1? 초기 조건
CO2 의 배출 한도가 갈수록 엄격해짐에 따라 SUV 차형 중형차의 점유율이 커지고 디젤 엔진의 추가 감소로 전기화 외에도 내연 기관의 대체 구동 방안이 필요하다. 혼합동력 시스템은 CO2 균형에 좋은 응용 전망을 가지고 있다. 하이브리드 시스템은 전기 과급기 기술과 같은 최신 신기술을 통합할 수 있으며, 새로운 배기 터빈 증압 설계 전략을 보완해야 합니다. 모든 방안은 충분한 유연성을 필요로 하는 동시에 엔진 연료 소비에 중요한 작업 범위 내에서 효율적으로 증압하여 엔진이 전체 부하와 부분 부하 작업 지점에서 안정적으로 작동할 수 있도록 해야 한다. 또한 혼합동력 방안은 내연 기관이 가능한 한 높은 효율을 갖도록 요구하여 전체 방안이 높은 CO2 배출 값을 달성할 수 있도록 해야 한다. 효율을 높이는 우수한 엔진 방안은 밀러 사이클을 사용하는 휘발유 엔진이며, 가변 터빈 형상 단면 (VTG) 증압기는 이런 순환에 가장 적합한 증압 시스템이다. 또한 휘발유 엔진 VTG 과급기의 구조, 특히 부품 효율을 최적화하여 휘발유 엔진이 밀러 주기에 적합하도록 해야 합니다.
효율을 더욱 높일 가능성은 터빈 증압기에서 볼 베어링을 사용하여 마찰 동력을 최소화하여 흐름 형상을 개선하고 효율성을 높이는 것입니다. 개선된 세부 사항도 아래에 설명되어 있습니다.
2? 동기
2023 년 이후 필요한 CO2 배출 목표치를 달성하기 위해서는 내연 기관의 열역학 효율을 높이고 동력 시스템과 혼합동력을 결합해야 한다. 기하학적 압축비, 희박 연소, 밀러 사이클 및 그 조합을 높이는 것은 향후 휘발유 엔진 발전의 중요한 아이디어로, 휘발유 엔진의 작업 과정 효율을 디젤기관에 접근하는 것을 목표로 한다.
전체 하이브리드 및 플러그 하이브리드 전기 마일리지가 증가함에 따라 하이브리드 내연 기관의 시나리오 최적화가 가능해졌습니다. 최고의 자연 흡입 하이브리드 엔진에 비해 압축비, 밀러 연소 과정, 외부 냉각 EGR 을 사용하는 터빈 증압 휘발유 엔진은 낮은 연료 소비에서 훨씬 높은 전력 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. 증압 엔진의 경우 최적의 연료 소비 운행 범위를 조정하고 확대할 수 있기 때문에 운영 전략과 에너지 관리의 이점도 얻을 수 있어 기어박스가 너무 복잡하지 않고 필요한 전기 보조도 적다.
희박한 팽창과 중간 팽창으로 내연 기관의 효율을 높이고 증압 압력 수요를 높이는 결합은 증압 시스템에 새로운 도전을 제기하였다. 이런 경계 조건 하에서 휘발유 엔진 VTG 는 기존의 배기 밸브 기술보다 우세하다. VTG 휘발유 엔진은 배기가스 배출 밸브 과급기에 비해 전력 약 15 ~ 20 을 높일 수 있습니까? KW 외에도 정격 전력에서 연료 소비를 7 까지 줄일 수 있습니까? %, 기본적으로 배기가스의 전체 텅스텐을 이용하여 밀러 순환을 개선한 것이다.
또한 VTG 휘발유 엔진은 터빈 전 온도 T3 과 사전 촉매 변환기 온도 T4 사이의 온도 차이를 약 25 로 만들 수 있습니까? C, 그럼 고온 VTG 기술의 전력 수준은 100 이상인가요? RDE 배출 기준 요구 사항을 충족하는 KW/L 엔진 (그림 1).
혼합동력 방안에서 내연기관의 효율은 최대 팽창 희박도에 달려 있다. 중간 하중 범위 (PME = 1.0 ~ 1.4? MPa) 터보 차저의 효율을 낮추고 EGR 속도를 높였지만 연료 소비의 최적화 잠재력을 제한할 수 있습니다. 기존의 오일 윤활 평면 베어링 대신 볼 베어링을 적용함으로써 터빈 증압기의 효율을 5 로 높일 수 있습니까? %. 또한 롤링 베어링 사용으로 인해 터빈 가변성 및 마찰 동력 감소는 새로운 연소 프로세스로 인한 지연 부하를 보정하는 데 도움이 됩니다. 배기 밸브 터빈 과압기에 비해 밀러 사이클을 늘려 연소 효율을 높이거나 볼 베어링을 사용하면 밀러 순환이 비슷한 경우 동력 성능이 최대 20% 향상됩니다. 그림 2 는 48 을 보여 줍니까? V-P2 하이브리드 C 급차가 WLTC 실험주기에서 연비 잠재력 시뮬레이션 결과. 최적의 밀러 사이클을 사용했기 때문에 EGR 냉각 및 P2 혼합 모드 감소에 대한 보조는 약 3 입니까? 이산화탄소 배출의 이점.
