Turbine à géométrie variable : principe de fonctionnement, dispositif, réparation

2024 Auteur: Erin Ralphs | [email protected]. Dernière modifié: 2024-02-19 15:43

Avec le développement des turbines ICE, les fabricants tentent d'améliorer leur cohérence avec les moteurs et leur efficacité. La solution série la plus avancée techniquement est une modification de la géométrie de l'entrée. Ensuite, la conception des turbines à géométrie variable, le principe de fonctionnement et les caractéristiques de maintenance sont pris en compte.

Caractéristiques générales

Les turbines envisagées diffèrent des turbines habituelles par leur capacité à s'adapter au mode de fonctionnement du moteur en modifiant le rapport A/R, qui détermine le débit. Il s'agit d'une caractéristique géométrique des boîtiers, représentée par le rapport de la section transversale du canal et de la distance entre le centre de gravité de cette section et l'axe central de la turbine.

La pertinence des turbocompresseurs à géométrie variable est due au fait que pour les hautes et basses vitesses, les valeurs optimales de ce paramètre diffèrent considérablement. Ainsi, pour une petite valeur de A/R, le fluxa une vitesse élevée, à la suite de quoi la turbine tourne rapidement, mais le débit maximal est faible. De grandes valeurs de ce paramètre, au contraire, déterminent un débit important et une faible vitesse des gaz d'échappement.

En conséquence, avec un A/R trop élevé, la turbine ne pourra pas créer de pression à bas régime, et si elle est trop basse, elle étouffera le moteur en haut (à cause de la contre-pression dans le collecteur d'échappement, les performances chuteront). Ainsi, sur les turbocompresseurs à géométrie fixe, on sélectionne une valeur A/R moyenne qui lui permet de fonctionner sur toute la plage de régime, alors que le principe de fonctionnement des turbines à géométrie variable repose sur le maintien de sa valeur optimale. Par conséquent, de telles options avec un seuil de boost bas et un décalage minimal sont très efficaces à haute vitesse.

Outre le nom principal (turbines à géométrie variable (VGT, VTG)), ces variantes sont connues sous le nom de modèles à tuyère variable (VNT), roue à aubes variable (VVT), tuyère de turbine à section variable (VATN).

La turbine à géométrie variable a été développée par Garrett. En plus de cela, d'autres fabricants sont engagés dans la sortie de telles pièces, notamment MHI et BorgWarner. Le principal fabricant de variantes de bagues collectrices est Cummins Turbo Technologies.

Malgré l'utilisation de turbines à géométrie variable principalement sur les moteurs diesel, elles sont très courantes et gagnent en popularité. On suppose qu'en 2020, ces modèles occuperont plus de 63% du marché mondial des turbines. L'expansion de l'utilisation de cette technologie et son développement sont principalement dus au durcissement des réglementations environnementales.

Design

Le dispositif de turbine à géométrie variable se distingue des modèles conventionnels par la présence d'un mécanisme supplémentaire dans la partie d'entrée du carter de turbine. Il existe plusieurs options pour sa conception.

Le type le plus courant est l'anneau de palette coulissant. Ce dispositif est représenté par un anneau avec un certain nombre de pales rigidement fixées situées autour du rotor et se déplaçant par rapport au plateau fixe. Le mécanisme coulissant est utilisé pour rétrécir/élargir le passage pour le flux de gaz.

Du fait que l'anneau de palette coulisse dans le sens axial, ce mécanisme est très compact, et le nombre minimum de points faibles assure la solidité. Cette option convient aux gros moteurs, elle est donc principalement utilisée sur les camions et les bus. Il se caractérise par la simplicité, la haute performance au fond, la fiabilité.

La deuxième option suppose également la présence d'un anneau d'aube. Cependant, dans ce cas, il est fixé rigidement sur une plaque plane, et les pales sont montées sur des axes qui assurent leur rotation dans le sens axial, de l'autre côté de celle-ci. Ainsi, la géométrie de la turbine est modifiée au moyen des aubes. Cette option a la meilleure efficacité.

