Регуляторы наддува турбодвигателей: принцип работы и особенности
Boost controller
Регулировка наддува: буст-контроллеры для турбодвигателей. Увеличение давления турбины, обман wastegate, электронное управление – принцип работы и назначение.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
В турбонаддувных двигателях внутреннего сгорания контроллер наддува — это устройство, которое иногда используется для повышения давления наддува, создаваемого турбокомпрессором. Он достигает этого, снижая давление, воздействующее на перепускной клапан.
In turbocharged internal combustion engines, a boost controller is a device sometimes used to increase the boost pressure produced by the turbocharger. It achieves this by reducing the boost pressure seen by the wastegate.
Операция
Целью контроллера наддува является снижение давления наддува, поступающего в референсный порт перепускного клапана, чтобы заставить перепускной клапан допускать более высокое давление наддува, чем предусмотрено конструкцией. Многие контроллеры наддува используют игольчатый клапан, который открывается и закрывается электрическим соленоидом. Изменяя ширину импульса, подаваемого на соленоид, можно регулировать процент времени, в течение которого соленоидный клапан находится в открытом состоянии. Это эффективно изменяет расход давления воздуха через клапан, регулируя количество воздуха, которое сбрасывается, вместо того чтобы поступать в референсный порт перепускного клапана. Для соленоидов может потребоваться установка дросселей малого диаметра в линиях управления воздухом для ограничения воздушного потока и сглаживания характера их работы. Двухпортовые системы сброса давления с PID-контроллером часто встречаются в автомобилях с заводским турбонаддувом. Альтернативным решением является использование шагового двигателя. Эти конструкции обеспечивают точный контроль воздушного потока на основе положения и скорости двигателя, но могут иметь ограниченную общую пропускную способность. Некоторые системы используют соленоид в сочетании с шаговым двигателем, где шаговый двигатель обеспечивает точное управление, а соленоид – грубое.
The purpose of a boost controller is to reduce the boost pressure seen by the wastegate's reference port, in order to trick the wastegate into allowing higher boost pressures than it was designed for. Many boost controllers use a needle valve that is opened and closed by an electric solenoid. By varying the pulse width to the solenoid, the solenoid valve can be commanded to be open a certain percentage of the time. This effectively alters the flow rate of air pressure through the valve, changing the amount of air that is bled out instead of going to the wastegate's reference port. Solenoids may require small diameter restrictors be installed in the air control lines to limit airflow and even out the on/off nature of their operation. Two port solenoid bleed systems with a PID controller tend to be common on factory turbocharged cars. An alternative design is to use a stepper motor. These designs allow fine control of airflow based on position and speed of the motor, but may have low total airflow capability. Some systems use a solenoid in conjunction with a stepper motor, with the stepper motor allowing fine control and the solenoid coarse control.
Преимущества
Удерживая перепускной клапан в закрытом положении большую часть времени, регулятор наддува направляет больше выхлопных газов через турбокомпрессор, тем самым уменьшая турбояму и снижая порог наддува.
By keeping the wastegate in a closed position more often, a boost controller causes more of the exhaust gas to be routed through the turbocharger, thus reducing turbo lag and lowering the boost threshold.
Недостатки
Независимо от эффективности контроллера наддува, слишком мягкие пружины актуатора перепускного клапана могут привести к тому, что перепускной клапан откроется раньше желаемого. Это происходит из-за противодавления выхлопных газов, которое давит на сам перепускной клапан, вызывая его открытие независимо от работы актуатора. Поэтому существует верхний предел эффективности контроллера наддува для заданной жесткости пружины в актуаторе перепускного клапана. Чтобы предотвратить превышение давления наддува в случае неисправности, контроллер наддува должен быть спроектирован таким образом, чтобы в случае отказа он не приводил к снижению давления. Например, контроллер наддува с соленоидным управлением должен направлять весь воздух к перепускному клапану, когда он находится в обесточенном состоянии (типичный режим отказа для соленоида). В противном случае контроллер может заклинить в положении, при котором давление наддува не достигает перепускного клапана, что приведет к быстрому и неконтролируемому росту давления. Кроме того, электронные системы, дополнительные шланги, соленоиды и системы управления увеличивают стоимость и сложность. Тем не менее, в последнее время большинство автопроизводителей используют контроллеры наддува в своих турбированных двигателях.
Regardless of the effectiveness of the boost controller, wastegate actuator springs that are too soft can cause the wastegate to open before desired. This due to the exhaust gas backpressure pushing against the wastegate valve itself, causing the valve to open of the actuator at all. Therefore, there is an upper limit to the effectiveness of a boost controller for a given spring stiffness in the wastegate actuator. To prevent excessive boost pressures in the event of a failure, the boost controller needs to be designed such that failure mode do not result in any pressure being bled off. For instance, a solenoid type boost controller should direct all air to the wastegate when it is in the non energized position (the common failure mode for a solenoid). Otherwise, the boost controller could get stuck in a position that lets no boost pressure reach the wastegate, causing boost to quickly rise out of control. Also, the electronic systems, extra hoses, solenoids and control systems add cost and complexity. Nonetheless, in recent times most automobile manufacturers use boost controllers on their turbocharged engines.
Альтернативы
В прошлом давление наддува контролировалось путем ограничения или сброса части поступающего воздуха до того, как он достигнет впускного коллектора. Конструкции, ограничивающие поступающий воздух, могут использовать дроссельную заслонку во впуске для ограничения воздушного потока по мере приближения к желаемому уровню наддува. Конструкции, сбрасывающие воздух, функционировали аналогично клапану сброса давления, но постоянно, для поддержания необходимого давления наддува. Эти методы редко используются в современных системах из-за значительных потерь эффективности, увеличения тепловых потерь и снижения надежности. Турбокомпрессор с изменяемой геометрией может использоваться для управления уровнем наддува, устраняя необходимость во внешнем регуляторе наддува. Кроме того, сам перепускной клапан (wastegate) выполняет функцию, аналогичную регулятору наддува, поскольку он используется для управления давлением наддува турбокомпрессора.
In the past, boost pressures have been controlled by restricting or bleeding off some intake air before it reaches the intake manifold. Designs which restrict the intake air can use a butterfly valve in the intake to restrict airflow as desired boost is approached. Designs which bleed off the intake air functioned similar to a blowoff valve, but on a constant basis to maintain the desired boost pressure. These methods are rarely used in modern system due to the large sacrifices in efficiency, heat, and reliability. Variable geometry turbocharger can be used to manage boost levels, negating the need for an external boost controller. Also, the wastegate itself has a similar function to a boost controller, in that it is used to manage the turbocharger's boost pressure.