Linh kiện tăng áp là gì?

Các bộ phận của bộ tăng áp tăng áp bao gồm phần tuabin, phần máy nén và hệ thống ổ trục (CHRA) là ba bộ phận cốt lõi, cùng với các bộ phận hỗ trợ như cửa xả, van xả{0}}và vỏ cho phép bộ tăng áp nén khí nạp và tăng công suất động cơ.

Ba phần tăng áp chính

Mỗi hệ thống tăng áp được chia thành ba cụm cơ bản. Phần tuabin thu năng lượng khí thải, phần máy nén tạo áp suất cho khí nạp và cụm quay vỏ trung tâm kết nối chúng thông qua một trục và hệ thống ổ trục chính xác.

Kiến trúc phần tuabin

Cụm tuabin bao gồm bánh tuabin và vỏ tuabin phối hợp với nhau để lấy năng lượng từ khí thải. Bánh tuabin chuyển đổi áp suất khí thải và nhiệt thành lực quay, quay với tốc độ có thể vượt quá 250.000 vòng/phút trong các ứng dụng có hiệu suất cao. Bánh xe này gắn ở một đầu của trục tăng áp và nối trực tiếp với bánh xe máy nén ở đầu đối diện.

Thiết kế vỏ tuabin tác động đáng kể đến đặc tính hiệu suất. Vỏ dẫn khí thải về phía bánh tuabin thông qua buồng xoắn ốc. Hình dạng của vòng xoắn này, được đo bằng tỷ lệ A/R (diện tích chia cho bán kính), xác định tốc độ phản ứng của turbo so với mức công suất mà nó có thể hỗ trợ ở tốc độ RPM cao. A/R nhỏ hơn như 0,82:1 mang lại phản hồi nhanh hơn nhưng hạn chế luồng-đầu cuối, trong khi A/R lớn hơn chẳng hạn như 1,32:1 giúp giảm áp suất ngược ở tốc độ cao nhưng lại tăng độ trễ.

Bộ tăng áp có hình dạng thay đổi giới thiệu các cánh có thể điều chỉnh giữa bánh xoắn ốc và bánh tuabin. Các cánh gạt này thay đổi tỷ lệ A/R hiệu quả một cách linh hoạt, cho phép turbo tối ưu hóa hiệu suất trên toàn bộ phạm vi RPM. Các cánh gạt được sản xuất bằng quy trình sản xuất Đúc phun kim loại (MIM) tiên tiến có thể tạo ra các hình dạng phức tạp với dung sai chặt chẽ đến ± 0,015mm trong khi chịu được nhiệt độ liên tục khoảng 800 độ.

Linh kiện phần máy nén

Cụm máy nén nén không khí xung quanh trước khi đi vào động cơ. Ở giữa là bánh xe máy nén, thường được gia công từ hợp kim nhôm để giữ khối lượng quay ở mức thấp. Bánh xe này hút không khí qua đầu vào của máy nén và tăng tốc luồng khí đó-xoay luồng khí 90 độ dọc theo bề mặt cánh quạt trước khi ép nó vào vỏ máy nén.

Kích thước bánh xe máy nén xác định trực tiếp công suất luồng khí. Đường kính cảm ứng (được đo ở đầu lưỡi nơi không khí đi vào) thường dao động từ 45mm đến hơn 100mm tùy thuộc vào ứng dụng. Các nhà sản xuất thường tham chiếu turbo bằng phép đo này-một "turbo 88mm" có bộ cảm ứng máy nén 88mm. Bánh xe lớn hơn di chuyển nhiều không khí hơn nhưng cần nhiều năng lượng thải hơn để quay, tạo ra sự cân bằng cơ bản-giữa phản ứng và công suất tối đa.

Vỏ máy nén thu thập không khí có áp suất thoát ra khỏi bánh xe và hướng nó về phía cửa nạp động cơ. Bên trong vỏ, bộ phận khuếch tán làm chậm-không khí có vận tốc cao, chuyển đổi động năng thành áp suất tĩnh-độ tăng mà chúng tôi đo được. Vỏ máy nén cũng có tỷ lệ A/R riêng ảnh hưởng đến hiệu suất máy nén và đặc tính đột biến.