Cependant, en raison du grand nombre de pièces mobiles, cette conception est moins fiable, en particulier dans des conditions de température élevée. Marquéles problèmes sont causés par le frottement des pièces métalliques, qui se dilatent lorsqu'elles sont chauffées.

Une autre option est un mur mobile. Il est similaire à bien des égards à la technologie des bagues collectrices, mais dans ce cas, les lames fixes sont montées sur une plaque statique plutôt que sur une bague collectrice.

Le turbocompresseur à section variable (VAT) a des pales qui tournent autour du point d'installation. Contrairement au schéma à lames rotatives, elles ne sont pas installées le long de la circonférence de l'anneau, mais en rangée. Cette option nécessitant un système mécanique complexe et coûteux, des versions simplifiées ont été développées.

One est le turbocompresseur à débit variable Aisin Seiki (VFT). Le carter de la turbine est divisé en deux canaux par une aube fixe et est équipé d'un registre qui répartit le débit entre eux. Quelques pales fixes supplémentaires sont installées autour du rotor. Ils assurent la rétention et la fusion des flux.

La deuxième option, appelée schéma Switchblade, est plus proche de la TVA, mais au lieu d'une rangée de lames, une seule lame est utilisée, tournant également autour du point d'installation. Il existe deux types de telles constructions. L'un d'eux implique l'installation de la lame dans la partie centrale du corps. Dans le second cas, il se trouve au milieu du canal et le divise en deux compartiments, comme une palette VFT.

Pour piloter une turbine à géométrie variable, on utilise des entraînements: électriques, hydrauliques, pneumatiques. Le turbocompresseur est contrôlé par l'unité de commandemoteur (ECU, ECU).

Il convient de noter que ces turbines ne nécessitent pas de soupape de dérivation, car grâce à un contrôle précis, il est possible de ralentir le débit des gaz d'échappement de manière non décompressive et de faire passer l'excédent à travers la turbine.

Principe de fonctionnement

Les turbines à géométrie variable fonctionnent en maintenant l'angle A/R et de tourbillon optimal en modifiant la section transversale de l'entrée. Il est basé sur le fait que la vitesse d'écoulement des gaz d'échappement est inversement proportionnelle à la largeur du canal. Par conséquent, sur les "bas" pour une promotion rapide, la section transversale de la partie d'entrée est réduite. Avec l'augmentation de la vitesse pour augmenter le débit, il se dilate progressivement.

Mécanisme de changement de géométrie

Le mécanisme de mise en œuvre de ce processus est déterminé par la conception. Dans les modèles à pales rotatives, cela s'obtient en changeant leur position: pour assurer une section étroite, les pales sont perpendiculaires aux lignes radiales, et pour élargir le canal, elles se mettent en position étagée.

Les turbines à bague collectrice à paroi mobile ont un mouvement axial de la bague, ce qui modifie également la section du canal.

Le principe de fonctionnement du VFT est basé sur la séparation des flux. Son accélération à basse vitesse est réalisée en fermant le compartiment externe du canal avec un amortisseur, à la suite de quoi les gaz vont au rotor de la manière la plus courte possible. Lorsque la charge augmente, l'amortisseuraugmente pour permettre le flux à travers les deux baies afin d'augmenter la capacité.

Pour les modèles VAT et Switchblade, la géométrie est modifiée en tournant la pale: à basse vitesse, elle monte, rétrécissant le passage pour accélérer le débit, et à haute vitesse, elle est adjacente à la roue de turbine, en se dilatant débit. Les turbines Switchblade de type 2 sont dotées d'un fonctionnement à pales inversées.

Ainsi, sur les "fonds", il est adjacent au rotor, de sorte que le flux ne passe que le long de la paroi extérieure du boîtier. À mesure que le régime augmente, la lame monte, ouvrant un passage autour de la roue pour augmenter le débit.

Conduire

Parmi les entraînements, les plus courants sont les options pneumatiques, où le mécanisme est contrôlé par un piston déplaçant l'air à l'intérieur du cylindre.

