Turbokompressorite areng (1)

Turbokompressoriteareng
Sisukord
1.Üle- ja turbolaadimine
2.Turbolaaduri tõhususe tõstmise teed
3.Heitgaaside möödavooluklapiga varustatud turbolaadur
4.Muutuva turbiinigeomeetriaga VTG turbolaadur
5.Muutuva siiberturbiiniga VST turbolaadur
Üle- ja turbolaadimine
Gaasijaotusmehhanismi ülesanne on realiseerida mootori gaasivahetusprotsessi. Seetõttu tuleb GJM-i ehituse juures käsitleda ka ülelaadurite ehitust ja nende tööprintsiipe.
Ülelaadurid jagunevad õhulaaduriteks ja turbokompressoriteks.
Õhulaadureid on väga erineva ehitusega. Üldjuhul on standardmootorite ülelaadurite poolt arendatav ülerõhk ca 2 bar. Forsseeritud mootoritel kasutatakse sisseimetava õhu vahejahutust.
Suure tootlikkusega turbokompressorid omavad eriliiki turbiini juhtimissüsteeme, mille ehitust käsitletakse alljärgnevas. Diiselmootori heitgaasid sisaldavad suures koguses lämmastikoksiidi, mis tuleneb põlemisprotsessi kõrgest rõhust põlemiskambris. Seetõttu suunatakse heitgaase tagasi mootorisse elektroonilisel teel.
Lennukimootorid töötavad erinevates kõrgustes. Lennu kõrguse kasvades väheneb õhutihedus ja mass, mis on vajalik küttesegu stöhhiomeetriliseks põlemiseks. Järelikult väheneb kõrguse kasvamisel ka mootori võimsus. Nimetatud puudust on võimalik kompenseerida ülelaadimisprotsessi rakendamisega mootori töös. Seda eelkõige turbolaadurite kasutusele võtuga.
Lennukõrgusest ja mootori erinevatest töörežiimidest tingitult on heitgaaside voog erinev. Seega tuleb antud faktorit arvestada turbolaadurite töö efektiivsuse tõstmises, selle konstruktsiooni arendamises ja mootori ning turbokompressori kaitses.
Ülelaadimiseta mootori (normaly/naturally aspirated engine ) korral rõhk sisselaskekollektoris ei kasva kõrgemaks atmosfääri rõhust.
Ülelaadimisega mootori (supercharged engine) korral on absoluutrõhk sisselaskekollektoris 40 …. 45 tolliHg ( 0,135 … 0,155 MPa).
Ingliskeelses kirjanduses tuleb mõista termineid supercharged ja turbocharged järgmiselt:
a) supercharged engine – on selline mootor, kus õhulaadur käivitatakse eraldi mehaanilise ülekande abil väntvõllilt;
b) turbocharged engine – on selline mootor, millel on turbokompressor , mis käivitub heitgaaside energia abil.
1.
Turbolaaduri tõhususe tõstmise teed
Mootorid , mis on varustatud ühetasemelise kiirusega (single- speed ) turbolaaduriga, nimetatakse nominaalse ülelaadimisega (ground-boosted) mootoriteks, st, kus meretasandil ülelaadimisega saavutatud mootori nominaalne võimsus lennuki kõrguse kasvades väheneb.
Nimetatud puuduse kompenseerimiseks on olemas järgmised teed:
a) kasutada kahetasemelise kiirusega ülelaadureid, st madalatel lennukõrgustel ülelaadur töötab madalal komprimeerisastmel 7/1, ja kõrgustel, kus võimsus väheneb, töötab ülelaadur komprimeerimisastmel 9/1. Selline komprimeerimisastme kasv suurendab õhutihedust, mis omakorda tagab mootori võimsuse kasvu;
b) kasutada kahetasemelist ülelaadimist, kus üks kompressor komprimeerib õhku enne selle sisenemist karburaatorisse ja teine kompressor komprimeerib küttesegu peale karburaatorit, st vahetult enne selle sisenemist silindrisse;
c) sisselaskekollektoris oleva rõhu reguleerimine gaaside mahu järgi, mis läbivad turbiini. Lennukimootoritel kasutatakse jääkgaaside möödavoolu klapi juhtimiseks hüdraulilist ajamit, milles olevat survet reguleerib kollektori rõhuandur.
