يتم استخدام الشواحن التوربينية عالميًا تقريبًا في محركات الديزل ذات التجويف المتوسط والكبير في أمريكا الشمالية، كما أنها منتشرة بشكل كامل تقريبًا في محركات التجويف الصغير. تعريف الشاحن التوربيني هو مضخة طرد مركزي مدفوعة بغاز العادم، والتي يمكنها "استرداد" جزء من الحرارة المهدرة من أسطوانات المحرك. في تطبيقات محددة لمحركات السباق، قد تتجاوز سرعة دوران الشاحن التوربيني 200000 دورة في الدقيقة، ولكن في محركات الديزل، تكون سرعة الدوران القصوى عادة أقل بحوالي 30٪. تتمثل الوظيفة الرئيسية للشاحن التوربيني في توفير هواء سحب مضغوط لأسطوانات المحرك. باختصار، فهو يزيد من كثافة الأكسجين في الهواء الداخل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للتوربين الذي يعمل بغاز العادم- أيضًا تشغيل ترس التخفيض المتصل بالعمود المرفقي للمحرك من خلال أداة اقتران السوائل. عند هذه النقطة، يمكن للشاحن التوربيني أن يساعد في قيادة العمود المرفقي. تسمى هذه الطريقة بتقنية المركب التوربيني ويتم تطبيقها حاليًا في أحدث جيل من محركات الديزل في ديترويت. وسيتم تقديمه أيضًا في الجزء التالي من هذا الفصل. يوضح الشكل 7-12 المنظر الأيمن لمحرك Cummins ISX لعام 2010، والذي تم تحديد موضع الشاحن التوربيني عليه.
الشكل 7-12 المنظر الأيمن لمحرك Cummins ISX (مميز بموضع الشاحن التوربيني)
مبدأ العمل
الشاحن التوربيني عبارة عن مضخة هواء يتم تشغيلها بواسطة غاز العادم، وتتكون من توربين ودفاعة مثبتة على نفس العمود (انظر الشكل 12-8). يتم تعليق العمود على محمل الاحتكاك بواسطة زيت تشحيم الضغط (التعليق الهيدروديناميكي). يتم تشغيل دافع التوربين بواسطة الطاقة (الحرارة) لغاز عادم المحرك ويدور داخل مبيت التوربين حيث يتدفق غاز العادم. توجد المكره في غلاف ضاغط مستقل ويعمل على هواء نظام السحب، ويضخه إلى الجانب المضغوط من نظام السحب. لا يتلامس غاز العادم الذي يقود التوربين مع هواء السحب الذي يعمل على المكره. يوضح الشكل 12-9 مسارات تدفق الغاز وزيوت التشحيم في شاحن توربيني بسيط.
الشكل 12-8 دافعة الشاحن التوربيني (أو عجلة الضاغط)
الشكل 12-9 عرض مقطعي للشاحن التوربيني (بما في ذلك ممر زيت التشحيم واتجاه تدفق الغاز)
مبدأ عمل الضاغط
يتم سحب هواء السحب المُفلتر إلى غلاف الضاغط ويتم تشغيله بواسطة المكره الموجود على جانب ضاغط عمود التوربين. يقوم التوربين بتحريك المكره للدوران على الجانب الآخر من عمود التوربين، وبالتالي فإن سرعة الدوران الفعلية للمكره تعتمد على ظروف العمل داخل مبيت التوربين. أثناء دوران المكره، يتم تسريع الهواء الموجود في نظام السحب إلى سرعة عالية. يدخل تدفق الهواء عالي السرعة- إلى الناشر بشكل قطري نحو الخارج. الناشر هو جهاز خنق، هدف تصميمه هو تحويل الطاقة الحركية (طاقة الحركة) للهواء الوارد إلى ضغط عند مرور تدفق الهواء. يمكن أن يكون الناشر من النوع الحلزوني (شكل الحلزون) أو من النوع النصلي (انظر الشكل 12-9). كفاءة ناشر الشفرة أعلى.
