Informacje na temat turbosprężarek MAHLE Original i podzespołów.

Konstrukcja i sposób działania turbosprężarki

Nasze turbosprężarki spełniają najwyższe wymagania.

Prędkość obrotowa powyżej 300 000 obr./min, temperatura spalin powyżej 1000°C.

Materiał musi sprostać różnym potrzebom i osiągać przy tym wysoką sprawność. Aby dokonać tego w szerokim spektrum charakterystyk, konieczna jest najwyższa kompetencja konstrukcyjna w połączeniu z maksymalnie wysoką precyzją produkcji. Firma MAHLE opracowała w tym celu nowy proces, integrujący rozwój i produkcję.

Po przeprowadzeniu najnowocześniejszych symulacji, skomplikowanych testów i zrealizowaniu produkcji sterowanej komputerowo warsztaty otrzymują turbosprężarki najwyższej jakości. Wyróżniają się one doskonałymi parametrami odlewu i dokładnym wyważeniem. Zgodnie z oczekiwaniami stawianymi firmie MAHLE.

Materiały: dla bezpieczeństwa osób, silnika i środowiska naturalnego – tylko to, co najlepsze

Elementy korpusu turbosprężarki są odlane ze sprawdzonego aluminium lub stali, turbiny natomiast składają się z materiałów odpornych na wysokie temperatury.

W połączeniu z przemyślaną konstrukcją gwarantuje to bardzo dobre właściwości. Ale oczywiście możliwe są ciągłe usprawnienia: zespół inżynierów ds. produktów i procesów nieustannie pracuje nad dalszym rozwojem procesów produkcyjnych, montażowych i kontrolnych. Np. przy obróbce skrawaniem z wysoką prędkością, przy technice łączenia, technice wyważania czy powlekania płynnymi i stałymi materiałami.

Proces wyważania roboczego symuluje różne stany robocze i wykrywa niewyważenia dynamiczne.

Wał i wirnik turbiny składają się z różnych materiałów: spawanie strumieniem elektronów pozwala osiągać inżynierom z firmy MAHLE niezwykle dokładne i niezawodne połączenie.

Gotowa do pracy: turbosprężarka MAHLE Original

Moc silnika spalinowego zależy w dużym stopniu od ilości powietrza dostępnego w procesie spalania. Turbosprężarka stosowana jest w celu jego zwiększenia:

wykorzystuje ona energię spalin do sprężania zasysanego powietrza, aby dostarczyć do silnika większą masę powietrza i tym samym więcej tlenu w celu zapewnienia skuteczniejszego spalania.

Turbodoładowanie z wykorzystaniem spalin do napędu turbosprężarki umożliwia zwiększenie maksymalnego momentu obrotowego i mocy maksymalnej (przy niezmienionej pojemności skokowej) lub podwyższenie średniego ciśnienia w cylindrze bez wykorzystania mocy mechanicznej silnika, co odbywa się np. przy doładowaniu mechanicznym z wykorzystaniem sprężarki. Wzrost ten umożliwia zastosowanie silnika o większej mocy przy praktycznie tych samych wymiarach, jak jego poprzednik bez turbodoładowania. Lub – co jest obecnym trendem – umożliwia realizację koncepcji downsizingu, pozwalających na obniżenie zużycia paliwa i emisji CO2 bez spadku mocy.

Dalszy rozwój turbodoładowania z wykorzystaniem spalin: inżynierowie stawiają na turbosprężarkę.

Przyszłościowe turbosprężarki doładowujące napędzane spalinami, wykorzystują potencjał do zwiększenia sprawności, charakterystyki pracy i ograniczenia emisji hałasu. W ten sposób możliwe jest zmniejszenie zużycia paliwa i tym samym emisji CO2. Dzięki dalszemu rozwojowi techniki doładowywania popularność silników z turbodoładowaniem będzie stale wzrastać. W kolejnej dekadzie silnik spalinowy utrzyma swoją dominującą pozycję względem napędów alternatywnych.

Budowa i funkcja podzespołów

Regulacja ciśnienia doładowania

Turbosprężarki doładowujące napędzane spalinami pozwalają uzyskać wysoki moment obrotowy silnika (Low End Torque) już przy niskiej prędkości obrotowej silnika i niewielkim przepływie masowym spalin.

Aby turbosprężarka doładowująca napędzana spalinami nie przeładowała silnika przy większej prędkości obrotowej, udostępniono sterowanie ciśnienia doładowania.

Ponadto turbosprężarki doładowujące napędzane spalinami oferują możliwość „overboostu”. Pod tym pojęciem rozumiane jest krótkotrwałe podwyższenie ciśnienia doładowania, na przykład podczas przyspieszania.