La position des aubes est contrôlée par un actionneur à membrane relié par une tige à la bague de commande des aubes, de sorte que la gorge peut changer constamment. L'actionneur entraîne la tige en fonction du niveau de vide, contrecarrant le ressort. La modulation du vide commande une électrovanne qui délivre un courant linéaire en fonction des paramètres du vide. Le vide peut être généré par la pompe à vide du servofrein. Le courant est fourni par la batterie et module l'ECU.

Le principal inconvénient de ces entraînements est dû à la difficulté de prévoir l'état du gaz après compression, surtout lorsqu'il est chauffé. Donc plus parfaitsont des entraînements hydrauliques et électriques.

Les actionneurs hydrauliques fonctionnent sur le même principe que les actionneurs pneumatiques, mais à la place de l'air dans le cylindre, un liquide est utilisé, qui peut être représenté par l'huile moteur. De plus, il ne se comprime pas, ce système offre donc un meilleur contrôle.

L'électrovanne utilise la pression d'huile et un signal ECU pour déplacer l'anneau. Le piston hydraulique déplace la crémaillère et le pignon, ce qui fait tourner l'engrenage denté, à la suite de quoi les lames sont reliées de manière pivotante. Pour transférer la position de la lame de l'ECU, un capteur de position analogique se déplace le long de la came de son entraînement. Lorsque la pression d'huile est basse, les palettes s'ouvrent et se ferment à mesure que la pression d'huile augmente.

L'entraînement électrique est le plus précis, car la tension peut fournir un contrôle très fin. Cependant, il nécessite un refroidissement supplémentaire, qui est assuré par des tubes de refroidissement (les versions pneumatiques et hydrauliques utilisent du liquide pour évacuer la chaleur).

Le mécanisme de sélection sert à entraîner le changeur de géométrie.

Certains modèles de turbines utilisent un entraînement électrique rotatif avec un moteur pas à pas direct. Dans ce cas, la position des lames est contrôlée par une soupape de rétroaction électronique à travers le mécanisme à crémaillère et pignon. Pour la rétroaction de l'ECU, une came avec un capteur magnétorésistif fixé à l'engrenage est utilisée.

S'il est nécessaire de tourner les pales, l'ECU fournitalimentation en courant dans une certaine plage pour les déplacer vers une position prédéterminée, après quoi, après avoir reçu un signal du capteur, il désactive la vanne de rétroaction.

Unité de commande du moteur

De ce qui précède, il ressort que le principe de fonctionnement des turbines à géométrie variable repose sur la coordination optimale d'un mécanisme supplémentaire en fonction du mode de fonctionnement du moteur. Par conséquent, son positionnement précis et sa surveillance constante sont nécessaires. Par conséquent, les turbines à géométrie variable sont contrôlées par des unités de commande du moteur.

Ils utilisent des stratégies pour maximiser la productivité ou améliorer la performance environnementale. Il existe plusieurs principes pour le fonctionnement du BUD.

La plus courante d'entre elles implique l'utilisation d'informations de référence basées sur des données empiriques et des modèles de moteur. Dans ce cas, le contrôleur prédictif sélectionne des valeurs dans une table et utilise la rétroaction pour réduire les erreurs. Il s'agit d'une technologie polyvalente qui permet une variété de stratégies de contrôle.

Son principal inconvénient est les limitations lors des transitoires (fortes accélérations, changements de vitesse). Pour l'éliminer, des contrôleurs multiparamètres, PD et PID ont été utilisés. Ces derniers sont considérés comme les plus prometteurs, mais ils ne sont pas assez précis dans toute la gamme de charges. Ce problème a été résolu en appliquant des algorithmes de décision de logique floue à l'aide de MAS.

Il existe deux technologies pour fournir des informations de référence: le modèle moteur moyen et le modèle artificielles réseaux de neurones. Ce dernier comprend deux stratégies. L'un d'eux consiste à maintenir la suralimentation à un niveau donné, l'autre - à maintenir une différence de pression négative. Dans le second cas, la meilleure performance environnementale est atteinte, mais la turbine est en survitesse.