مبدأ عمل التوربين
يتم توجيه غاز العادم إلى مبيت التوربين. كلما زادت القيمة الحرارية المهدورة للمحرك (والتي عادة ما تزداد مع زيادة الطاقة الناتجة للمحرك)، زادت الطاقة الحرارية لغاز العادم. يدخل غاز العادم بشكل قطري إلى مبيت التوربين ثم يدخل عبر الحلزون (هيكل على شكل حلزون - مع مقطع عرضي يتناقص تدريجيًا -). يمثل الحلزون شكلاً من أشكال الاختناق. ولكن عندما يتدفق غاز العادم من الحلزون، فإنه يتوسع ويؤثر على ريش التوربينات، ثم يدخل إلى نظام العادم على طول الاتجاه المحوري.
يعتمد مدى تمدد الغاز الموجود في غلاف التوربين على حرارة غاز العادم. في ظل حالة الخرج العالي- للمحرك، تزداد الحرارة المهدرة من المحرك، وسيؤدي تأثير تمدد غاز العادم على شفرات التوربين إلى رفع سرعة التوربين. ويجب التأكيد على أن سرعة دوران الشاحن التوربيني تعتمد بشكل أساسي على حرارة غاز العادم وليس على ضغطه. يجب أيضًا فهم أهمية الشكل الحلزوني: كلما كان الحجم الحلزوني أصغر، كان تأثير الاختناق على تدفق الهواء أقوى، ولكن الحجم الحلزوني الصغير- يعني أن غاز العادم يتوسع بشكل كامل عندما يتدفق للخارج. الحل الأفضل هو أن تكون قادرًا على التحكم في منطقة تدفق الحلزوني، وهو ما سيتم مناقشته أدناه. الشكل 12-10 عبارة عن رسم تخطيطي لتدفق الغاز في الشاحن التوربيني، يوضح الوظائف الرئيسية للحلزوني والناشر: يرجى الانتباه إلى الاتجاهات التي يتدفق فيها الغاز داخل وخارج مبيت التوربين ومبيت الضاغط.
مسار تدفق الهواء
كما هو مبين في الشكل 12-10، يدخل تدفق الهواء إلى مبيت التوربين بطريقة التدفق الشعاعي للداخل والتدفق المحوري للخارج. يتدفق الهواء عبر مبيت المكره في اتجاه محوري ويخرج بشكل شعاعي. في أبسط تصميم للشاحن التوربيني، لا يتم تقسيم ممر السحب أو حنجرة غلاف التوربين، أي أن منافذ العادم لجميع الأسطوانات تؤدي إلى قناة مدخل واحدة. ومع ذلك، يمكن للشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة تنظيم تدفق الهواء داخل وخارج مبيت التوربين. سيتم مناقشة هذا لاحقًا في هذا القسم.
الشكل 12-10 رسم تخطيطي لمبدأ تدفق الهواء في الشاحن التوربيني، يوضح وظائف الحلزوني والناشر.
نوع الشاحن التربيني
أولاً، من المهم التمييز بين الشواحن التوربينية- ذات الهندسة الثابتة والشواحن التوربينية ذات الهندسة- المتغيرة. تحددها هذه المقالة على النحو التالي:
• شاحن توربيني- ذو هندسة ثابتة: تتدفق جميع غازات العادم عبر مبيت التوربين بغض النظر عن ظروف تشغيل المحرك.
• شاحن توربيني ذو هندسة متغيرة: عن طريق التحكم الخارجي أو الداخلي، يتم ضبط منطقة التدفق داخل مبيت التوربين، أو يتم تصنيع جزء من غاز العادم لتجاوز مبيت التوربين.
اعتبارًا من عام 2001، لا تزال الشواحن التوربينية المستخدمة في معظم محركات الديزل التجارية على الطرق السريعة تنتمي إلى النوع الهندسي الثابت. لكن هذا الوضع تغير. في الوقت الحاضر، عندما نرى-شاحنًا توربينيًا ثابتًا ذو هندسة هندسية على محرك ديزل للشاحنة، فهو عادةً ما يكون عضوًا في سلسلة إقران الشحن التوربيني أو جزءًا من نظام الشحن التوربيني المركب. في الوقت الحاضر، تعتمد جميع الشواحن التوربينية تقريبًا نوعًا ما من التكنولوجيا لتنظيم (التحكم) في تدفق غاز العادم عبر غلاف التوربين، سواء من خلال صمام تجاوز غاز العادم أو باستخدام هندسة داخلية متغيرة.
