Turbosprężarki: Budowa i zastosowanie
Funkcja
W urządzeniu, jakim jest turbosprężarka tracona energia spalin powoduje napędzanie
wirnika. Za pomocą wału napędzana jest koło sprężające. W ten sposób zagęszczone
powietrze sprężone zostaje doprowadzone do silnika. Dzięki temu powstaje nadmiar
tlenu. W większości użyte są koła sprężające oraz obracające się wirniki.
Schemat turbosprężarki „Twinnscroll“
Opis głównych zespołów konstrukcyjnych
» Sprężąrka
Funkcja
W większości dzisiaj używanych sprężarek przy turbosprężarkach chodzi o sprężarki radialne.
Głównymi częściami składowymi tego zespołu konstrukcyjnego są:
- Radialne koło kompresji
- Obudowa koła kompresji z tylną ścianą
- Dyfuzor
Poprzez obracania się koła kompresji uzyskuje zassane powietrze wysoką prędkość.
W ten sposób przyspieszone powietrze opuszcza koło kompresji w kierunku dyfuzora.
Ta energia kinetyczna przetwarza się w dyfuzorze w energię naporową, co powoduje
opóźnienie przepływu, a ciśnienie i temperatura wzrasta prawie bez strat. Uzyskuje
się to poprzez ciągłe powiększenie średnicy przepływu w obrębie obudowy koła kompresji,
gdzie się powietrze gromadzi, a prędkość się zmniejsza, aż do wyjścia ze sprężarki.
Charakterystyka robocza
Verdichtungskennfeld eines
PKW Turboladers
Charakterystyka robocza w zakresie sprężarek radialnych jest zawsze podawana poprzez
parametry, w których stosunek ciśnienia jest przedstawiony poprzez objętość lub masowy
przepływ powietrza. Zakres roboczy w charakterystycznym parametrze sprężarek przepływowych
jest z jednej strony ograniczony poprzez granicę pompowania, a z drugiej strony poprzez
granicę wypełnienia, a także maksymalnie dopuszczalnej prędkości obrotowej koła sprężającego.
Granica pompowania
Poprzez granicę pompowania określa się zakres w parametrze, w którym zaniskie są przepływy
objętościowe i za wysokie stosunki ciśnieniowe oddzielają przepływ powietrza od łopatek koła
kompresji. Przedstawiony jest ten zakres poprzez ograniczenie lewego brzegu w charakterystycznym
parametrze (patrz wykres). W razie osiągnięcia granicy pompowania, nie potrzeba więcej powietrza.
Wtedy płynie ono z powrotem poprzez sprężarkę, aż do momemtu, w którym zostanie uzyskany stabilny,
pozytywny przepływ powietrza. Wtedy następuje odbudowa ciśnienia. Przy tym powstaje często
powtarzający się dźwięk pompowania.
Granica dopełniania
Poprzez granicę dopełniania określa się maksymalny przepływ objętości powietrza. Ograniczony
przekrojem poprzecznym na wlocie sprężarki i osiągnięciem prędkości dźwięku przy wlocie koła
kompresji będzie wstrzymany następny wzrost powietrza. Mocno spadające linie prędkości obrotowej
na prawym brzegu charakterystycznego parametru ( patrz wykres) pokazują granicę dopełniania w
parametrach sprężarki.
do góry
» Turbina
Rodzaje i funkcja
Turbina tubosprężarki składa się z koła turbiny i obudowy. Turbina jest napędzana poprzez
spaliny silnika i napędza koło komresji poprzez wałek. Spaliny są komulowane od wlotu gazu,
aż do koła turbiny w obudowie spalin. W ten sposób powstały spadek ciśnienia i temperatury
przeobraża się w energię kinetyczną, która napędza koło turbiny.
W zakresie turbosprężarek używa się dwóch rodzaji turbin.
- Turbiny osiowe
- Turbiny radialne
W turbinach osiowych przepłwają gazy osiowo poprzez koło turbiny.
Natomiast w turbinach radialnych przebiega to radialnie z zewnątrz do wewnątrz,
a następnie znowóż na zewnątrz w kierunku osiowym (centrypetalnie).
Turbiny osiowe są zastosowane przy mocy silnika do ~1000 kW. Turbiny takiej
konstrukcji pokrywają prawie całe potrzeby w zakresie pojazdów oraz silników przemysłowych.
Charakterystyka robocza
Wydajność turbiny jest uzależniona od spadku ciśnienia pomiędzy wlotem i wylotem.
Moc turbiny zwiększa się, jeżeli wzrasta prędkość obrotowa silnika lub temperatura
jego spalin.
Im mniejsza turbina, tym wcześniej ona reaguje, ale spada moc silnika.
Rozmiar turbiny można poprostu zmienić poprzez zmianę jej obudowy.
W przeciwieństwie do normalnej turbiny wpływa turbina ze zmienną geometrią tkz.
jednostką VNT/ VTG skutecznie na cały przebieg prędkości obrotowej.
Umożliwione jest to poprzez łopatki sterownicze, które doprowadzają spaliny do koła turbiny.
- Mała prędkość obrotowa silnika i wysokie ciśnienie doładowania mile widziane:
- Poprzez łopatki sterujące zwęża się przekrój poprzeczny przepływu spalin przed kołem turbiny.
Koło turbiny obraca się szybciej, ponieważ spaliny muszą szybciej przepływać
poprzez zwężony przekrój poprzeczny. Wskutek tego uzyskuje się potrzebne ciśnienie
doładowania także przy niskiej prędkości obrotów silnika.
