the selection of optimal control system of a turbocharger with a

the selection of optimal control system of a turbocharger with a

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2005, vol. 12, 3-4
THE SELECTION OF OPTIMAL CONTROL SYSTEM OF A
TURBOCHARGER WITH A CHANGEABLE GEOMETRY OF A
TURBINE GUIDE APPARATUS
Jerzy Jaskólski
Marcin Szczepka
Politechnika Krakowska
31-155 Kraków
ul. Warszawska 24
tel.012 6283684
e-mail [email protected]
Paweá Mikoda
Politechnika ĝląska
Katowice
ul. KrasiĔskiego 8
Abstract
The article presents the way of selection the optima control system of a turbocharger with a overpressure servo
that uses a changeable geometry of a turbine guide apparatus for limiting the maximal supercharging pressure
DOBÓR OPTYMALNEGO UKàADU STEROWANIA
TURBOSPRĉĩARKĄ O ZMIENNEJ GEOMETRII KIEROWNICY
TURBINY
Streszczenie
W artykule przedstawiono sposób doboru optymalnego ukáadu sterowania turbosprĊĪarką z siáownikiem
nadciĞnieniowym wykorzystującym zmienną geometriĊ kierownicy turbiny do ograniczenia maksymalnego
ciĞnienia doáadowania.
1. Wprowadzenie
TurbosprĊĪarki o zmiennej geometrii do niedawna byáy rzadko spotykanym i drogim
rozwiązaniem konstrukcyjnym turbodoáadowania, jednakĪe rosnące wymagania norm emisji
toksycznych skáadników spalin oraz wymagania uĪytkowników, spowodowaáy gwaátowny
rozwój i spowszednienie tych urządzeĔ. Obecnie wszystkie wysokiej klasy, wysilone silniki
wysokoprĊĪne wyposaĪone są w turbosprĊĪarki o zmiennej geometrii kierownicy turbiny
realizowanej za pomocą nastawnych áopatek turbiny, zaĞ w silnikach taĔszych i sáabszych
coraz popularniejsze są ukáady o zmiennej geometrii realizowanej za pomocą ruchomej
przesáony kierownicy turbiny.
135
Rys. 1. Widok poglądowy turbosprĊĪarki o regulowanych áopatkach kierownicy turbiny
Fig 1. General view of a turbocharger with a control blades guide apparatus
1
2
Rys. 2. Kolejne etapy pracy áopatek kierownicy turbiny (opis w tekĞcie)
Fig. 2. Successive stages of guide apparatus blades running
136
3
Generalna zasada dziaáania turbiny o zmiennej geometrii kierownicy polega na zawĊĪaniu
kanaáów, którymi spaliny wpadają na wirnik celem zwiĊkszenia ich prĊdkoĞci (rys. 2, poz. 1).
Ma to miejsce w sytuacji niedoboru spalin przy niskim obciąĪeniu silnika. Gdy wydatek
spalin jest duĪy, kanaáy kierownicy turbiny zostają rozszerzone, aby nie dopuĞciü do
nadmiernych obrotów wirnika (rys. 2, poz. 2 i 3) i nadmiernego wzrostu ciĞnienia
doáadowania.
RównieĪ w stanach nieustalonych, przy niedostatecznym wydatku spalin (w sytuacji
gwaátownego przyĞpieszania z niskich obrotów) nastĊpuje szybkie zawĊĪenie kanaáów
kierownicy turbiny a dziĊki temu turbosprĊĪarka jest w stanie dostarczyü odpowiednią iloĞü
powietrza. Turbina o regulowanych áopatkach kierownicy zapewnia ponadto, Īe spaliny
wpadają na wirnik pod optymalnym kątem poprawiając sprawnoĞü caáej turbosprĊĪarki.
2. Ukáady sterowania turbosprĊĪarkami o zmiennej geometrii
MoĪna stosowaü nastĊpujące ukáady sterowania turbosprĊĪarkami o zmiennej geometrii:
1. siáownik nadciĞnieniowy zasilany ciĞnieniem z kolektora dolotowego,
2. siáownik podciĞnieniowy sterowany poprzez elektroniczny kontroler silnika,
3. siáownik elektryczny sterowany poprzez elektroniczny kontroler silnika.
Pierwsze z tych rozwiązaĔ w zasadzie juĪ nie wystĊpuje, poniewaĪ turbosprĊĪarek o
zmiennej geometrii nie stosuje siĊ w silnikach bez elektronicznego sterowania. Rozwiązanie
to ma jednak pewne zalety: niesáychana prostota i w peáni automatyczne dziaáanie, niezaleĪne
od innych niĪ ciĞnienie doáadowania parametrów regulacyjnych. Podstawową zaĞ jego wadą
jest zbyt prosta charakterystyka. Siáownik podciĞnieniowy jest obecnie najpopularniejszym
urządzeniem sterującym turbosprĊĪarką o zmiennej geometrii. Ma on moĪliwoĞü uzyskania
dowolnej charakterystyki zaleĪnej jedynie od kontrolera silnika. Minusem tego rozwiązania
jest koniecznoĞü wytworzenia podciĞnienia (zazwyczaj i tak jest ono wytwarzane na potrzeby
ukáadu hamulcowego) oraz zbyt powolne dziaáanie. ĩadnej z tych wad nie ma najnowsze
rozwiązanie – siáownik elektryczny. Pozwala on uzyskaü dowolną charakterystykĊ i dziaáa
bardzo szybko i precyzyjnie (posiada czujnik poáoĪenia). Minusem tego rozwiązania są
wysokie wymagania dotyczące elementów elektrycznych i elektronicznych (niskie i wysokie
temperatury, drgania, trwaáoĞü).