إصلاح الشاحن التوربيني الهندسي-.
دعونا أولاً نصف مبدأ عمل الشاحن التوربيني ذو الشكل الهندسي الثابت-. تم تصميم الشواحن التوربينية ذات الهندسة الثابتة - لتحقيق الأداء الأمثل عند سرعات محددة وأحمال حرارة مهدرة محددة، مما يعني أنها ليست متعددة الاستخدامات بشكل كبير. يجب على المهندسين اختيار وقت التشغيل عندما تكون كفاءة التوربين في أعلى مستوياتها. معظم محركات الطرق التي تستخدم شواحن توربينية ذات هندسة ثابتة- تحقق عادةً أعلى كفاءة لتوربيناتها عند الحمل الكامل وسرعات عزم الدوران القصوى. إذا تم تجاوز نطاق التشغيل، فسوف ينخفض الأداء. يتميز الشاحن التوربيني ذو الهندسة الثابتة- ببنية بسيطة. ويبين الشكل 12-9 هيكلها النموذجي.
يؤدي تعيين أعلى كفاءة للتوربين عند أقصى سرعة لعزم الدوران بدلاً من السرعة المقدرة إلى تمكين الشاحن التوربيني ذي التصميم الهندسي الثابت-من الحصول على خصائص التنظيم الذاتي-: عندما تزيد سرعة المحرك، يتم تقصير الوقت الفعلي المتاح للضغط وحقن الوقود في الأسطوانة. إذا تم تشغيل-شاحن توربيني ثابت خارج نطاق السرعة المحدد، فسوف ينخفض منحنى عزم دوران المحرك بسرعة، مما يتسبب في معاناة المحرك عند السرعات المنخفضة والأحمال العالية. عند التحميل بسرعات عالية، ستنخفض السرعة بسرعة، وسيتدهور أيضًا الاقتصاد في استهلاك الوقود.
تحذير:
قد تؤدي المطابقة غير الصحيحة للشواحن التوربينية ذات الهندسة الثابتة- إلى ارتفاع ضغط الأسطوانة بشكل مفرط، مما يؤدي إلى تعطل المحرك، أو على العكس من ذلك، يؤدي إلى عدم كفاية الطاقة وانبعاثات الدخان الأسود وزيادة الانبعاثات الضارة.
نصائح فنية:
على الرغم من أن محركات الديزل للشاحنات المزودة بشواحن توربينية ذات هندسة ثابتة- تم تصميمها لتحقيق أعلى كفاءة للغاز عند ذروة عزم الدوران، فإن معظم محركات الديزل الأخرى التي تستخدم شواحن توربينية ذات هندسة ثابتة- (مثل المعدات الثقيلة أو مجموعات المولدات غير-) تحقق ذلك عادةً بالسرعة المقدرة (الطاقة القصوى). في هذه التطبيقات، تظل الشواحن التوربينية- ذات الهندسة الثابتة شائعة ويتم تحسينها عادةً لظروف التشغيل-الكاملة السرعة-الطاقة العالية.
شاحن توربيني ذو هندسة متغيرة
يمكن تلخيص الهدف من الشاحن التوربيني ذو الهندسة المتغيرة على النحو التالي:
• عندما يكون حمل المحرك منخفضًا، اجعل التوربين يستجيب بسرعة مثل الشاحن التوربيني الصغير.
• عندما يكون حمل المحرك مرتفعا، اجعل التوربين يوفر دفعة كافية مثل الشاحن التوربيني الكبير.