3? 가솔린 엔진 VTG 과급기
VTG 기술은 1997 (그림 3) 부터 디젤기관 분야에 적용돼 증압 시스템으로 승용차 디젤기관 분야에서 큰 성공을 거두었다. 현재, 밀러 주기는 이미 비슷한 조건 하에서 휘발유 엔진에 적용되었다. 2006 년 휘발유 엔진 VTG 는 포르쉐에서 처음으로 보그워너 터빈 증압기를 사용했다. 9 1 1? 터보 차저 3.6? 엔진의 L. 밀러 공예가 적용됨에 따라, 이 기술은 대량의 시장에도 필수적이다. 지속적인 발전과 다년간의 경험, VTG 에서 디젤 엔진을 발전시켜 비용을 크게 줄였다.
간단한 증압 시스템은 배기 밸브를 사용하여 터빈 잎바퀴의 일부 배기가스를 우회한다. 예를 들어, 이중 웜 쉘 터빈과 일치하는 다중 채널 터빈 쉘은 이 기술의 작동 범위를 넓힐 수 있지만 VTG 응용 프로그램의 작동 범위에 도달할 수는 없습니다. 이 VTG 터빈은 터빈 임펠러 앞에서 조절 가능한 가이드 베인 링을 사용하여 배기 가스의 질량 흐름을 조절하므로 터빈은 넓은 엔진 작동 범위 내에서 높은 효율로 작동할 수 있습니다. 터빈 잎바퀴 외에 조절 가능한 도엽도 터빈 공기역학의 핵심 기술이다. 이러한 가이드 베인은 회전해서 고온 배기가스와 직접 접촉할 수 있는 노즐 링에서 지지됩니다. 재료 성능에 대한 요구가 매우 높기 때문에 주로 배기 온도가 860 대 이하인 경우 장기간 사용할 수 있습니까? 40 C 디젤 엔진에서 재료에 대한 요구가 900 보다 현저히 높습니까? 보그워너는 진일보한 발전 중에 포르쉐로부터 배울 수 있습니까? 9 1 1? 터빈 자동차는 휘발유 엔진에 대량으로 적용된다. 050? C 고온공사의 경험은 재료 측면뿐만 아니라 비용과 밀러 연소 공예 방면에서 배기가스의 최대 온도가 950 에 달할 수 있습니까? C 등 방면에서 중대한 기술 발전을 이루면서 VTG 기술이 앞으로 휘발유 엔진에 적용될 하이브리드 동력 시스템에 관심을 끌고 있다. 이 경우 엔진의 경계 조건은 배기 온도 및 공기 수요의 증가와 RDE 에 중요한 작업 범위일 것으로 예상됩니다. 배기가스 터빈 증압기 터빈에 대한 기술적 도전은 우수한 공기역학 효율 조건 하에서 높은 신뢰성과 양호한 조절성을 가지고 있다는 것이다.
VTG 터빈의 공기 동력 효율은 그림 4 에 표시된 효율 포물선으로 단순화될 수 있습니다. 조정 가능한 가이드 캐스케이드는 임펠러 지름 및 배기 가스 배출 밸브와 유사한 고정 볼 루트 터빈에 비해 흐름 범위가 이중 상태보다 클 수 있는 넓은 흐름 스팬을 얻을 수 있습니다. 가이드 베인이 완전히 꺼져 있고 완전히 켜져 있으면 효율이 최대값보다 낮아집니다. 닫힌 가이드 베인은 공기 역학에서 노즐 역할을 하지만 스윙 방향 편향 캐스케이드의 효과가 점점 강해지고 터빈 임펠러의 입사각은 조정 범위 전체에서 변경됩니다. 가이드 베인과 터빈 임펠러의 블레이드 각도의 적절한 조합은 넓고 효과적인 작동 범위를 달성 할 수 있으며, 유량 범위 가장자리 근처의 공기 역학으로 인한 효율의 포물선 강하는 엔진 작동 범위에서 제거됩니다.
따라서 터빈은 배압, 전력 및 관련 증압 압력 조정에 높은 유연성을 제공하여 효율성 특성이 각 엔진 목표에 이상적인 경우 배기 가스 배출을 줄이는 데 중요한 기여를 합니다. 공기역학에 중요한 영향을 미치는 부품이야말로 결정적인 역할을 하는 부품이다.