- Wysoka prędkość obrotowa silnika:
- Przekrój poprzeczny turbosprężarki jest dopasowany do
przepływu spalin. Łopatki sterujące umożliwiają zwiększenie przekroju poprzeczngo
wlotu, aby nie przeroczyć potrzebnego ciśnienia doładowania.
do góry
» Steuerung
Bauarten und Funktion
Die Steuerung von Ladedruck und Ansprechevrhalten geschieht immer turbinenseitig.
Die folgenden zwei Arten kommen zum Einsatz.
- Bypassventil
- Verstellbare Turbinengeometrie
Regelung mittels Bypassventil
Die Kostengünstigste Art der Ladedruckregelung ist die Steuerung durch ein Bypassventil.
Bei Erreichen des erforderlichen Ladedruckes wird das Bypassventil über einen Aktuator
(Steuerdose, Stellmotor) geöffnet um einen Teil des Abgasstromes an der Turbine vorbeizuleiten.
Die Steuerung des Aktuators geschieht im einfachen Fall durch das aufschlagen von Ladedruck
auf die Membrane innerhalb der Steurdose.
An modernen Aufgeladenen Motoren werden elektronische Ladedruckregelungen eingesetzt. Hier wird
in abhängigkeit der Motorparameter über ein Dreiwegeventil der Bypass gesteuert.
Regelung mittels Verstellbarer Turbinengeometrie
Die verstellbaren Leitringe im Turbinengehäuse von VTG Turboladern ermöglichen es, den Strömungsquerschnitt
der Turbine den Betriebszuständen des Motors anzupassen. Der Gesamtwirkungsgrad von Turbolader und Motor
wird erheblich verbessert.
do góry
» Lagerung
Bauarten und Funktion
Die Drehzahl vom Laufzeug eines Turboladers beträgt bis zu 300.000 rpm. Da die Lebensdauer des Turboladers
der des Motors entsprechen soll, haben sich Gleitlager durchgesetzt. Nur mit einer Gleitlagerung ist es heute
möglich die hohen Anforderungen von Lebensdauer, Drehzahl und niedrigen Herstellungskosten zu erfüllen.
Folgende Arten von Lagerungen am Turbolader kommen zum Einsatz.
Die Radiallagerung mit Gleitlagern
Bei einer Gleitlagerung dreht sich die Welle berührungslos und verschleißfrei innerhalb der Ölumspülten
Gleitlagerbuchse.
Bei der Zweibuchsenlagerung drehen sich die Schwimmbuchsen im Lagergehäuse mit ca. der halben Wellendrehzahl.
Die Lager laufen also berührungslos und verschleissfrei. Das zwischen den Lagerspalten unter Druck fließende Öl
übernimmt zugleich auch eine Dämpfungsfunktion.
Die Heute oft verwendete Einbuchsenlagerung ermöglicht einen geringeren Lagerabstand wodurch die Turbolader
kleiner und kompakter geworden sind. Hier dreht sich die Welle innerhalb der im Lagergehäuse feststehenden
Gleitlagerbuchse. Der äussere Spalt der Buchse dient der Lagerdämdfung und ist mit Öl umspült.
Axiallagerung mit Gleitlagern
Das Axiallager (Keilflächen-Gleitlager) nimmt die Kräfte auf, die auf das Verdichterrad und das Turbinenrad in
axialer Richtung wirken. Das Axiallager ist im Lagergehäuse stehend befestigt.
Rollenlagerung (Kugelgelagerter Turbolader)
Kugelgelagerte Turbolader konnten sich bis Heute nicht durchsetzen. Sie kommen zwar schneller auf
Betriebsdrehzahl, sind aber wiederum nicht für die heutigen hohen Drehzahlen geeignet.
Zu dem sind die Herstellungskosten in der Produktion sehr hoch.
do góry
» Abdichtung
Bauarten und Funktion
An Turboladern kommen hauptsächlich die folgenden drei Arten von Abdichtungen zum Einsatz.
- Kolbenringe [Verdichterseite, Turbinenseite]
- Karbonabdichtungen [Verdichterseite]
- und neuerdings Gaspolster- Gleitringdichtungen [Verdichterseite]
Kolbenringabdichtung
Turbinen- und verdichterseitig befindet sich
im Turbolader je ein Kolbenring in einer Nut auf der Läuferwelle. Die Kolbenringe
sind im Lagergehäuse fest verspannt und drehen sich nicht mit.
Diese Art der Abdichtung ist eine berührungslose Art von Labyrinthdichtung. Sie
erschwert die Ölleckage durch die vielen Strömungsumlenkungen und bewirkt, dass nur
geringe Abgasmengen in das Kurbelgehäuse gelangen, aber dicht, ist sie nicht.
Karbonabdichtung
Verdichterseitig dichtet ein im Lagergehäuse feststehender Karbonring die Läuferwelle zum
Lagergehäuse ab. Diese Art der Abdichtung kommt heutzutage nur noch selten vor. Primär
wird sie an aufgeladenen Vergasermotoren verwendet, um gegen das entstehende Vakuum im
Ansaugbereich bei Leerlauf und Teillaststellung des Vergasers abzudichten.
Als Nachteil ist hier der Reibungsverlust durch den Karbonring anzusehen.
Gaspolster- Gleitringdichtungen
Verdichterseitig dichtet ein Gleitring auf einem Gaspolster die Läuferwelle zum
Lagergehäuse ab. Diese Art dient zur Reduzierung der Ölleckage auf der Verdichterseite,
damit keine oder nur geringe mengen Öl in den Ansaugbereich des Motors gelangen,
und diese so die heute gültigen Abgasnormen erreichen.
do góry