Moderniuose dyzeliniuose varikliuose VGT (angl. Variable-Geometry Turbocharger) yra esminis komponentas, užtikrinantis optimalų pripūtimo slėgį plačiame sūkių diapazone. Tačiau tradiciniai, gamintojų tiekiami turbinos naudingumo žemėlapiai (angl. supplier maps) dažnai neapima viso variklio darbinio diapazono, ypač transientinių (pereinamųjų) procesų metu. Šiame straipsnyje nagrinėjamas fizika grįstas valdymo modelis, kuris eliminuoja ekstrapoliacijos klaidas, būdingas standartiniams žemėlapiams.
Modelio širdis yra Eulerio turbinų lygtis, kuri sieja dujų impulsinio momento pokytį su rotoriaus atliekamu darbu. Pagrindinė inžinerinė prielaida – turbinos galia ($\dot{W}_T$) priklauso nuo dujų įėjimo kampo ($\alpha_1$), kurį tiesiogiai valdo VGT pavara (angl. actuator). Skirtingai nei izentropiniai modeliai, šis požiūris leidžia susieti valdiklio signalą ($u_{vgt}$) su faktiniu kampu $\alpha_1$, naudojant trečiojo laipsnio polinominę funkciją. Tai suteikia modeliui kompaktiškumo, nes skaičiavimams reikalingi tik pradiniai srauto parametrai, o ne sudėtingos 3D interpoliacijos.
Viena didžiausių klaidų modeliuojant turbokompresorius yra pastovaus mechaninio naudingumo koeficiento ($\eta_m$) naudojimas. Tikrovėje mechaniniai nuostoliai ($\dot{W}_{loss}$) susideda iš:
Tyrime lyginami keturi trinties modeliai. Nustatyta, kad Modelis 4, įvertinantis ne tik statinę trintį, bet ir dinaminę kompensaciją per sūkių išvestinę ($\dot{N}_{TC}$), užtikrina didžiausią tikslumą staigių droselio uždarymo (angl. tip-out) manevrų metu.
Eksperimentiniai duomenys, gauti naudojant GT-Power simuliacijas ir realius transporto priemonių bandymus (FTP 75 ir US 06 ciklais), parodė akivaizdų fizika grįsto modelio pranašumą. Standartinis žemėlapiais (angl. map-based) pagrįstas modelis transientiniu režimu demonstravo vidutinę 22.8% klaidą, tuo tarpu siūlomas Eulerio modelis su ketvirtuoju trinties algoritmu klaidą sumažino iki 10.1%. Tai įrodo, kad tikslus ašinės jėgos (angl. thrust load) vertinimas yra raktas į stabilų ir efektyvų VGT valdymą realiuoju laiku.
Svarbu paminėti, kad turbokompresorių su kintama geometrija, pavyzdžiui, „Garrett“ serijos (pvz., G-Series G30-660), ilgaamžiškumą lemia ne tik bazinė konstrukcija, bet ir specifinė alyvos kokybė. Dėl itin aukštos temperatūros VGT mechanizmo svirtyse dažnai kaupiasi anglies nuosėdos, vadinamas „oil coking“. Šis reiškinys sukelia „vane sticking“ efektą, kai kintamos geometrijos mentelės užstringa vienoje pozicijoje, todėl valdiklio (aktuatoriaus) kalibravimas tampa nebeįmanomas be išardymo ir valymo.
Diagnostikos metu privalu vertinti ašinį laisvumą (axial play), kuris „Garrett“ 7670 serijos ar panašiuose modeliuose neturėtų viršyti gamintojo tolerancijų. Per didelis ašinis laisvumas rodo kritinį atraminio (thrust) guolio nusidėvėjimą, kurį dažniausiai lemia tepimo sistemos trikdžiai arba netinkamai sukalibruotas išmetamųjų dujų slėgis. Net ir mažas nukrypimas sukelia disbalansą, kuris ilgainiui sunaikina kompresoriaus sparnuotę.
Šiuolaikiniuose aktuatorių, tokių kaip „Hella“ elektroninių pavarų (pvz., dalies nr. 6NW009550), bandymuose privaloma naudoti specializuotą įrangą, pavyzdžiui, „TurboTest“. Šis įrankis leidžia tiksliai išmatuoti pavaros eigą nuo nulio iki maksimalaus pasipriešinimo taško. Tikslus kalibravimas užtikrina, kad VGT mentelės atsidarytų tiksliai pagal ECU suplanuotą grafiką, taip išvengiant viršslėgio, kuris gali pažeisti variklio stūmoklių grupę.
Svarbu pabrėžti aušinimo sistemos įtaką turbokompresoriaus darbo stabilumui. Daugelis šiuolaikinių VGT sistemų, ypač montuojamų į 2.0 TDI variklius (pvz., Garrett 765319 serija), yra aušinamos skysčiu. Aušinimo skysčio cirkuliacijos sutrikimai po variklio išjungimo sukelia terminį šoką korpuse. Tai skatina alyvos koksavimą guoliavietėse. Prevencijai būtina užtikrinti, kad po intensyvaus važiavimo variklis veiktų tuščiąja eiga, kol temperatūra stabilizuosis.