효율 포물선에 중요한 영향을 미치는 요소로는 노즐 링에서 터빈 잎바퀴와 터닝 베인의 배치와 지지, 터닝 베인의 형상 모양, 볼 루트 및 엔진 전용 조인트 설계가 있습니다. 모든 터빈은 사용자가 적용한 엔진 및 배기 시스템의 플랜지 위치에 맞게 동적으로 최적화해야 합니다. 배기가스에 젖은 표면이 적을수록 앞의 구조 공간이 작아질수록 볼 루트의 설계에 따라 가이드 리프 게이트로 흐르는 흐름의 공압 목표와 잘 조화를 이루어야 합니다.
적절한 흐름 안내는 노즐 링의 열 기계적 변형을 줄이는 데 도움이 되므로 블레이드 틈새를 최소화하기 위해 더 많은 구조 설계 조치를 취해야 합니다. 블레이드 자체의 설계는 틈새 흐름 손실을 줄이는 데도 도움이 되며 (그림 5), 엔진 저속 코너 토크 범위의 효율성을 높일 수 있습니다. VTG 가이드 베인은 특허 S 자형으로 낮은 흐름 편향 손실과 낮은 블레이드 회전 토크의 두 가지 주요 목표를 달성할 수 있지만 항상 베인을 켭니다 (오류 안전 기능). 노즐 링의 구조는 공압효율 목표와 비용을 고려할 뿐만 아니라 조합물의 개념에 따라 설계된다. 여기서 주요 사이즈는 현재와 미래의 중요한 엔진 등급의 열역학 목표를 위해 모델링을 최적화하는 것이다. 추가적인 중간 구조 치수는 생산품종과 일치한다. 또한 새로운 터빈 임펠러 시리즈의 도입은 동일한 VTG 노즐 링을 사용할 수 있으며, 고효율 포물선은 디젤 엔진과 가솔린 엔진의 다양한 효율 포물선 곡선에 따라 서로 다른 엔진 목표에 맞게 조정할 수 있습니다. 예를 들어 그림 4 와 같이 녹색과 노란색 중간 포물선은 각각 서로 다른 유형의 터빈 잎바퀴를 사용하여 수행됩니다.
보그워너의 VTG 터빈기의 잎바퀴는 대부분 레이디얼 구조를 채택하고 있는데, 이는 여전히 디젤기관의 표준 구조이다. 높은 폭연 성향으로 휘발유 엔진은 작은 터빈 배압과 점차 증가하는 유량이 필요하다. 그러나 저속 회전 토크, 특히 엔진의 가속 응답 성능을 얻기 위해서는 최대 흐름의 30 ~ 40% 정도와 같은 작은 흐름 범위 내에서도 좋은 효율성이 필요합니다. 이와 관련하여 방사형 임펠러에는 분명한 장점이 있습니다. 최적의 관성을 가진 소형 임펠러 고정 터보 차저에 비해 터빈 임펠러의 관성 모멘트는 약 10% ~ 20% 감소합니다. 뛰어난 효율성과 함께 VTG 터빈은 경쟁력 있는 가속 응답 성능을 얻을 수 있으며, 같은 노즐 링 내의 최대 흐름은 디젤기관이 사용하는 표준 잎바퀴보다 약 20% 더 높으며, 이는 잎바퀴 모양의 특수한 설계를 통해 실현된다 (그림 6). 블레이드 모양과 잎바퀴는 공기역학, 역학 및 제조 공정 각도에서 세심하게 설계됩니다. 임펠러 디스크의 열 최적화는 관성 모멘트를 줄이고 질량 흐름을 향상시키며 응력을 긴 서비스 수명을 얻을 수 있는 안전 수준으로 낮출 수 있습니다.
많은 대규모 생산 프로젝트에서 얻은 경험 외에도, 자동 최적화 프로세스를 포함한 가장 현대적인 디지털 방법은 상당한 공기 역학적 의미를 지닌 터빈 부품 설계에도 사용됩니다.
4? 터보 차저 볼 베어링
터보 차저의 볼 베어링 (그림 7) 은 동일한 구조 크기의 평면 베어링에 비해 기계적 손실이 현저히 낮으며, 회전자 안정성이 우수하기 때문에 압축기 측면과 터빈 측면의 윤곽 틈새를 최적화할 수 있습니다. 이를 통해 터보 차저의 전반적인 효율을 더욱 높일 수 있습니다 (그림 8).
특별히 개발된 볼 베어링 시나리오는 사운드 전파 경로와 회전자 역학 (샤프트 궤적 안정성) 을 최적화합니다. 평면 베어링에 비해 볼 베어링이 높은 베어링 강성은 진동 에너지를 주변으로 전달하는 경로를 최적화해야 하므로 진동을 최대한 억제하여 베어링의 안정성을 극대화해야 합니다. 시뮬레이션과 실험의 협력을 통해 이러한 목표 크기의 최적 균형을 갖춘 설계를 개발할 수 있습니다. 우선 저점도 오일 응용 (HTHS≈2.0? MPa 초).
