उत्तरी अमेरिका में मध्यम और बड़े बोर रोड डीजल इंजनों में टर्बोचार्जर लगभग सार्वभौमिक रूप से उपयोग किए जाते हैं, और वे छोटे बोर इंजनों में भी लगभग पूरी तरह से लोकप्रिय हैं। टर्बोचार्जर की परिभाषा निकास गैस द्वारा संचालित एक केन्द्रापसारक पंप है, जो इंजन सिलेंडर से अपशिष्ट गर्मी के हिस्से को "पुनर्प्राप्त" कर सकता है। विशिष्ट रेसिंग इंजन अनुप्रयोगों में, टर्बोचार्जर की घूर्णी गति प्रति मिनट 200,000 क्रांतियों से अधिक हो सकती है, लेकिन डीजल इंजनों में, इसकी अधिकतम घूर्णी गति आमतौर पर लगभग 30% कम होती है। टर्बोचार्जर का मुख्य कार्य इंजन सिलेंडरों के लिए दबावयुक्त सेवन वायु प्रदान करना है। संक्षेप में, यह सेवन वायु में ऑक्सीजन घनत्व को बढ़ाता है। इसके अलावा, निकास गैस चालित टरबाइन एक द्रव युग्मन के माध्यम से इंजन क्रैंकशाफ्ट से जुड़े रिडक्शन गियर को भी चला सकता है। इस बिंदु पर, टर्बोचार्जर क्रैंकशाफ्ट को चलाने में सहायता कर सकता है। इस विधि को टर्बो कम्पोजिट तकनीक कहा जाता है और वर्तमान में इसे नवीनतम पीढ़ी के डेट्रॉइट डीजल इंजनों में लागू किया जाता है। इसे इस अध्याय के उत्तरार्ध में आगे प्रस्तुत किया जाएगा। चित्र 12-7 2010 कमिंस आईएसएक्स इंजन का सही दृश्य दिखाता है, जिस पर टर्बोचार्जर की स्थिति अंकित है।
चित्र 12-7 कमिंस आईएसएक्स इंजन का दायां दृश्य (टर्बोचार्जर स्थिति के साथ चिह्नित)
काम के सिद्धांत
टर्बोचार्जर निकास गैस द्वारा संचालित एक वायु पंप है, जिसमें एक टरबाइन और एक ही शाफ्ट पर स्थापित एक प्ररित करनेवाला होता है (चित्र 12-8 देखें)। शाफ्ट को दबाव चिकनाई वाले तेल (हाइड्रोडायनामिक निलंबन) द्वारा घर्षण असर पर निलंबित कर दिया गया है। टरबाइन प्ररित करनेवाला इंजन निकास गैस की ऊर्जा (गर्मी) से संचालित होता है और टरबाइन आवास के भीतर घूमता है जहां निकास गैस बहती है। प्ररित करनेवाला एक स्वतंत्र कंप्रेसर आवरण में स्थित है और सेवन प्रणाली की हवा पर कार्य करता है, इसे सेवन प्रणाली के दबाव वाले पक्ष में पंप करता है। टरबाइन को चलाने वाली निकास गैस प्ररित करनेवाला पर कार्य करने वाली अंतर्ग्रहण वायु के संपर्क में नहीं आती है। चित्र 12-9 एक साधारण टर्बोचार्जर में गैस और चिकनाई वाले तेल के प्रवाह पथ को दर्शाता है।
चित्र 12-8 टर्बोचार्जर (या कंप्रेसर व्हील) का प्ररित करनेवाला
चित्र 12-9 टर्बोचार्जर का क्रॉस-सेक्शनल दृश्य (चिकनाई तेल मार्ग और गैस प्रवाह दिशा सहित)
कंप्रेसर का कार्य सिद्धांत