Kita kritinė problema yra išmetamųjų dujų nuotėkis per VGT mechanizmo svirties įvorę. Laikui bėgant, šiose vietose susiformuoja dideli tarpai dėl vibracijos. Tai iškreipia ECU siunčiamą valdymo signalą. Pasekmės yra neprognozuojamas sūkių svyravimas ir turbinos „įėjimo“ vėlavimas (angl. turbo lag). Tokiu atveju pavaros (pvz., Hella 6NW009420) keitimas nepadeda, nes mechaninė dalis išlieka nesandari.
Galutiniam sureguliavimui „TurboTest“ stende būtina tiksliai suvesti minimalaus ir maksimalaus srauto taškus. Daugelis serviso specialistų ignoruoja „learning cycle“ procedūrą po aktuatoriaus keitimo. ECU privalo iš naujo susieti elektroninės pavaros nustatymus su faktine VGT mentelių padėtimi. Be šios procedūros, variklis dažnai patenka į „limp mode“ režimą esant aukštoms apkrovoms.
Be to išorinio sujungimo susidėvėjimo, vidinė aerodinaminė-akustinė rezonansija purkštukų kreipiančiųjų menčių (NGV) mazge dažnai sukelia didelio ciklo nuovargį, ypač „Holset HE351VE“ ir „HE400VG“ platformose. Kai sinchronizavimo žiedas patiria mikro-vibracijas dėl harmoninių išmetamųjų dujų pulsacijų, menčių kaiščiai ir atitinkami jų įvorės patiria trinties dėvėjimąsi. Šis procesas pagreitina metalinių dalelių susidarymą turbinos korpuse, kurios vėliau prasiskverbia į guolių kasetę, galinčios sukelti žurnalinių guolių įbrėžimus ir greitą hidrodinaminio pleišto degradaciją. Inžinieriai privalo teikti pirmenybę sinchronizavimo žiedo kiaurymės diametro patikrai, nes nuokrypiai, viršijantys 0,02 mm, dažnai lemia menčių neteisingą išlygiavimą, dėl ko atsiranda nevienodas dujų pagreitis į turbinos ratą ir netolygus turbinos menčių šiluminis apkrovimas.
Elektroninių pavarų, tokių kaip „Bosch/Mahle EAA“ serija ar anksčiau minėti „Hella“ agregatai, integravimas sukuria sudėtingą grįžtamojo ryšio kilpą, jautrią šilumos sulaikymui ir elektriniam triukšmui. Naudojant aukšto slėgio išmetamųjų dujų recirkuliaciją (EGR), suodžių ir rūgštinės kondensacijos kaupimasis gali prasiskverbti į pavaros vidinį kirmėlinį pavarą per pažeistus sandariklius. Kai tepalas pavarų traukinyje emulsifikuojasi su šiais teršalais, atsirandanti traukos jėga lemia didesnį srovės suvartojimą pavaros padėties nustatymo metu, kas dažnai fiksuojama kaip variklio tvarkyklės perkrovos klaida arba padėties nuokrypio klaida. Naudojant aukšto dažnio oscilografą PWM (impulso pločio moduliacijos) signalui stebėti, lyginant jį su pavaros padėties grįžtamojo ryšio signalu, yra privaloma izoliuoti šiuos retkarčiais pasitaikančius elektromechaninius gedimus nuo tikro fizinio VGT antgalio mazgo užstrigimo.
Efektyviam veikimo optimizavimui modernizuotose VGT architektūrose reikia skirti ypatingą dėmesį kompresoriaus pusės sandarikliui ir jo sąveikai su traukos guolių mazgu. Esant dideliam slėgiui, pavyzdžiui, matomam „Garrett GTB“ serijoje, slėgio skirtumas per kompresoriaus atraminę plokštę gali sukelti nedidelį ašinį poslinkį, jei traukos guolio tarpai nėra palaikomi OEM tolerancijos ribose nuo 0,03 iki 0,07 mm. Jei atsiranda šis ašinis judėjimas, kompresoriaus ratas gali patirti lokalizuotą aukšto dažnio kontaktą su gaubto korpusu, sukeliant sparnuotės galiukų „nukirpimą“. Ši mechaninė žala nuolat keičia besisukančio mazgo aerodinaminę pusiausvyrą, todėl standartiniai į valdymą orientuoti modeliai tampa netikslūs dėl pasikeitusios masės srauto ir slėgio bangavimo ribų. Tikslus traukos apykaklės paviršiaus šiurkštumo ir ašinio laisvumo matavimas naudojant tikslius matavimo blokus yra vienintelis būdas užtikrinti, kad mazgas išlaikytų prognozuojamas eksploatacines charakteristikas esant didžiausiai apkrovai.