Hội đồng luân phiên nhà ở trung tâm (CHRA)

CHRA tạo thành lõi cơ khí của bất kỳ bộ tăng áp nào. Cụm này bao gồm chính vỏ trung tâm, trục tuabin nối cả hai bánh xe và hệ thống ổ trục đỡ trục. Vỏ trung tâm thường sử dụng kết cấu bằng gang hoặc nhôm với các đường dẫn tích hợp cho dòng dầu và chất làm mát.

Bên trong CHRA, hệ thống ổ trục quản lý các điều kiện vận hành khắc nghiệt. Trục quay với tốc độ đạt 230.000 vòng/phút trong khi hoạt động ở nhiệt độ gần 800 độ ở đầu tuabin và nhiệt độ dưới{4}}0 ở phía máy nén khi khởi động nguội. Các vòng bi này phải giảm thiểu ma sát đồng thời điều khiển chính xác chuyển động của trục theo cả hướng hướng tâm và hướng trục.

Hai công nghệ ổ trục thống trị các bộ tăng áp hiện đại. Vòng bi trục sử dụng màng dầu thủy động lực để treo trục mà không có sự tiếp xúc giữa kim loại-với-kim loại. Trục thực sự nổi trên dầu động cơ có áp suất trong khoảng hở ổ trục. Thiết kế-nổi hoàn toàn này cung cấp khả năng giảm chấn tuyệt vời nhưng yêu cầu lưu lượng dầu cao hơn và tạo ra nhiều ma sát hơn. Hệ thống ổ bi thay thế ổ trục bằng ổ bi tiếp xúc góc giúp giảm ma sát khoảng 50% so với ổ trục. Mức giảm này cho phép tua bin ổ bi quay nhanh hơn 15%, giảm đáng kể độ trễ turbo.

CHRA cũng chứa các thành phần bịt kín quan trọng. Các vòng đệm loại vòng pít-tông ở mỗi đầu của vỏ trung tâm ngăn không khí nạp và khí thải đi vào khoang ổ trục chứa đầy dầu. Những vòng đệm này phải đối mặt với một nhiệm vụ đầy thách thức-chúng phải bịt kín hiệu quả các khí dưới áp suất tăng trong khi vẫn hỗ trợ chuyển động của trục và tránh ma sát quá mức ở tốc độ quay cực cao.

Các thành phần hỗ trợ thiết yếu

Ngoài ba phần chính, một số bộ phận phụ trợ điều chỉnh hoạt động của bộ tăng áp và ngăn ngừa hư hỏng trong các điều kiện khắc nghiệt.

Hệ thống xả thải

Cửa xả kiểm soát áp suất tăng tối đa bằng cách bỏ qua khí thải xung quanh bánh tuabin. Nếu không có sự điều khiển này, turbo sẽ tiếp tục tăng tốc cho đến khi áp suất tăng vượt quá giới hạn động cơ an toàn hoặc cho đến khi có sự cố nghiêm trọng.

Cửa thải bên trong tích hợp trực tiếp vào vỏ tuabin. Một bộ truyền động khí nén được kết nối với van "nắp" sẽ mở một đường dẫn khi áp suất tăng đạt đến mức mục tiêu, chuyển dòng khí thải ra khỏi bánh tuabin. Cấu hình này giữ cho hệ thống nhỏ gọn và giảm độ phức tạp của hệ thống ống nước. Hơn 70% phương tiện tăng áp tại nhà máy sử dụng cửa xả bên trong nhờ ưu điểm về đóng gói và tính hiệu quả về chi phí-.