Jak widaü, siáownik elektryczny sterowany poprzez elektroniczny kontroler silnika jest
obecnie najlepszym i najbardziej obiecującym rozwiązaniem. Pozwala on na dokáadne i
natychmiastowe dostosowanie siĊ silnika do warunków. Szczególnie widoczne jest to w
stanach nieustalonych, gdzie kontroler elektroniczny natychmiast przestawia kierownicĊ
turbiny po otrzymaniu sygnaáu od czujnika poáoĪenia pedaáu przyspieszenia.
3. Dobór turbosprĊĪarki i ukáadu sterowania
Dobór turbosprĊĪarki o zmiennej geometrii jest zadaniem dosyü skomplikowanym i
wymagającym duĪo analiz i badaĔ stanowiskowych, ponadto jest o tyle trudniejszy od doboru
standardowej turbosprĊĪarki, Īe pojawia siĊ kolejny parametr regulacyjny (ustawienie
kierownicy turbiny). JednakĪe, dziĊki zmiennej geometrii, turbosprĊĪarki takie mają szerszy
zakres stosowania, ze wzglĊdu na moĪliwoĞü poprawnej pracy przy znacznie wiĊkszej
rozpiĊtoĞci wydatku spalin.
W trakcie badaĔ silnika Andoria 4CT107 wyposaĪonego w turbosprĊĪarkĊ o zmiennej
geometrii firmy Garrett przeprowadzonych na hamowni IPSiSS PK, mających na celu
137
dostosowanie silnika do wymagaĔ normy Euro 4, postanowiono opracowaü optymalny ukáad
sterowania turbosprĊĪarką.
W celu zaprojektowania optymalnego sterownika turbosprĊĪarki w miejsce siáownika
sterującego zamontowano ĞrubĊ regulacyjną (rys. 3). Na podstawie pomiarów oryginalnego
siáownika podciĞnieniowego, okreĞlono, Īe jego maksymalny skok wynosi 8 mm. Skok ten
zostaá podzielony na osiem staáych, równych poáoĪeĔ, jednoznacznie ustalonych za pomocą
Ğruby regulacyjnej. NastĊpnie dla kaĪdego z ustalonych poáoĪeĔ kierownicy turbiny zdjĊto
charakterystykĊ zewnĊtrzną silnika. Wyniki tych badaĔ przedstawia wykres na rys. 2
Rys. 3. ĝruba regulacyjna zainstalowana na turbosprĊĪarce
Fig. 3.Adjusment screw installed in turbocharger
Rys. 4. Charakterystyka zewnĊtrzna silnika Andoria 4CT107 wyposaĪonego w turbosprĊĪarkĊ o zmiennej
geometrii firmy Garrett dla oĞmiu kolejnych poáoĪeĔ kierownicy turbiny
Fig 4. External characteristic of Andoria 4CT107 engine equipped in Garrett turbocharger with a changeable
geometry in successive eighth turbine guide apparatus position
138
Tak uzyskane wyniki zostaáy poddane analizie mającej na celu ustalenie charakterystyki
optymalnego ukáadu sterowania turbosprĊĪarką. Ze wzglĊdu na prostotĊ silnika
zadecydowano, Īe podstawowym parametrem regulacyjnym bĊdzie ciĞnienie doáadowania, a
ukáad sterujący wyposaĪony bĊdzie w siáownik nadciĞnieniowy. Kryterium wyboru danego
punktu charakterystyki byáo uzyskanie przez silnik najwyĪszej mocy i momentu obrotowego
przy jednoczesnym zachowaniu moĪliwie maáego jednostkowego zuĪycia paliwa.
Na podstawie analizy wyników badaĔ ustalono, Īe naleĪy zastosowaü regulator
nadciĞnieniowy o liniowej charakterystyce pracujący w zakresie 0,8 1,1 bar. Takie
ograniczenie ciĞnienia doáadowania jest celowe ze wzglĊdu na trwaáoĞü silnika. Na podstawie
symulacji przebiegu krzywej momentu obrotowego dla tak dobranego regulatora moĪna
stwierdziü, Īe pomimo znacznie mniejszego ciĞnienia doáadowania, charakterystyka pozostaje
korzystna. Obrazuje to wykres na rys. 5.
Rys. 5. Symulacja charakterystyki momentu obrotowego i projektowanego regulatora nadciĞnieniowego
Fig 5. Torque and designed overpressure controller characteristic simulation
Jak widaü na wykresie, charakterystyka regulatora jest niemal liniowa, zaĞ ciĞnienie
doáadowania nie przekracza 1,1 bar. Regulator dziaáa od 0,8 bar, na wykresie zaznaczono to
kolorem czerwonym.
4. Wnioski
Podczas badaĔ wyznaczono seriĊ charakterystyk, na których podstawie zostaá
zaprojektowany ukáad sterujący z siáownikiem nadciĞnieniowym wykorzystującym zmienną
geometriĊ kierownicy turbiny do ograniczenia maksymalnego ciĞnienia doáadowania. W toku
dalszych badaĔ zostanie on wykonany i przetestowany.
Literatura
[1] Mysáowski J., Doáadowanie silników, WKà, Warszawa 2002.
[2] KordziĔski Cz., ĝrodulski T., Silniki spalinowe z turbodoáadowaniem, WNT, Warszawa
1970.
139
[3] Wajand J.A., Wajand J.T., Táokowe silniki spalinowe – Ğrednio- i szybkoobrotowe,
WNT, Warszawa 1993.
[4] Wajand J.A., Wajand J.T., Doáadowanie táokowych silników spalinowych, WNT,
Warszawa 1962.
[5] Niewiarowski K., Táokowe silniki spalinowe Tom I, WKà, Warszawa 1993.
140