Турбокомпресори BorgWarner с променлива турбинна геометрия (VTG)

, 3 декември 2020, 13:00

Хибридните концепции изискват максимално ефективни двигатели с вътрешно горене, за да се постигне a значително намаляване на CO2 емисии. Бензиновите двигатели на Miller / Atkinson cycle показват отличен напредък в стремежа към намаления CO2 нива, които производителите на автомобили в ЕС трябва да спазват с до 2030 г. VTG турбокомпресорите на BorgWarner са идеална система за допълване на този процес.

В допълнение към електрификацията на силовия агрегат, алтернативни концепции за задвижване, базирани на високоефективните двигатели с вътрешно горене са необходимост за постигане на още по-строгите CO2 цели в бъдеще. Хибридизацията на задвижването предлага възможности за интегриране на електрическа поддръжка на системата за зареждане и едновременно с това нови дизайнерски стратегии за турбокомпресори. Увеличението на ефективността на двигателя е представено от цикъла на горене на Miller / Atkinson, за което турбокомпресорът с променлива геометрия на турбината (VTG) е идеалното захранващо устройство. Турбокомпресор VTG на BorgWarner предлага допълнителна ефективност чрез подобрена геометрия на потока в турбината и намалено триене чрез използване на сачмени вместо плъзгащи лагери.

Усъвършенстване на бензиновите двигатели

На разположение са редица методи заувеличаване на ефективността на бензиновия двигател: по-висока степен на компресия, обедняване на сместа, цикъл на Милър / Аткинсън и различни комбинации от тези мерки. Нарастващата гама от пълни и plug­in хибриди оправдава развитието на двигатели с вътрешното горене, оптимизирани за хибридна работа. Турбо бензинови двигатели с цикъл на Милър постигат по-висока специфична плътност на мощността и подобрена консумация в сравнение с оптимизирани атмосферни двигатели за хибриди. В допълнение към по-високите изисквания за налягането на зареждане поради обедняване на сместа и междинно разширение, увеличаването на ефективността на двигателите с вътрешно горене също носи нови предизвикателства. Тук VTG турбокомпресорът предлага по-добра ефективност на системата в сравнение с класическата технология Wastegate. Допълнително се увеличава производителността от 15 до 20 kW в сравнение с Wastegate турбокомпресор. VTG турбокомпресорът за бензинови двигатели позволява намаляване на разхода на гориво. Той може да постигне температурна разлика между изхода на двигателя и входа в системата за последваща обработка на отработените газове с около 25°C по-висока в сравнение с турбокомпресорите Wastegate. В същото време остава постоянен въртящия момент при ниски обороти. Допълнителен потенциал се предлага от разреждането на сместа при частично натоварване.

Оптимизираният дизайн на аеродинамичните компоненти и използването на сачмени лагери вместо класическите плъзгащи лагери осигуряват увеличение на ефективността на турбокомпресора  до пет процента в сравнение с турбокомпресора Wastegate. Освен това използването на сачмени лагери помага да се компенсира закъснението при зареждането от новия процес на горене. В сравнение с традиционна технология Wastegate, комбинацията от оптимизиран цикъл на Милър с охлаждане на рециркулацията на отработените газове и намалена динамика може да намали CO2 емисиите с 3%.

Разработка на турбокомпресор VTG

Технологията VTG, въведена за първи път за дизелови двигатели през 1997 г., стана предпочитана турбокомпресорна система за автомобилни дизелови двигатели. Нарастването на популярността сега е с разширяване до бензинови двигатели с въвеждането на цикъла на Милър / Аткинсън. BorgWarner турбокомпресор за Porsche 911 Turbo 3.6 л двигател отбеляза първото серийно приложение на бензинови VTG през 2006 г. След като цикъла на Милър беше въведен, тази технология бързо се премести на масовия пазар, където предишен опит с дизелови VTG позволиха значителна оптимизация на разходите.

Усъвършенстван дизайн на производителността

Аеродинамичната настройка на турбината се състои от регулируеми лопатки на статора и турбинното колело. VTG използва регулируеми лопатки с пръстен на статора (VTG патрон) за управление на потока на отработените газове и осигуряват подобрена ефективност на турбината в по-широк работен диапазон на двигателя. Поради високите изисквания на VTG материалите, системата първоначално беше ограничена до използване в приложения за дизелови двигатели при температури на отработените газове до около 860 ° C. BorgWarner използва опита си, придобит от прилагането при високотемпературния бензинов Porsche 911 Turbo за по-нататъшно техническо развитие на VTG. Значителен напредък като материал и разходи, заедно с техниката на горене Miller / Atkinson при температури на отработените газове до 950 ° C, са комбинирани до направят технологията VTG много привлекателна за използване в бензинови двигатели, които сега се разработват за използване в хибридни системи от следващо поколение.

Подобрената аеродинамична ефективност и контрол на VTG турбината се постига чрез регулируеми входни направляващи лопатки, които позволяват дебит над два пъти повече от това на фиксираните турбини с Wastegate контрол при сравними диаметри на колелата. Високата ефективност стана възможна благодарение на уникална комбинация от ъгъла на входящите насочващи лопатки и колелото. Турбината осигурява висока гъвкавост при създаването на обратно налягане и изходна мощност, осигурявайки контрол налягането. Това допринася за значително намаляване на CO2, като същевременно ефективно се адаптира към характеристиките на използване на двигателя. Спиралната камера е проектирана да има повърхност, която се овлажнява минимално от отработените газове и се вписва в малко място за инсталиране. И двата компонента са аеродинамично подравнени, за да се получи насочен поток към направляващите лопатки на входа.

Иновативното насочване на потока на турбокомпресора VTG намалява термомеханичната деформация на патрона и заедно с дизайнът на самата лопатка, работи за минимизиране на странични хлабини на направляващия вход на лопатката (фиг. 1).

Фиг.1 Патентован дизайн на лопатката за висока ефективност на потока

Това позволява висока ефективност на въртящия момент на двигателя. Входящите водещи лопатки на тубокомпресора имат патентованата S форма на BorgWarner за да се гарантира, че деформацията на потока е с ниски загуби и въртящият момент на направляващите лопатки е възможно най-нисък, като същевременно се запазва функцията за безаварийна работа във всички режими.
Бензиновите двигатели изискват по-нискo обратно налягане и увеличен дебит, за да се избегнат детонации, BorgWarner използва радиални колела във VTG турбините. По-висока ефективност е необходима и при малки скорости на турбината, около 30-40% от своя максимум, за подобрена реакция и въртящ момент на двигателя. Турбинното колело на VTG е проектирано за високи дебити, с механично оптимизиран диск на колелото, намаляващ напреженията за да осигуряват дълъг експлоатационен живот при намален момент от инерция (фиг. 2).

Фиг.2 Дизайн на VTG турбинно колело с голям дебит

Този оптимизиран дизайн завършва със сачмен лагерен елемент, плаващ в маслен филм в лагерния корпус (фиг. 3).

Фиг. 3 Напречно сечение на центриращата секция на сачмените лагери

BorgWarner използва патентована система от разединяващи пръстени, за да осигури повишаване на амортизиращия маслен филм, като същевременно позволява касетата да бъде центрирана в носещия канал, подобрявайкибалансирането и акустично поведение.Пръстените също уплътняват зоната на натиск от останалата част на корпуса на лагера.Това контролира дебита на маслото и намалява загубите от завихряне.

Коментари

Коментара трябва да е повече от 5 символа!

Моля, потвърдете регулацията!

Няма коментари. Бъди първи!