يمكن للشواحن التوربينية الحديثة التي يتم التحكم فيها بواسطة وحدة التحكم الإلكتروني (ECM) تحقيق جميع الأهداف المذكورة أعلاه والتنظيم الدقيق لجميع المراحل الوسيطة، وبالتالي توفير سرعات استجابة أسرع (تقليل التباطؤ التوربيني) وانبعاثات أقل. تجمع بعض الشواحن التوربينية الحالية أيضًا بين استخدام صمامات تجاوز العادم الخارجية والأشكال الهندسية الداخلية المتغيرة لإدارة ضغط التعزيز ضمن نطاق أوسع من السرعات والأحمال.
• نوع التحكم في صمام تجاوز غاز العادم
لقد تم استخدام الشاحن التوربيني من نوع صمام تجاوز غاز العادم لسنوات عديدة. مبدأ عمله هو: من خلال "الصمام"، يتم التحكم في تدفق غاز العادم بالكامل عبر غلاف التوربين، أو يتم تمرير جزء من غاز العادم مباشرة إلى نظام العادم. في الوقت الحاضر، هناك طريقتان رئيسيتان للتحكم:
• التحكم الهوائي: يعتمد تشغيل الصمام الالتفافي على ضغط مشعب السحب. عادة، يتم اعتماد خزان المحرك مع الزنبرك. بشكل افتراضي، تسمح الحالة المغلقة لغاز العادم بالتدفق بالكامل عبر التوربين. عندما يصل ضغط تعزيز المشعب إلى القيمة المحددة، يتغلب الضغط على قوة الزنبرك لدفع قضيب العمل، مما يفتح الصمام لتجاوز جزء من غاز العادم.
• التحكم الإلكتروني: يتم التحكم فيه عن طريق محرك ECM. على سبيل المثال، تستخدم بعض المحركات توربينات تجاوز العادم ذات منافذ سحب مزدوجة. تدير وحدة التحكم الإلكترونية (ECM) بدقة الضغط الذي يعمل على المشغل من خلال صمامات الملف اللولبي والضغط المشعب، مما يحقق تنظيم التعزيز متعدد -المراحل. يمكن تلخيص مبدأ التحكم الخاص بها كآلية تحكم مركبة من "التحكم الإلكتروني - الكهربائي - هوائي".
• توربينات ذات هندسة متغيرة ذات تحكم حلزوني
لقد تم اعتماد الشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة ذات التحكم الحلزوني على نطاق واسع في محركات الديزل اليوم. تستخدم محركات السباق فوهات ذات فتحة متغيرة للتحكم في منطقة تدفق الحلزون لسنوات عديدة، وقد استعارت محركات الديزل هذه التقنية. ظهر أول شاحن توربيني ذو تحكم حلزوني تم تطبيقه على محركات الديزل في أوائل التسعينيات، وحقق نجاحًا أوليًا محدودًا. لكن في الوقت الحاضر، فضلت الغالبية العظمى من الشركات المصنعة لمحركات الديزل اعتماد تقنية حلزونية متغيرة بدلاً من الشاحن التوربيني التقليدي لصمام تجاوز العادم. على سبيل المثال، يعتبر التوربين ذو الهندسة المتغيرة (VGT) المثبت على محرك Paccar MX13 الموضح في الشكل 12-11 ممثلًا نموذجيًا. لتوضيح مبدأ عمل التوربين ذو الهندسة المتغيرة، سنأخذ الشاحن التوربيني ذو التحكم الحلزوني النموذجي الموضح في الشكل 12-12 كمثال للتوضيح.
الشكل 12-11 التوربين ذو الهندسة المتغيرة (VGT) المستخدم في محرك Paccar MX13
الشكل 12-12 منظر مقطعي للتوربين ذي الهندسة المتغيرة (VGT)، مع التركيز على مشغله
شاحن توربيني ذو فوهة متغيرة
يوضح الشكل 12-12 عرضًا مقطعيًا لشاحن توربيني نموذجي ذو فوهة متغيرة. يرجى الرجوع إلى الشكل 12-13 لتحديد المكونات الرئيسية مثل التوربين، والترس الصغير، وشفرة الفوهة، والحلقة المتزامنة.
الشكل 12-13 مبدأ عمل مكونات الشواحن التوربينية VN.