Peu de fabricants développent des calculateurs pour les turbocompresseurs à géométrie variable. La grande majorité d'entre eux sont représentés par des produits de constructeurs automobiles. Cependant, il existe sur le marché des calculateurs haut de gamme tiers conçus pour de tels turbos.

Dispositions générales

Les principales caractéristiques des turbines sont le débit massique d'air et la vitesse d'écoulement. La zone d'entrée est l'un des facteurs limitant les performances. Les options de géométrie variable vous permettent de modifier cette zone. Ainsi, la surface effective est déterminée par la hauteur du passage et l'angle des pales. Le premier indicateur est modifiable dans les versions à bague coulissante, le second - dans les turbines à pales rotatives.

Ainsi, les turbocompresseurs à géométrie variable fournissent en permanence le boost nécessaire. En conséquence, les moteurs qui en sont équipés n'ont pas le décalage associé au temps de rotation de la turbine, comme avec les gros turbocompresseurs conventionnels, et ne s'étouffent pas à des vitesses élevées, comme avec les petits.

Enfin, il convient de noter que bien que les turbocompresseurs à géométrie variable soient conçus pour fonctionner sans soupape de dérivation, ils se sont avérés offrir des gains de performances principalement à bas régime et à haut régime à pleine ouvertureles aubes ne sont pas en mesure de faire face à un débit massique important. Par conséquent, pour éviter une contre-pression excessive, il est toujours recommandé d'utiliser une soupape de décharge.

Pour et contre

L'ajustement de la turbine au mode de fonctionnement du moteur permet d'améliorer tous les indicateurs par rapport aux options à géométrie fixe:

• meilleure réactivité et performance sur toute la plage de régime;
• courbe de couple moyenne plus plate;
• capacité à faire fonctionner le moteur à charge partielle avec un mélange air/carburant pauvre plus efficace;
• meilleure efficacité thermique;
• empêchant un boost excessif à haut régime;
• meilleure performance environnementale;
• moins de consommation de carburant;
• étendue de fonctionnement de la turbine.

Le principal inconvénient des turbocompresseurs à géométrie variable est leur conception très compliquée. En raison de la présence d'éléments mobiles et d'entraînements supplémentaires, ils sont moins fiables et la maintenance et la réparation des turbines de ce type sont plus difficiles. De plus, les modifications des moteurs à essence sont très coûteuses (environ 3 fois plus chères que les moteurs conventionnels). Enfin, ces turbines sont difficiles à combiner avec des moteurs qui ne sont pas conçus pour elles.

Il convient de noter qu'en termes de performances de pointe, les turbines à géométrie variable sont souvent inférieures à leurs homologues conventionnelles. Ceci est dû aux pertes dans le carter et autour des supports des éléments mobiles. De plus, les performances maximales chutent fortement lorsqu'on s'éloigne de la position optimale. Cependant, le généralL'efficacité des turbocompresseurs de cette conception est supérieure à celle des variantes à géométrie fixe en raison de la plage de fonctionnement plus large.

Application et fonctions supplémentaires

La portée des turbines à géométrie variable est déterminée par leur type. Par exemple, des moteurs à aubes rotatives sont installés sur les moteurs des voitures et des véhicules utilitaires légers, et les modifications avec un anneau coulissant sont principalement utilisées sur les camions.

En général, les turbines à géométrie variable sont le plus souvent utilisées sur les moteurs diesel. Cela est dû à la basse température de leurs gaz d'échappement.

Sur les moteurs diesel de tourisme, ces turbocompresseurs servent principalement à compenser la perte de performance du système de recirculation des gaz d'échappement.