설계를 최적화하여 슬리브 구조의 볼 베어링을 얻을 수 있으며, 베어링의 외부 부시는 유막 위에 떠 있습니다 (그림 7 참조). 회전자 시스템의 댐핑은 형성된 압착 댐핑 유막에 의해 보증된다. 댐핑 유막의 설립을 보장하기 위해 격리 씰로 구성된 혁신적인 시스템을 사용하여 베어링 하우징을 베어링 채널의 중심에 배치하고 베어링 충격 저항 (음향 성능의 핵심 요소) 을 향상시킬 수 있으며 베어링 박스 내의 비압력 공간에 비해 밀폐된 유막 댐핑 압력 범위 역할을 하므로 유류를 유도하고 흐름 손실을 줄여야 합니다. 스퀴즈 필름 댐핑의 최적화된 설계를 통해 볼 베어링 설계에 의해 결정되는 고유한 굽힘에 저항할 수 있습니다.
볼 베어링 지지의 복잡한 관계에는 많은 최적화나 새로운 부품 설계, 부품 가공 및 조립 전략이 필요합니다. 이러한 최적화 시나리오의 조합을 통해 베어링 부시의 강성을 높이면 콜드 시작 조건에서도 평면 베어링의 음향 수준을 얻을 수 있으며 축 궤적 편차를 줄이는 것 외에도 더 높은 반지름 및 축 하중을 기준으로 신뢰성을 높일 수 있습니다. 볼 베어링을 사용하는 경우 항상 음향 성능을 재평가해야 합니다. 터보 차저 외에 차량의 감도도 음향 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 진동 전파 경로의 전송 특성을 최적화해야 합니다.
그림 8 은 압축기 측면과 터빈 측면에 있는 공기역학 부품이 동일한 조건에서 평면 베어링과 비교하여 볼 베어링의 정상 상태 측정 효율 이점을 보여 줍니다. 왼쪽 그림은 팽창비가 1.5 일 때 측정한 터빈 종합 효율을 보여 줍니다. 평면 베어링에 비해 효율이 최대 4% 까지 향상되며 터빈 전력이 증가함에 따라 이러한 효율성 이점이 약간 감소합니다. 그림 8 의 오른쪽에 있는 그림은 터빈 증압기가 압축기 특성 필드의 비효율적인 특성 곡선 필드, 특히 연료 소비에 중요한 부분 부하 범위 내에 있음을 보여 줍니다. 회전자 안정성 향상 (윤곽 틈새 감소) 및 베어링 동력 손실 감소로 볼 베어링은 최대 5% 의 효율성 이점을 얻을 수 있습니다. 그림 9 는 예를 들어 1 의 엔진 속도를 보여줍니다. 500? R/min 에서 두 베어링의 하중 돌연변이를 비교하면 볼 베어링 가압 압력이 더 빠르게 설정되고 2MPa 평균 유효 압력이 0.7 인 것이 분명합니다. 평면 베어링 이전. S, 따라서 가속 응답 성능이 크게 향상되었고, 효율성 이점도 연료 소비율을 높이고 배기가스 배출을 줄였습니다.
5? 결론
휘발유 엔진의 경우 밀러 연소 과정과 동력 시스템의 혼합은 VTG 에 의해 최적화된 증압 시스템이 중요한 모듈인 지정된 CO2 배출 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다. 디젤 엔진 분야부터 VTG 의 발전, 특히 터빈 끝의 최적화와 발전은 수요에 더욱 적응하였다. 보그워너의 휘발유 엔진 VTG 증압기는 모든 전형적인 배기량 차, 특히 최고 배기 온도가 1 정도에 달할 수 있습니까? 020~ 1? 050? 높은 비 전력, 높은 가압 가솔린 엔진은 ℃에서 λ= 1 에서 작동합니다.
모든 변위 및 전력 등급의 모든 제품 라인 외에도 볼 베어링이 있는 제품군 (BB0 1, BB02, BB03) 을 제공하여 효율성을 더욱 높일 수 있습니다. 볼 베어링의 총 효율, 회전자 안정성 및 일시적인 성능 측면에서 볼 베어링의 장점을 고려하여 향후 하이브리드 동력 응용에 사용할 수 있는 롤링 베어링을 권장하고 저점도 오일과 저오일 압력을 동시에 사용할 경우 시동 정지 성능에 대한 요구 사항을 높였습니다.
이 두 기술은 향후 CO2 배출 목표와 전력 시스템의 혼합화, 전기화 발전에 따라 증압 시스템을 점진적으로 최적화할 수 있다.
이 글은 자동차 작가 자동차의 집에서 온 것으로, 자동차의 집 입장을 대표하지 않는다.