Przy wysokich prędkościach obrotowych silnika upust spalin kieruje prąd cząstkowy spalin przy turbinie. W ten sposób zmniejsza się strumień spalin przez turbinę, a przeciwciśnienie spalin spada. Przy niskich prędkościach obrotowych upust spalin zamyka się, a cały strumień spalin napędza turbinę i tym samym sprężarkę.

Portfolio produktów zawiera regulację ciśnienia doładowania upustu spalin do wszystkich silników wysokoprężnych i z zapłonem iskrowym do mocy 560 kW. Regulacja ciśnienia doładowania upustu spalin wyróżnia się żywotnością przy dobrej funkcjonalności.

Mechanizm zmiennej geometrii turbin reguluje ciśnienie doładowania dzięki przestawnym łopatkom kierującym niezależnie od prędkości obrotowej silnika. Aby zapewnić wysokie ciśnienie doładowania przy niskich prędkościach obrotowych, łopatki kierujące ustawiane są na wąski przekrój wejściowy. Prowadzi to do wysokiej prędkości strumienia spalin. Zwiększona energia kinetyczna spalin jest przenoszona na turbinę i podwyższa prędkość obrotową.

Przy wysokich prędkościach obrotowych silnika łopatki kierujące zezwalają na duży przekrój wejściowy, a strumień spalin działa z mniejszą prędkością na wnętrze łopatek turbiny.

Turbina spalinowa

Turbinę spalinową tworzy wirnik turbiny wraz z korpusem turbiny, upustem spalin lub VTG.

Gorące spaliny są spiętrzane przez turbinę i przekształcane w niej w energię kinetyczną. Turbina osiąga przy tym przyspieszenie do 300 000 obrotów na minutę. Spaliny napływają do turbiny w kierunku promieniowym, a wypływają w kierunku osiowym.

Geometria turbiny (wirnik i korpus turbiny) wraz z upustem spalin lub VTG jest optymalnie i indywidualnie dopasowana do wymagań silnika. Do dyspozycji użytkowników dostępne są komercyjne oraz samodzielnie opracowane narzędzia programistyczne, które umożliwiają natychmiastowedostosowanie do odpowiednich potrzeb.

Korpus turbiny

Odpowiedni korpus turbiny do dowolnego zastosowania:

  • standardowy jednostrumieniowy korpus turbiny (Mono Flow)
  • dwustrumieniowe korpusy turbiny (Twin Flow)
  • korpus turbiny ze zintegrowanym kolektorem wydechowym

W zakresie najwyższych wymagań temperaturowych silników z zapłonem iskrowym (>1000°C) oferowane są niezwykle wytrzymałe materiały odporne na działanie wysokich temperatur.

Dwustrumieniowe korpusy turbiny (Twin Flow)

Aby uniknąć wzajemnego oddziaływania strumieni spalin przy zmianie ładowania, spaliny kierowane są przez cylindry oddzielnie do korpusu turbiny w dwóch osobnych kanałach spalinowych. Aby uniknąć spadku entalpii spalin, turbinę można umieścić blisko zaworów wydechowych. Prowadzi to do doskonałej sprawności turbiny oraz dobrej charakterystyki pracy silnika.

Sprężarka

Sprężarka składa się z wirnika sprężarki, dyfuzora i obudowy.

Podobnie jak turbina spalinowa, również sprężarka dopasowana jest w sposób optymalny i właściwy dla danego silnika. Wirnik sprężarki odśrodkowej przenosi dużą część energii kinetycznej udostępnionej przez turbinę do przepływu powietrza.

W dyfuzorze w obudowie sprężarki prowadzi to do pożądanego zwiększenia ciśnienia. Stosowane są niezwykle wytrzymałe i ekstremalnie wierne formie frezowane wirniki sprężarki ze specjalnych stopów aluminiowych. Tym samym możliwe jest zapewnienie wysokich przyspieszeń i poprawa parametru Low End Torque. Równomierna geometria kół umożliwia znaczne ograniczenie odgłosów pulsacyjnych.

W przypadku wyższych wymagań odnośnie zużycia na wirnik sprężarki możliwe jest zastosowanie odpowiedniej powłoki. Może być to konieczne np. przy stosowaniu niskociśnieniowego układu recyrkulacji spalin.

Obudowa sprężarki

Obudowa sprężarki jest konsekwentnie optymalizowana wg kryteriów aerodynamicznych. W celu rozszerzenia użytecznego obszaru roboczego oferowane są opcjonalne środki. W związku z tym opracowano układy recyrkulacji, stabilizujące właściwości sprężarki.