फ़िल्टर की गई सेवन हवा को कंप्रेसर आवरण में खींचा जाता है और टरबाइन शाफ्ट कंप्रेसर पक्ष पर प्ररित करनेवाला द्वारा संचालित किया जाता है। टरबाइन प्ररित करनेवाला को टरबाइन शाफ्ट के दूसरी तरफ घुमाने के लिए प्रेरित करता है, इसलिए प्ररित करनेवाला की वास्तविक घूर्णी गति टरबाइन आवास के अंदर काम करने की स्थिति पर निर्भर करती है। जैसे ही प्ररित करनेवाला घूमता है, सेवन प्रणाली में हवा तेज गति से तेज हो जाती है। उच्च - गति वायुप्रवाह एक विसारक में रेडियल रूप से बाहर की ओर प्रवेश करता है। डिफ्यूज़र एक थ्रॉटलिंग उपकरण है, जिसका डिज़ाइन उद्देश्य वायु प्रवाह गुजरने पर आने वाली हवा की गतिज ऊर्जा (गति ऊर्जा) को दबाव में परिवर्तित करना है। डिफ्यूज़र वॉल्यूट प्रकार (घोंघा आकार) या ब्लेड प्रकार का हो सकता है (चित्र 12-9 देखें)। ब्लेड डिफ्यूज़र की दक्षता अधिक है।
टरबाइन का कार्य सिद्धांत
निकास गैस को टरबाइन आवास की ओर निर्देशित किया जाता है। इंजन का अपशिष्ट ताप मान जितना अधिक होगा (जो आमतौर पर इंजन आउटपुट पावर की वृद्धि के साथ बढ़ता है), निकास गैस की तापीय ऊर्जा उतनी ही अधिक होती है। निकास गैस रेडियल रूप से टरबाइन आवास में प्रवेश करती है और फिर विलेय (एक घोंघे के आकार की संरचना, धीरे-धीरे घटते क्रॉस खंड के साथ) के माध्यम से प्रवेश करती है। वॉल्यूट थ्रॉटलिंग के एक रूप का प्रतिनिधित्व करता है। लेकिन जब निकास गैस विलेय से बाहर बहती है, तो यह फैलती है और टरबाइन ब्लेड पर कार्य करती है, और फिर अक्षीय दिशा के साथ निकास प्रणाली में प्रवेश करती है।
टरबाइन आवास में गैस किस हद तक फैलती है यह निकास गैस की गर्मी पर निर्भर करता है। इंजन की उच्च आउटपुट स्थिति के तहत, इंजन से अपशिष्ट गर्मी बढ़ जाती है, और टरबाइन ब्लेड पर निकास गैस के विस्तार के प्रभाव से टरबाइन की गति बढ़ जाएगी। इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि टर्बोचार्जर की घूर्णी गति मुख्य रूप से उसके दबाव के बजाय निकास गैस की गर्मी पर निर्भर करती है। विलेय के महत्व को भी समझा जाना चाहिए: विलेय का आकार जितना छोटा होगा, वायु प्रवाह पर थ्रॉटलिंग प्रभाव उतना ही मजबूत होगा, लेकिन छोटे आकार के विलेय का मतलब है कि निकास गैस बाहर निकलने पर अधिक पूरी तरह से फैलती है। सबसे अच्छा समाधान विलेय के प्रवाह क्षेत्र को नियंत्रित करने में सक्षम होना है, जिस पर आगे चर्चा की जाएगी। चित्र 12-10 एक टर्बोचार्जर में गैस प्रवाह का एक योजनाबद्ध आरेख है, जो वॉल्यूट और डिफ्यूज़र के प्रमुख कार्यों को दर्शाता है: कृपया उन दिशाओं पर ध्यान दें जिनमें गैस टरबाइन आवास और कंप्रेसर आवास के अंदर और बाहर बहती है।
वायु प्रवाह पथ
जैसा कि चित्र 12-10 में दिखाया गया है, वायु प्रवाह टरबाइन आवास में रेडियल इनफ्लो और अक्षीय बहिर्प्रवाह तरीके से प्रवेश करता है। हवा प्ररित करनेवाला आवास के माध्यम से अक्षीय दिशा में और रेडियल रूप से बहती है। सबसे सरल टर्बोचार्जर डिज़ाइन में, टरबाइन आवास के सेवन मार्ग या गले को खंडित नहीं किया जाता है, अर्थात, सभी सिलेंडरों के निकास पोर्ट एक एकल इनलेट चैनल की ओर ले जाते हैं। हालाँकि, परिवर्तनीय ज्यामिति टर्बोचार्जर टरबाइन आवास के अंदर और बाहर वायु प्रवाह को नियंत्रित कर सकते हैं। इस अनुभाग में बाद में इस पर चर्चा की जाएगी।