Cửa xả bên ngoài được gắn riêng trên ống xả hoặc đầu ống xả. Các thiết bị này cung cấp công suất và hiệu suất dòng chảy vượt trội, đặc biệt trong các ứng dụng có-mã lực cao vượt quá 600 mã lực bánh xe. Khí thải bỏ qua có thể được đưa trở lại hệ thống xả ở hạ lưu tuabin hoặc thoát trực tiếp ra khí quyển trong các ứng dụng đua xe. Cổng thải bên ngoài cung cấp khả năng kiểm soát tăng cường chính xác hơn nhưng làm tăng độ phức tạp và chi phí lắp đặt.

Van bypass máy nén

Van rẽ nhánh của máy nén-thường được gọi là van xả-hoặc van tuần hoàn-ngăn chặn sự đột biến của máy nén khi bướm ga đóng đột ngột. Trong quá trình vận hành-tăng tốc ở mức cao, việc đóng cánh ga sẽ tạo ra áp suất tăng vọt đẩy khí nén ngược lại qua bánh xe máy nén. Dòng chảy ngược này làm cho máy nén ngừng hoạt động và tăng vọt, tạo ra âm thanh rung đặc biệt và khiến ổ trục chịu tải trọng phá hủy.

Van bypass gắn giữa đầu ra của máy nén và thân ga. Nó sử dụng sự kết hợp giữa lực lò xo và tín hiệu áp suất để phát hiện việc đóng van tiết lưu, sau đó mở ra để xả hoặc tuần hoàn áp suất tăng áp bị mắc kẹt. Van xả{2}}khí quyển thông ra khí quyển với âm thanh "vù" đặc trưng, ​​trong khi van tuần hoàn dẫn không khí trở lại đầu vào máy nén để duy trì tỷ lệ nhiên liệu-không khí thích hợp trên xe có cảm biến luồng khí lớn.

Tích hợp bộ làm mát

Khí nén tạo ra nhiệt thông qua mối quan hệ nhiệt động giữa áp suất và nhiệt độ. Với mỗi mức tăng 20 psi, nhiệt độ khí nén có thể vượt quá 300 độ F trước khi vào động cơ. Không khí nóng này làm giảm mật độ và thúc đẩy quá trình phát nổ, hạn chế công suất và độ tin cậy.

Bộ làm mát khí nạp (gọi chính xác hơn là bộ làm mát khí nạp) giải quyết vấn đề này bằng cách làm mát khí nén trước khi nó đi vào đường ống nạp. Bộ làm mát không khí-đến{2}}không khí sử dụng luồng không khí xung quanh, trong khi thiết kế không khí-đến{4}}nước tuần hoàn chất làm mát thông qua bộ trao đổi nhiệt. Làm mát trung gian hiệu quả có thể giảm nhiệt độ không khí nạp xuống 150-200 độ F, tăng mật độ không khí lên 15-25% và cải thiện đáng kể công suất đầu ra cũng như độ an toàn của động cơ.

Sản xuất tiên tiến trong sản xuất bộ tăng áp

Các bộ phận của bộ tăng áp tăng áp hiện đại đòi hỏi độ chính xác cực cao và các vật liệu lạ. Các cánh có hình dạng thay đổi phải duy trì các biên dạng cánh máy bay trong phạm vi ±0,015mm khi tiếp xúc với khí thải ăn mòn ở 800 độ. Các phương pháp gia công và đúc truyền thống gặp khó khăn trong việc đáp ứng các yêu cầu này một cách kinh tế với khối lượng sản xuất vượt quá 100.000 chiếc mỗi năm.

Đúc phun kim loại đã cách mạng hóa việc sản xuất linh kiện tăng áp. MIM kết hợp luyện kim bột với kỹ thuật ép phun nhựa để tạo ra các bộ phận kim loại phức tạp cần gia công năm{1} trục hoặc không thể thực hiện được bằng phương pháp đúc khuôn thông thường. Quá trình này trộn bột kim loại mịn với chất kết dính nhựa nhiệt dẻo, bơm hỗn hợp vào các khuôn chính xác, loại bỏ chất kết dính thông qua quá trình gỡ rối, sau đó thiêu kết bộ phận ở nhiệt độ cao để đạt được các đặc tính cuối cùng.