يقوم الشاحن التوربيني ذو الفوهة المتغيرة بتوليد الضغط المعزز المطلوب عن طريق ضبط زاوية الشفرة لتغيير منطقة التدفق الحلزوني. يتم تحقيق هذه العملية من خلال ضغط الزيت الذي يعمل على المكبس، والذي يتشابك مع ترس CAM وعمود الكرنك، وبالتالي يدفع الحلقة المتزامنة إلى الدوران. تدعم الحلقة المتزامنة جميع مجموعات الشفرات. تم تجهيز كل شفرة بأخدود حلزوني. عندما يتغير موضع دوران الحلقة المتزامنة، تدور الشفرة باستخدام عمود الدبوس الخاص بها كنقطة ارتكاز، وبالتالي تحقيق الضبط المتزامن لزاوية ميل الشفرة. من خلال هذه الآلية، يمكن زيادة أو تقليل مساحة تدفق الحلزوني (جانب السحب)، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة الغاز داخل مبيت التوربين. باختصار، تحدد منطقة تدفق الحلزوني سرعة التوربين وفي النهاية الضغط المعزز الناتج عن ضاغط التوربين.
التحكم في الفوهة المتغيرة
يتم تنظيم الشاحن التوربيني ذو الفوهة المتغيرة بواسطة صمام التحكم في الفوهة المتغيرة. صمام التحكم هذا عبارة عن مشغل تناسبي تتم إدارته بواسطة وحدة التحكم في المحرك، وهو قادر على تحويل إشارة الإدخال الحالية إلى موضع حلقة المكبس المحدد. عندما تكون الشفرات قريبة من الوضع المغلق (لن تكون الشفرات مغلقة تمامًا أبدًا)، يقوم الشاحن التوربيني بتوليد أقصى ضغط معزز. تعتمد إدارة الهواء المضغوط بشكل كامل على موضع الشفرات، حيث تحدد زاوية الشفرة بشكل مباشر الطريقة التي يعمل بها غاز العادم على التوربين. يوضح الشكل 12-14 كيف يدفع ضغط الزيت حلقة المكبس إلى تشغيل CAM وآلية الكرنك، مما يتسبب في دوران الحلقة المتزامنة في اتجاه عقارب الساعة، وبالتالي توسيع الشفرات وتقليل كفاءة الغاز في التوربين.
الشكل 12-14 الشاحن التوربيني VN: قم بزيادة فتحة الشفرة لتقليل كفاءة التوربين.
عندما يدفع ضغط الزيت المكبس للانتقال إلى اليسار (الشكل 12-15)، تدور الحلقة المتزامنة عكس اتجاه عقارب الساعة، مما يؤدي إلى ضبط الشفرات على زاوية قريبة من الوضع المغلق، مما يعزز كفاءة التوربين لتوفير أقصى قدر من الدعم. يمكن الإشارة إلى عملية العمل هذه في الشكل 12-16.
الشكل 12-15 الشاحن التوربيني VN: قم بتقليل فتحة الشفرة لتحقيق أقصى قدر من التعزيز.
الشكل 12-16 دور الحلقة المتزامنة في التحكم في فتح الشفرة.
يتم تغذية سرعة دوران الشاحن التوربيني ذو الفوهة المتغيرة مرة أخرى إلى وحدة التحكم في المحرك من خلال مستشعر السرعة المحورية استنادًا إلى مبدأ مولد النبض التعريفي. يتم أخذ إشارة الزناد من الهيكل المستوي في موضع محدد على عمود التوربين.
3. التوربينات الحلزونية الانزلاقية
هيكل حلزوني متغير آخر تم اعتماده بواسطة شواحن توربينية Cummins Honicell: يتم ضبط منطقة التدفق عن طريق تحريك حلقة الانزلاق عبر مشغل VG. هدفها هو نفس هدف توربينات كاتربيلر VN، ولكن طريقة تحقيقها مختلفة قليلاً. يوضح الشكل 12-17 وحدة مشغل VG النموذجية المستخدمة في المحركات بعد عام 2010.
الشكل 12-17: وحدة المحرك VG المستخدمة في محرك نموذجي بعد 10 سنوات.