चित्र 12-10 टर्बोचार्जर के वायु प्रवाह सिद्धांत का योजनाबद्ध आरेख, वॉल्यूट और डिफ्यूज़र के कार्यों को प्रदर्शित करता है।
टर्बोचार्जर प्रकार
सबसे पहले, निश्चित {{0}ज्यामिति टर्बोचार्जर और वेरिएबल{1}ज्यामिति टर्बोचार्जर के बीच अंतर करना महत्वपूर्ण है। यह आलेख इसे इस प्रकार परिभाषित करता है:
• फिक्स्ड -ज्यामिति टर्बोचार्जर: इंजन परिचालन स्थितियों की परवाह किए बिना सभी निकास गैसें टरबाइन आवास के माध्यम से प्रवाहित होती हैं।
• परिवर्तनीय ज्यामिति टर्बोचार्जर: बाहरी या आंतरिक नियंत्रण द्वारा, टरबाइन आवास के अंदर प्रवाह क्षेत्र को समायोजित किया जाता है, या निकास गैस के हिस्से को टरबाइन आवास को बायपास करने के लिए बनाया जाता है।
2001 तक, राजमार्गों पर अधिकांश वाणिज्यिक डीजल इंजनों में उपयोग किए जाने वाले टर्बोचार्जर अभी भी निश्चित ज्यामिति प्रकार के थे। लेकिन यह स्थिति बदल गई है. आजकल, जब हम ट्रक डीजल इंजन पर एक निश्चित ज्योमेट्री टर्बोचार्जर देखते हैं, तो यह आमतौर पर एक श्रृंखला टर्बोचार्जिंग जोड़ी का सदस्य या एक यौगिक टर्बोचार्जिंग सिस्टम का हिस्सा होता है। वर्तमान में, लगभग सभी टर्बोचार्जर टरबाइन आवास के माध्यम से निकास गैस के प्रवाह को विनियमित (नियंत्रित) करने के लिए किसी प्रकार की तकनीक को अपनाते हैं, चाहे निकास गैस बाईपास वाल्व के माध्यम से या आंतरिक चर ज्यामिति का उपयोग करके।
फिक्स्ड-ज्योमेट्री टर्बोचार्जर
आइए पहले फिक्स्ड {{0} ज्योमेट्री टर्बोचार्जर के कार्य सिद्धांत का वर्णन करें। फिक्स्ड-ज्योमेट्री टर्बोचार्जर को विशिष्ट गति और विशिष्ट अपशिष्ट ताप भार पर इष्टतम प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिसका अर्थ है कि वे बहुत बहुमुखी नहीं हैं। इंजीनियरों को परिचालन समय तब चुनना होगा जब टरबाइन दक्षता उच्चतम हो। अधिकांश सड़क इंजन जो निश्चित ज्यामिति टर्बोचार्जर का उपयोग करते हैं, आमतौर पर पूर्ण लोड और चरम टॉर्क गति पर अपने टर्बाइन की उच्चतम दक्षता प्राप्त करते हैं। यदि ऑपरेटिंग सीमा पार हो जाती है, तो प्रदर्शन में गिरावट आएगी। फिक्स्ड - ज्योमेट्री टर्बोचार्जर की संरचना सरल है। चित्र 12-9 इसकी विशिष्ट संरचना को दर्शाता है।
पीक टरबाइन दक्षता को रेटेड गति के बजाय पीक टॉर्क गति पर सेट करने से निश्चित {{0}ज्यामिति टर्बोचार्जर को स्व-विनियमन विशेषताएँ प्राप्त करने में मदद मिलती है: जब इंजन की गति बढ़ती है, तो दबाव डालने और सिलेंडर में ईंधन इंजेक्ट करने के लिए उपलब्ध वास्तविक समय कम हो जाता है। यदि एक निश्चित ज्यामिति टर्बोचार्जर को निर्दिष्ट गति सीमा के बाहर संचालित किया जाता है, तो इंजन टॉर्क वक्र तेजी से गिर जाएगा, जिससे इंजन को कम गति और उच्च भार पर संघर्ष करना पड़ेगा। जब उच्च गति पर लोड किया जाता है, तो गति तेजी से कम हो जाएगी, और ईंधन अर्थव्यवस्था भी खराब हो जाएगी।