Sur les camions, les turbines elles-mêmes peuvent améliorer les performances environnementales en contrôlant la quantité de gaz d'échappement recirculés vers l'admission du moteur. Ainsi, avec l'utilisation de turbocompresseurs à géométrie variable, il est possible d'augmenter la pression dans le collecteur d'échappement à une valeur supérieure à celle dans le collecteur d'admission afin d'accélérer la recirculation. Bien qu'une contre-pression excessive nuise à l'efficacité énergétique, elle contribue à réduire les émissions d'oxyde d'azote.

De plus, le mécanisme peut être modifié pour réduire le rendement de la turbine dans une position donnée. Celui-ci permet d'augmenter la température des gaz d'échappement afin de purger le filtre à particules en oxydant les particules de carbone collées par chauffage.

Donnéesles fonctions nécessitent un entraînement hydraulique ou électrique.

Les avantages notoires des turbines à géométrie variable par rapport aux turbines conventionnelles en font la meilleure option pour les moteurs sportifs. Cependant, ils sont extrêmement rares sur les moteurs à essence. Seules quelques voitures de sport qui en sont équipées sont connues (actuellement les Porsche 718, 911 Turbo et Suzuki Swift Sport). Selon un responsable de BorgWarner, cela est dû au coût très élevé de production de telles turbines, en raison de la nécessité d'utiliser des matériaux spécialisés résistant à la chaleur pour interagir avec les gaz d'échappement à haute température des moteurs à essence (les gaz d'échappement diesel ont une température, donc les turbines sont moins chères pour eux).

Les premiers VGT utilisés sur les moteurs à essence étaient fabriqués à partir de matériaux conventionnels, de sorte que des systèmes de refroidissement complexes ont dû être utilisés pour assurer une durée de vie acceptable. Ainsi, sur la Honda Legend de 1988, une telle turbine était combinée à un refroidisseur intermédiaire refroidi à l'eau. De plus, ce type de moteur a une plage de débit de gaz d'échappement plus large, ce qui nécessite la capacité de gérer une plage de débit massique plus large.

Les fabricants atteignent les niveaux requis de performance, de réactivité, d'efficacité et de respect de l'environnement de la manière la plus rentable. L'exception concerne les cas isolés où le coût final n'est pas une priorité. Dans ce contexte, il s'agit par exemple de réaliser une performance record sur Koenigsegg One:1 ou d'adapter une Porsche 911 Turbo à un civilopération.

En général, la grande majorité des voitures turbocompressées sont équipées de turbocompresseurs conventionnels. Pour les moteurs sportifs hautes performances, les options à double volute sont souvent utilisées. Bien que ces turbocompresseurs soient inférieurs aux VGT, ils offrent les mêmes avantages par rapport aux turbines conventionnelles, mais dans une moindre mesure, et pourtant ont presque la même conception simple que ces dernières. Quant au réglage, l'utilisation de turbocompresseurs à géométrie variable, outre leur coût élevé, est limitée par la complexité de leur réglage.

Pour les moteurs à essence, une étude menée par H. Ishihara, K. Adachi et S. Kono a classé la turbine à débit variable (VFT) comme la VGT la plus optimale. Grâce à un seul élément mobile, les coûts de production sont réduits et la stabilité thermique est augmentée. De plus, une telle turbine fonctionne selon un algorithme ECU simple, similaire aux options à géométrie fixe équipées d'une vanne de dérivation. Des résultats particulièrement bons ont été obtenus lorsqu'une telle turbine est associée à un iVTEC. Cependant, pour les systèmes à induction forcée, une augmentation de la température des gaz d'échappement de 50 à 100 °C est observée, ce qui affecte les performances environnementales. Ce problème a été résolu en utilisant un collecteur en aluminium refroidi par eau.

La solution de BorgWarner pour les moteurs à essence consistait à combiner la technologie à double volute et la conception à géométrie variable dans une turbine à géométrie variable à double volute présentée au SEMA 2015. SonMême conception que la turbine à double spirale, ce turbocompresseur a une double entrée et une double roue de turbine monolithique, et est combiné avec un collecteur à double spirale, séquencé pour éliminer les pulsations d'échappement pour un débit plus dense.