Đối với các ứng dụng tăng áp, MIM cho phép sản xuất các bộ phận từ siêu hợp kim như Inconel 713 và 718 có độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa đặc biệt. Hơn 180 triệu cánh quạt tăng áp được sản xuất hàng năm bằng cách sử dụngtôi sản xuấtcông nghệ, với các nhà sản xuất báo cáo tiết kiệm 20% chi phí so với đúc chính xác. Công nghệ này cũng sản xuất bánh tuabin có hình dạng cánh tích hợp, cánh quạt máy nén có bề mặt cong phức tạp và các bộ phận cửa thải có bề mặt bịt kín chính xác mà trước đây không thể sản xuất được.

Lựa chọn vật liệu trên các thành phần

Vật liệu thành phần phản ánh môi trường hoạt động khắc nghiệt mà mỗi bộ phận phải tồn tại. Bánh xe tuabin thường sử dụng hợp kim Inconel hoặc siêu hợp kim gốc niken- khác có khả năng duy trì độ bền trên 700 độ . Một số ứng dụng-hiệu suất cao sử dụng bánh xe tuabin gốm giúp giảm 30% quán tính quay thông qua mật độ thấp hơn, cho phép cuộn-lên nhanh hơn, mặc dù bánh xe gốm thiếu khả năng chống va đập như các lựa chọn thay thế bằng kim loại.

Bánh xe máy nén sử dụng hợp kim nhôm, đặc biệt là dòng 2000 hoặc 6000-, mang lại tỷ lệ cường độ-trên-trọng lượng tuyệt vời cho môi trường máy nén tương đối mát mẻ. Các ứng dụng hiệu suất cao-ngày càng sử dụng bánh xe máy nén được gia công bằng phôi thay vì bánh xe đúc. Bánh xe phôi mang lại tính khí động học và sức mạnh vượt trội của lưỡi nhưng đòi hỏi thời gian gia công CNC kéo dài.

Vỏ trung tâm phải chịu được cả hai mặt của phổ nhiệt độ. Gang vẫn được ưa chuộng vì tính ổn định nhiệt, chi phí thấp và độ bền phù hợp. Các ứng dụng làm mát bằng nước thường sử dụng nhôm vì đặc tính truyền nhiệt vượt trội, mặc dù nhôm yêu cầu phần thành dày hơn để phù hợp với độ bền của gang.

Vật liệu ổ trục được phân chia thành hợp kim làm bằng đồng-cho ổ trục và gốm hoặc thép cho ổ bi. Hộp mực ổ bi hiệu suất cao-ngày càng sử dụng bóng gốm (thường là silicon nitride) có trọng lượng nhẹ hơn thép 60% trong khi vẫn mang lại khả năng chịu nhiệt độ cao hơn và khả năng chống mài mòn vượt trội.

Hệ thống nước và dầu

Bộ tăng áp phụ thuộc vào dầu động cơ để bôi trơn ổ trục và loại bỏ nhiệt. Dầu đi vào qua lỗ nạp dầu của vỏ trung tâm, chảy qua khoang ổ trục để bôi trơn và làm mát ổ trục, sau đó chảy ngược về chảo dầu qua đường hồi dầu. Hệ thống này phải đối mặt với những thách thức đặc biệt-dầu phải tiếp cận các ổ trục trong vòng vài giây kể từ khi khởi động khi turbo bắt đầu quay, tuy nhiên nhiệt độ dầu trong khoang ổ trục có thể vượt quá 300 độ F trong quá trình vận hành-tải cao liên tục.

Tua bin vòng bi yêu cầu lưu lượng dầu ít hơn đáng kể so với thiết kế vòng bi trục-thường ít hơn 50%. Yêu cầu lưu lượng giảm này khiến cho bộ hạn chế đầu vào dầu trở nên cần thiết khi áp suất dầu động cơ vượt quá 60 psi để tránh hư hỏng vòng bi do áp suất quá cao. Đường xả dầu phải duy trì nguồn cấp theo trọng lực mà không chạy ngang hoặc các đoạn dốc có thể cản trở việc thoát nước và gây ngập khoang ổ trục.