चेतावनी:
फिक्स्ड - ज्योमेट्री टर्बोचार्जर के अनुचित मिलान से अत्यधिक उच्च सिलेंडर दबाव हो सकता है, जिससे इंजन विफल हो सकता है, या इसके विपरीत, अपर्याप्त शक्ति, काले धुएं का उत्सर्जन और हानिकारक उत्सर्जन में वृद्धि हो सकती है।
तकनीकी युक्तियाँ:
यद्यपि फिक्स्ड {{0}ज्यामिति टर्बोचार्जर वाले ट्रक डीजल इंजन को चरम टॉर्क पर उच्चतम गैस दक्षता प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, फिक्स्ड{1}ज्यामिति टर्बोचार्जर (जैसे गैर -सड़क भारी उपकरण या जनरेटर सेट) का उपयोग करने वाले अधिकांश अन्य डीजल इंजन आमतौर पर इसे रेटेड गति (अधिकतम शक्ति) पर प्राप्त करते हैं। इन अनुप्रयोगों में, फिक्स्ड {{4} ज्योमेट्री टर्बोचार्जर सामान्य रहते हैं और आमतौर पर पूर्ण {{5} पावर हाई {{6} स्पीड ऑपरेटिंग स्थितियों के लिए अनुकूलित होते हैं।
परिवर्तनीय ज्यामिति टर्बोचार्जर
परिवर्तनीय ज्यामिति टर्बोचार्जर के उद्देश्य को संक्षेप में प्रस्तुत किया जा सकता है:
• जब इंजन पर लोड कम हो, तो टरबाइन को एक छोटे टर्बोचार्जर की तरह तेजी से प्रतिक्रिया करने दें।
• जब इंजन पर भार अधिक हो, तो टरबाइन को बड़े टर्बोचार्जर की तरह पर्याप्त बूस्ट प्रदान करें।
ईसीएम द्वारा नियंत्रित आधुनिक टर्बोचार्जर उपरोक्त सभी लक्ष्यों को प्राप्त कर सकते हैं और सभी मध्यवर्ती चरणों का सटीक विनियमन कर सकते हैं, जिससे तेज प्रतिक्रिया गति (टर्बो हिस्टैरिसीस को कम करना) और कम उत्सर्जन होता है। कुछ वर्तमान टर्बोचार्जर गति और भार की व्यापक सीमा के भीतर बूस्ट दबाव को प्रबंधित करने के लिए बाहरी निकास बाईपास वाल्व और आंतरिक चर ज्यामिति के उपयोग को भी जोड़ते हैं।
• निकास गैस बाईपास वाल्व नियंत्रण प्रकार
निकास गैस बाईपास वाल्व प्रकार टर्बोचार्जर का उपयोग कई वर्षों से किया जा रहा है। इसका कार्य सिद्धांत है: एक "वाल्व" के माध्यम से, सभी निकास गैस को टरबाइन आवास के माध्यम से प्रवाहित करने के लिए नियंत्रित किया जाता है, या निकास गैस का कुछ हिस्सा सीधे निकास प्रणाली में छोड़ दिया जाता है। वर्तमान में, मुख्य रूप से दो नियंत्रण विधियाँ हैं:
• वायवीय नियंत्रण: बाईपास वाल्व का संचालन इनटेक मैनिफोल्ड के दबाव पर निर्भर करता है। आमतौर पर, स्प्रिंग वाले एक्चुएटर टैंक को अपनाया जाता है। डिफ़ॉल्ट रूप से, बंद स्थिति निकास गैस को टरबाइन के माध्यम से पूरी तरह से प्रवाहित करने की अनुमति देती है। जब मैनिफोल्ड बूस्ट दबाव निर्धारित मूल्य तक पहुंच जाता है, तो दबाव एक्शन रॉड को धकेलने के लिए स्प्रिंग बल पर काबू पा लेता है, जिससे निकास गैस के हिस्से को बायपास करने के लिए वाल्व खुल जाता है।
• इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण: इंजन ईसीएम द्वारा नियंत्रित। उदाहरण के लिए, कुछ इंजन दोहरे इनटेक पोर्ट के साथ एग्जॉस्ट बाईपास टर्बाइन का उपयोग करते हैं। ईसीएम सोलनॉइड वाल्व और मैनिफोल्ड दबाव के माध्यम से एक्चुएटर पर अभिनय करने वाले दबाव को सटीक रूप से प्रबंधित करता है, जिससे बहु-चरण बूस्ट विनियमन प्राप्त होता है। इसके नियंत्रण सिद्धांत को "इलेक्ट्रॉनिक - विद्युत नियंत्रण - वायवीय" के यौगिक नियंत्रण तंत्र के रूप में संक्षेपित किया जा सकता है।
• वॉल्यूट नियंत्रित चर ज्यामिति टरबाइन
आज के डीजल इंजनों में वॉल्यूट नियंत्रित वेरिएबल ज्योमेट्री टर्बोचार्जर को व्यापक रूप से अपनाया गया है। रेसिंग इंजन कई वर्षों से वॉल्यूट के प्रवाह क्षेत्र को नियंत्रित करने के लिए वैरिएबल एपर्चर नोजल का उपयोग कर रहे हैं, और डीजल इंजन ने इस तकनीक को उधार लिया है। डीजल इंजनों पर लागू पहला वॉल्यूट नियंत्रित टर्बोचार्जर 1990 के दशक की शुरुआत में सामने आया, लेकिन प्रारंभिक सफलता सीमित थी। लेकिन आजकल, अधिकांश डीजल इंजन निर्माताओं ने पारंपरिक निकास बाईपास वाल्व टर्बोचार्जर के बजाय परिवर्तनीय वॉल्यूट तकनीक को अपनाना पसंद किया है। उदाहरण के लिए, चित्र 12-11 में दिखाए गए पैकर एमएक्स13 इंजन पर स्थापित वेरिएबल ज्योमेट्री टर्बाइन (वीजीटी) एक विशिष्ट प्रतिनिधि है। परिवर्तनीय ज्यामिति टरबाइन के कार्य सिद्धांत को स्पष्ट करने के लिए, हम चित्र 12-12 में दिखाए गए विशिष्ट वॉल्यूट नियंत्रण टर्बोचार्जर को उदाहरण के रूप में लेंगे।
चित्र 12-11 वेरिएबल ज्योमेट्री टर्बाइन (वीजीटी) का उपयोग पैकर एमएक्स13 इंजन पर किया गया है
चित्र 12-12 वेरिएबल ज्यामिति टरबाइन (वीजीटी) का अनुभागीय दृश्य, इसके एक्चुएटर पर ध्यान देने के साथ
परिवर्तनीय नोजल टर्बोचार्जर
चित्र 12-12 एक विशिष्ट वैरिएबल नोजल टर्बोचार्जर का क्रॉस-सेक्शनल दृश्य दिखाता है। टरबाइन, पिनियन, नोजल ब्लेड और सिंक्रोनस रिंग जैसे प्रमुख घटकों की पहचान करने के लिए कृपया चित्र 12-13 देखें।
चित्र 12-13 वीएन टर्बोचार्जर के घटकों का कार्य सिद्धांत।
वेरिएबल नोजल टर्बोचार्जर, विलेय प्रवाह क्षेत्र को बदलने के लिए ब्लेड कोण को समायोजित करके आवश्यक बूस्ट दबाव उत्पन्न करता है। यह प्रक्रिया पिस्टन पर काम करने वाले तेल के दबाव द्वारा प्राप्त की जाती है, जो सीएएम गियर और क्रैंक शाफ्ट के साथ जुड़ती है, जिससे सिंक्रोनस रिंग घूमती है। सिंक्रोनस रिंग सभी ब्लेड असेंबलियों का समर्थन करती है। प्रत्येक ब्लेड एक पेचदार खांचे से सुसज्जित है। जब सिंक्रोनस रिंग की घूर्णन स्थिति बदलती है, तो ब्लेड अपने पिन शाफ्ट को आधार के रूप में घुमाता है, जिससे ब्लेड के झुकाव कोण का समकालिक समायोजन प्राप्त होता है। इस तंत्र के माध्यम से, विलेय (सेवन पक्ष) के प्रवाह क्षेत्र को बढ़ाया या घटाया जा सकता है, जो सीधे टरबाइन आवास के अंदर गैस दक्षता को प्रभावित करता है। संक्षेप में, विलेय का प्रवाह क्षेत्र टरबाइन की गति और अंततः टरबाइन कंप्रेसर द्वारा उत्पन्न बूस्ट दबाव को निर्धारित करता है।