La différence réside dans la présence d'un registre dans la partie d'entrée qui, en fonction de la charge, répartit le débit entre les roues. À bas régime, tous les gaz d'échappement vont dans une petite partie du rotor, et la grande partie est bloquée, ce qui permet une mise en rotation encore plus rapide qu'une turbine à double volute classique. Au fur et à mesure que la charge augmente, le registre se déplace progressivement vers la position médiane et répartit uniformément le débit à des vitesses élevées, comme dans une conception standard à double volute. Autrement dit, en termes de mécanisme de modification de la géométrie, une telle turbine est proche d'un VFT.

Ainsi, cette technologie, comme la technologie à géométrie variable, permet de modifier le rapport A/R en fonction de la charge, en ajustant la turbine au mode de fonctionnement du moteur, ce qui élargit la plage de fonctionnement. Dans le même temps, la conception envisagée est beaucoup plus simple et moins chère, car un seul élément mobile est utilisé ici, fonctionnant selon un algorithme simple, et des matériaux résistants à la chaleur ne sont pas nécessaires. Cette dernière est due à une baisse de température due à une perte de chaleur sur les parois du double carter de la turbine. Il convient de noter que des solutions similaires ont déjà été rencontrées (par exemple, un distributeur à tiroir rapide), mais pour une raison quelconque, cette technologie n'a pas gagné en popularité.

Maintenance etréparation

La principale opération de maintenance des turbines est le nettoyage. La nécessité en est due à leur interaction avec les gaz d'échappement, représentés par les produits de combustion des carburants et des huiles. Cependant, le nettoyage est rarement nécessaire. Une contamination intense indique un dysfonctionnement, qui peut être causé par une pression excessive, l'usure des joints ou des bagues des roues, ainsi que du compartiment du piston, le colmatage du reniflard.

Les turbines à géométrie variable sont plus sensibles à l'encrassement que les turbines conventionnelles. Ceci est dû au fait que l'accumulation de suie dans l'aube directrice du dispositif de changement de géométrie entraîne son coincement ou perte de mobilité. En conséquence, le fonctionnement du turbocompresseur est perturbé.

Dans le cas le plus simple, le nettoyage est effectué à l'aide d'un liquide spécial, mais un travail manuel est souvent nécessaire. La turbine doit d'abord être démontée. Lors du démontage du mécanisme de changement de géométrie, veillez à ne pas couper les boulons de fixation. Le forage ultérieur de leurs fragments peut endommager les trous. Par conséquent, le nettoyage de la turbine à géométrie variable est quelque peu difficile.

De plus, il faut garder à l'esprit qu'une manipulation négligente de la cartouche peut endommager ou déformer les pales du rotor. S'il est démonté après le nettoyage, il faudra l'équilibrer, mais l'intérieur de la cartouche n'est généralement pas nettoyé.

La suie d'huile sur les roues indique une usure des segments de piston ou du groupe de soupapes, ainsi que des joints de rotor dans la cartouche. Nettoyage sanséliminer ces dysfonctionnements du moteur ou réparer la turbine n'est pas pratique.

Après le remplacement de la cartouche pour les turbocompresseurs du type en question, un réglage de la géométrie est nécessaire. Pour cela, des vis de réglage persistantes et rugueuses sont utilisées. Il convient de noter que certains modèles de la première génération n'ont pas été initialement configurés par les fabricants, ce qui a pour effet de réduire leurs performances au "bas" de 15 à 25%. En particulier, cela est vrai pour les turbines Garrett. Des instructions peuvent être trouvées en ligne sur la façon de régler la turbine à géométrie variable.

CV

Les turbocompresseurs à géométrie variable représentent l'étape la plus élevée dans le développement des turbines de série pour les moteurs à combustion interne. Un mécanisme supplémentaire dans la partie admission assure l'adaptation de la turbine au mode de fonctionnement du moteur en ajustant la configuration. Cela améliore les performances, l'économie et le respect de l'environnement. Cependant, la conception du VGT est complexe et les modèles à essence sont très chers.