Làm mát bằng nước giải quyết vấn đề thấm ngược nhiệt-, hiện tượng nhiệt từ vỏ tuabin di chuyển vào vỏ trung tâm sau khi tắt động cơ. Nếu không có sự tuần hoàn chất làm mát, dầu dư trong vòng bi có thể đạt đến nhiệt độ luyện cốc (trên 400 độ F), để lại cặn carbon cứng làm tăng tốc độ mài mòn của vòng bi. Vỏ trung tâm được làm mát bằng nước-sử dụng chất làm mát động cơ như một khối nhiệt tiếp tục hấp thụ nhiệt thông qua hiệu ứng hút nhiệt ngay cả sau khi tắt máy, duy trì nhiệt độ khoang ổ trục dưới ngưỡng cốc hóa dầu.

Cấu hình hiệu suất chung

Việc lựa chọn bộ tăng áp bao gồm việc kết hợp kích thước máy nén và tuabin với dung tích động cơ, phạm vi RPM dự định và mức công suất mục tiêu. Động cơ 2.0L bốn{2} xi-lanh có công suất 400 mã lực yêu cầu kích thước turbo rất khác so với động cơ V8 5,0L có công suất 1.000 mã lực.

Nguyên tắc cơ bản không đổi: công suất động cơ tỷ lệ thuận với lưu lượng không khí và nhiên liệu. Động cơ hút khí tự nhiên hút không khí xung quanh ở áp suất khí quyển (khoảng 14,7 psi ở mực nước biển). Một động cơ tăng áp với áp suất tăng 20 psi (tuyệt đối là 34,7 psi) truyền khối lượng không khí nhiều hơn gấp đôi vào cùng một dung tích, cho phép đốt cháy nhiên liệu và sản xuất điện nhiều hơn tương ứng.

Cấu hình-turbo kép phân chia luồng khí thải giữa hai turbo nhỏ hơn thay vì sử dụng một turbo lớn duy nhất. Thiết kế-cuộn đôi bên trong một vỏ turbo đơn tách biệt các xung khí thải khỏi các xi-lanh được ghép nối để giảm thiểu nhiễu và cải thiện hiệu suất của tuabin. Hệ thống tăng áp kép-tuần tự sử dụng một turbo nhỏ để có phản hồi-RPM thấp và thêm một turbo lớn hơn ở tốc độ RPM cao hơn để có công suất tối đa. Mỗi cấu hình thể hiện sự cân bằng-giữa phản hồi, công suất tối đa, độ phức tạp của gói và chi phí.

Chế độ bảo trì và lỗi thường gặp

Tuổi thọ của bộ tăng áp phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng dầu và độ sạch. Dầu bị ô nhiễm hoặc thiếu dầu sẽ gây hư hỏng vòng bi trong vòng vài giây ở tốc độ vận hành. Khoảng thời gian bảo trì khuyến nghị gợi ý xây dựng lại hoặc thay thế CHRA trong khoảng từ 100.000 đến 150.000 dặm, mặc dù việc chăm sóc thích hợp có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng một cách đáng kể.

Các biện pháp bảo trì quan trọng bao gồm cho phép chạy không tải trong 30-60 giây trước khi lái xe để đảm bảo dầu đến ổ trục, chạy không tải trong 1-2 phút trước khi tắt máy sau khi lái xe chăm chỉ để nhiệt độ ổn định và sử dụng khoảng thời gian thay dầu do nhà sản xuất chỉ định. Tình trạng bộ lọc khí ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của bánh xe máy nén – các mảnh vụn lọt vào máy nén gây ra hiện tượng ăn mòn và mất cân bằng của lưỡi dao.