Rõhuandur käivitub absoluutrõhu alampiirilt 39 – 40 tolliHg ja sulgeb möödavoolu kanali ning heitgaaside rõhk tõstab kompressori pöörlemissagedust. Ülelaadimisrõhu kasvades rõhuandur suleb täituris oleva klapi, mistõttu süsteemis rõhk kasvab ja ületab möödavooluklapi täituri vedru vastumõju ning möödavooluklapp avaneb.
Alljärgnevalt esitatakse turbokompressori kolm ehitusprintsiipi, mis on kasutusel autotehnikas, need on
a) heitgaaside möödavooluklapiga varustatud turbolaadur (sks/ingl Wastegate/ Lader );
b) muutuva turbiinigeomeetriaga VTG turbolaadur (sks Variable Turbinengeometrie);
c) muutuva siiberturbiiniga VST turbolaadur (sks Variable Schieberturbiine).
Heitgaaside möödavooluklapiga varustatud turbolaadur
Suurtel mootori pöörlemissagedustel ja koormustel lastakse osa heitgaase bypassklapi kaudu enne turbiini otse väljalasketorustikusse. Selle tõttu väheneb turbokompressori pöörlemissagedus ja ülekoormus.
Madalatel pöörlemissagedustel ja koormustel hoitakse heitgaaside mööduvooluklapp suletuna. Möödavooluklapp töötab membraanseadme abil ja seda käitatakse laadimisrõhuseadme (elektropneumaatiline muundur) ja alarõhupumba abil.
Seadmete tööd juhib ECU. Selline turbokompressori kompleksus on laialdaselt kasutusel diislite juures. Ottomootoritel saadakse vajatav alarõhk sisselaskekollektorist.
Bypassklapi tööd võib juhtida ka eletrilisel teel.
2.
Muutuva turbiinigeomeetriaga VTG turbolaadur
See turbolaadur võimaldab reguleerida turbiinilabade pöörlemissagedust.
Reguleeritavad  juhtlabad muudavad heitgaaside voolu ristlõiget sõltuvalt mootori koormusest.
Suure pöörlemissageduse ja koormuse korral tagavad juhtlabad maksimaalse voolu ristlõike. Väikese koormuse korral  juhtlabad vähendavad gaaside voolu ristlõiget, mistõttu heitgaaside vasturõhk suureneb ja turbiini pöörlemissagedus ning laaderõhk kasvavad.
Turbokompressor koosneb: turbiinist, reguleerrõngast, pöörduvatest juhtlabadest ja pneumaatilisest täitursilindrist.
Juhtlabade asendit võib muuta positsioonanduriga elektrimootor. Sellist tüüpi turbolaadurid on põhiliselt kasutusel diiselmootorite juures. Ottomootoritel ei ole sellised turbokompressorid laialdast kasutust leidnud, seda eelkõige kõrge termilise koormuse tõttu.
Muutuva siiberturbiiniga VST turbolaadur
Kasutatakse väikese võimsusega mootoritel. Tööprintsiibiks on järk-järguline lisa pealevoolu kanali avamine või sulgemine.
Väikestel pöörlemissagedustel ja koormustel on avatud ainult põhi kanal, mistõttu heitgaaside vasturõhk on suur ning ka turbiini pöörlemissagedus ja laadimisrõhk on kõrge. Laaderõhku reguleerib pneumaatiline täitur, mis pidevalt muudab  pealevoolu kanali ristlõiget.  
Mootori erinevatest töörežiimidest tingitud heitgaaside voog on erinev. Seega  tuleb antud faktorit arvestada turbolaadurite töö efektiivsuse tõstmises ja  konstruktsiooni arendamises.
3.