परिवर्तनीय नोजल नियंत्रण
वेरिएबल नोजल टर्बोचार्जर को वेरिएबल नोजल नियंत्रण वाल्व द्वारा नियंत्रित किया जाता है। यह नियंत्रण वाल्व इंजन नियंत्रण मॉड्यूल द्वारा प्रबंधित एक आनुपातिक एक्चुएटर है, जो इनपुट वर्तमान सिग्नल को एक विशिष्ट पिस्टन रिंग स्थिति में परिवर्तित करने में सक्षम है। जब ब्लेड बंद स्थिति के करीब होते हैं (ब्लेड कभी भी पूरी तरह से बंद नहीं होंगे), टर्बोचार्जर अधिकतम बूस्ट दबाव उत्पन्न करता है। दबाव वाली हवा का प्रबंधन पूरी तरह से ब्लेड की स्थिति पर निर्भर करता है, क्योंकि ब्लेड कोण सीधे टरबाइन पर निकास गैस के कार्य करने के तरीके को निर्धारित करता है। चित्र 12-14 दिखाता है कि कैसे तेल का दबाव पिस्टन रिंग को सीएएम और क्रैंक तंत्र को सक्रिय करने के लिए प्रेरित करता है, जिससे सिंक्रोनस रिंग दक्षिणावर्त घूमती है, जिससे ब्लेड चौड़े हो जाते हैं और टरबाइन की गैस दक्षता कम हो जाती है।
चित्र 12-14 वीएन टर्बोचार्जर: टरबाइन दक्षता को कम करने के लिए ब्लेड के उद्घाटन को बढ़ाएं।
जब तेल का दबाव पिस्टन को बाईं ओर जाने के लिए प्रेरित करता है (चित्र 12-15), तो सिंक्रोनस रिंग वामावर्त घूमती है, ब्लेड को बंद स्थिति के करीब एक कोण पर समायोजित करती है, जिससे टरबाइन की दक्षता बढ़ जाती है और अधिकतम बढ़ावा मिलता है। इस क्रिया प्रक्रिया को चित्र 12-16 में देखा जा सकता है।
चित्र 12-15 वीएन टर्बोचार्जर: अधिकतम बूस्ट प्राप्त करने के लिए ब्लेड के उद्घाटन को कम करें।
चित्र 12-16 ब्लेड के उद्घाटन को नियंत्रित करने में सिंक्रोनस रिंग की भूमिका।
वेरिएबल नोजल टर्बोचार्जर की घूर्णी गति को इंडक्शन पल्स जनरेटर के सिद्धांत के आधार पर एक अक्षीय गति सेंसर के माध्यम से इंजन नियंत्रण मॉड्यूल में वापस फीड किया जाता है। इसका ट्रिगर सिग्नल टरबाइन शाफ्ट पर एक विशिष्ट स्थान पर समतल संरचना से लिया जाता है।
3. स्लिप रिंग वॉल्यूट टरबाइन
कमिंस होनीसेल टर्बोचार्जर्स द्वारा अपनाई गई एक और परिवर्तनीय वॉल्यूट संरचना: प्रवाह क्षेत्र को वीजी एक्चुएटर के माध्यम से स्लिप रिंग को घुमाकर समायोजित किया जाता है। इसका लक्ष्य कैटरपिलर के वीएन टरबाइन जैसा ही है, लेकिन इसे हासिल करने का तरीका थोड़ा अलग है। चित्र 12-17 2010 के बाद इंजनों पर उपयोग किए जाने वाले एक विशिष्ट वीजी एक्चुएटर मॉड्यूल को दर्शाता है।
चित्र 12-17: वीजी एक्चुएटर मॉड्यूल 10 साल बाद एक विशिष्ट इंजन पर उपयोग किया गया।