Cân bằng CHRA đại diện cho khía cạnh quan trọng nhất của việc xây dựng lại turbo. Ở tốc độ quay vượt quá 200.000 vòng/phút, ngay cả sự mất cân bằng vi mô cũng tạo ra những rung động có tính hủy diệt. Việc cân bằng đúng cách đòi hỏi phải có thiết bị và quy trình chuyên dụng, với thông số kỹ thuật của cân được giữ ở mức một phần trăm ounce-inch. CHRA được cân bằng không đúng cách nhanh chóng hỏng hóc-đôi khi trong vòng vài ngày-do hư hỏng vòng bi do rung động quá mức làm vỡ màng dầu.

Câu hỏi thường gặp

CHRA trong bộ tăng áp là gì?

CHRA (Bộ phận quay vỏ trung tâm) là cụm lõi bao gồm vỏ trung tâm, trục, cả hai bánh xe (tua bin và máy nén) và hệ thống ổ trục. Nó tạo thành trái tim quay của bộ tăng áp và yêu cầu sự cân bằng chính xác để vận hành đáng tin cậy ở tốc độ quay cực cao.

Các bộ phận của bộ tăng áp tăng áp nóng đến mức nào?

Các bộ phận bên-của tuabin thường xuyên đạt tới 800-1000 độ (1470-1830 độ F) trong quá trình vận hành. Phía máy nén hoạt động mát hơn nhiều, mặc dù nhiệt độ khí nén thường vượt quá 150 độ (300 độ F) trước khi làm mát trung gian. Nhiệt độ vỏ trung tâm thay đổi từ dưới 0 khi khởi động nguội đến hơn 400 độ sau khi hoạt động ở mức tải cao kéo dài.

Điều gì gây ra độ trễ turbo?

Độ trễ turbo là kết quả của thời gian cần thiết để dòng khí thải tăng tốc cụm quay của bộ tăng áp đến tốc độ mà áp suất tăng áp phát triển. Tua bin lớn hơn với quán tính quay lớn hơn có độ trễ cao hơn. Hệ thống ổ bi, bánh tuabin nhỏ hơn và thiết kế-cuộn đôi đều giảm độ trễ so với cấu hình truyền thống.

Bạn có thể thay thế các bộ phận turbo riêng lẻ không?

Vỏ và bánh xe chính có thể được thay thế riêng lẻ, mặc dù CHRA hoàn chỉnh thường yêu cầu thay thế hoặc chế tạo lại thành một cụm cân bằng, phù hợp. Việc trộn lẫn các bộ phận từ các nhà sản xuất khác nhau hoặc cố gắng tái sử dụng vòng bi bị mòn thường dẫn đến các vấn đề về cân bằng và hỏng hóc sớm.

Sự phát triển của công nghệ tăng áp

Sự phát triển động cơ tăng áp tiếp tục cải tiến vật liệu, quy trình sản xuất và hệ thống điều khiển. Bộ tăng áp điện bổ sung máy nén-điều khiển bằng động cơ để loại bỏ hoàn toàn độ trễ, mặc dù chi phí và độ phức tạp hiện hạn chế việc áp dụng cho các ứng dụng-cao cấp. Các hệ thống hình học biến thiên từng bị giới hạn trong các ứng dụng diesel giờ đây đã xuất hiện trong động cơ xăng khi vật liệu và thuật toán điều khiển được cải thiện.

Sản xuất bồi đắp hứa hẹn tạo ra các hình dạng tuabin và máy nén được tối ưu hóa mà các phương pháp thông thường không thể thực hiện được. Công nghệ này cho phép các thiết kế được tối ưu hóa-cấu trúc liên kết giúp giảm trọng lượng trong khi vẫn duy trì độ bền, mặc dù chi phí sản xuất vẫn quá cao đối với các ứng dụng trên thị trường-đại chúng.

Việc chuyển sang hệ truyền động điện khí hóa làm giảm nhu cầu về bộ tăng áp cho xe chở khách đồng thời mở rộng cơ hội trong các ứng dụng đốt hydro và pin nhiên liệu. -Các phương tiện thương mại hạng nặng, động cơ hàng hải và máy phát điện công nghiệp tiếp tục yêu cầu động cơ đốt trong tăng áp, đảm bảo nhu cầu ổn định về các bộ phận tăng áp trong các ứng dụng chuyên dụng.