanneer de rotatiepositie van de synchrone ring verandert, roteert het blad met zijn penas als steunpunt, waardoor de synchrone aanpassing van de hellingshoek van het blad wordt bereikt. Via dit mechanisme kan het stroomoppervlak van het slakkenhuis (inlaatzijde) worden vergroot of verkleind, wat rechtstreeks van invloed is op de gasefficiëntie in het turbinehuis. Kortom, het stroomoppervlak van het slakkenhuis bepaalt de turbinesnelheid en uiteindelijk de turbodruk die door de turbinecompressor wordt gegenereerd.
Variabele spuitdopregeling
De turbocompressor met variabel mondstuk wordt geregeld door de regelklep met variabel mondstuk. Deze regelklep is een proportionele actuator die wordt beheerd door de motorregeleenheid en die het ingangsstroomsignaal kan omzetten in een specifieke zuigerveerpositie. Wanneer de bladen bijna gesloten zijn (de bladen zullen nooit volledig gesloten zijn), genereert de turbocompressor de maximale vuldruk. Het beheer van de perslucht is volledig afhankelijk van de positie van de schoepen, aangezien de schoepenhoek rechtstreeks bepaalt hoe het uitlaatgas op de turbine inwerkt. Figuur 12.14 laat zien hoe oliedruk de zuigerveer aandrijft om de CAM en het krukmechanisme te bedienen, waardoor de synchrone ring met de klok mee gaat draaien, waardoor de bladen breder worden en de gasefficiëntie van de turbine afneemt.
Figuur 12-14 VN-turbocompressor: Vergroot de bladopening om de turbine-efficiëntie te verminderen.
Wanneer de oliedruk de zuiger naar links duwt (Figuur 12-15), draait de synchrone ring tegen de klok in, waardoor de bladen in een hoek worden gebracht die dicht bij de gesloten positie ligt, waardoor de turbine-efficiëntie wordt verbeterd en een maximale boost wordt geboden. Naar dit actieproces kan worden verwezen in figuur 12.16.
Figuur 12-15 VN-turbocompressor: Verklein de bladopening om maximale boost te bereiken.
Figuur 12-16 De rol van de synchrone ring bij het regelen van de mesopening.
Het toerental van de turbocompressor met variabel mondstuk wordt teruggevoerd naar de motorregeleenheid via een axiale snelheidssensor, gebaseerd op het principe van een inductiepulsgenerator. Het triggersignaal wordt afkomstig van de vlakke structuur op een specifieke positie op de turbine-as.
3. Slakkenhuisturbine met sleepring
Een andere variabele slakkenhuisstructuur die wordt toegepast bij Cummins Honicell-turbocompressoren: het stroomgebied wordt aangepast door de sleepring door de VG-actuator te bewegen. Het doel is hetzelfde als dat van de VN-turbine van Caterpillar, maar de manier waarop dit wordt bereikt is iets anders. Figuur 12-17 toont een typische VG-actuatormodule die wordt gebruikt op motoren van na 2010.
Figuur 12-17: VG-actuatormodule gebruikt op een typische motor 10 jaar later.