Turbina dyzeliniuose varikliuose: veikimo principas ir priežiūra

Daugelis yra pastebėję ant automobilių užrašą „turbo“, tačiau ne visi žino, ką tai reiškia ir kaip šis įrenginys veikia. Turbokompresorius, arba turbina, yra prietaisas, kuris yra varomas išmetamosiomis dujomis ir sujungtas velenu su kompresoriumi, pumpuojančiu orą į variklį. Didelis oro kiekis cilindre leidžia sudeginti daugiau degalų viename variklio cikle, o tai padidina galią ir efektyvumą. Šis procesas išnaudoja energiją, kuri kitaip būtų prarandama, todėl turbina tampa efektyviu būdu padidinti variklio našumą.

Turbina dyzeliniuose varikliuose

Dyzeliniai varikliai Lietuvoje vis dar itin populiarūs - tiek naudotų automobilių rinkoje, tiek komerciniame transporte. Tačiau vairuotojai dažnai klausia: ar visi dyzeliniai varikliai turi turbokompresorių? Atsakymas - ne, ne visi. Nors dauguma šiuolaikinių lengvųjų automobilių dyzelinių variklių turi turbinas, egzistuoja ir natūraliai aspiruojami dyzeliai - tai varikliai be turbo. Turbinos yra montuojamos į visus modernius dyzelinius variklius. Jos leidžia išspausti itin daug galios iš sąlyginai mažų variklių. Turbodai dirba efektyviai, yra galingi ir taupus pasirinkimas ilgesniems atstumams.

Moderniuose vidaus degimo varikliuose beveik visuomet yra viena ar net kelios turbinos (turbokompresoriai). Turbina pasitelkia išmetamąsias dujas, kurios suka turbinos ratą. Šis savo ruožtu suka kompresorių, spaudžiantį įsiurbiamą orą. Turbokompresorius dirba labai aukštoje temperatūroje ir slėgyje, todėl jam būtina nepriekaištinga priežiūra.

Turbokompresoriaus veikimo principas

Pagrindinis turbokompresoriaus principas yra padidinti variklio galingumą padidinant sudeginamo oro ir degalų kiekį. Karštos išmetamosios dujos, susidarančios degimo procese, nukreipiamos į vieną turbokompresoriaus pusę - „turbininį“ ratą. Šios dujos priverčia ratą suktis. „Turbininis“ ratas yra sujungtas ašimi su kitu ratu - „kompresoriniu“. Abu ratai sukasi tuo pačiu greičiu. Oras, einantis per „kompresorinį“ ratą, yra suspaudžiamas ir dėl trinties bei slėgio įkaista. Kadangi karštas oras yra mažiau tankus, prieš nukreipiant jį į degimo kameras, būtina jį atšaldyti.

Tam naudojamas interkuleris (oro aušintuvas), kuris sumažina suspausto oro temperatūrą. Atšaldytas oras tampa tankesnis, todėl į degimo kameras patenka didesnis jo kiekis. Didesnis oro kiekis leidžia sudeginti daugiau kuro, taip padidinant variklio galią. Oro aušintuvas yra radiatorius, montuojamas tarp kompresoriaus ir variklio, aušinamas aplinkinio oro srautu.

Teoriškai egzistuoja turbinos ir turbokompresoriaus kompresoriaus galingumų pusiausvyra. Kuo daugiau energijos turi panaudotos dujos, tuo greičiau suksis turbina. Dyzelinio variklio turbokompresorius sukasi nuo 1000 iki 130 000 aps./min. Naujos kartos turbokompresorių rotoriai sukasi iki 220 000 aps./min. Prie vidutinių variklio apsisukimų, vidutinio dydžio turbokompresorius gali prapompuoti 3,7 kubinio metro oro per minutę.

Turbinos sandara

Turbina sudaro korpusas ir rotorius. Panaudotos dujos iš išleidžiamojo variklio kolektoriaus patenka į priimamąjį turbokompresoriaus atvamzdį. Turbinos sukimosi greitis priklauso nuo jos korpuse esančio kanalo dydžio ir formos. Turbinų korpusai smarkiai skiriasi priklausomai nuo naudojimo srities. Esant tokio tipo korpusui tampa įmanomas impulsinis dujų srovės judėjimas ir galima sulaukti rezonansinių reiškinių. Turbinos korpuse, turinčiame dvigubą kanalą, kiekviena srovė paskirstoma visame turbinos rotoriaus paviršiuje.

Sistemoje su nuolatiniu slėgiu naudojama tik slenkamojo judėjimo panaudotų dujų energija. Šiuo atveju tegali būti naudojami tik turbinų korpusai su vienu kanalu. Didelių matmenų turbokompresoriuose dažnai įmontuojamas papildomas žiedas su nukreipiamosiomis mentėmis. Jis palengvina panaudotų dujų nuolatinės srovės sukūrimą turbinos rotoriuje ir leidžia reguliuoti srovę. Turbinos korpusas liejamas iš temperatūrai atsparaus lydinio. Turbinos rotorius taip pat gaminamas iš aukštos kokybės medžiagų, atsparių aukštai temperatūrai. Prie ašies stipriai pritvirtinamas turbinos rotorius.

Ašies medžiaga skiriasi nuo medžiagos, naudojamos turbinos rotoriui. Ašis ir rotorius, besisukantys skirtingomis kryptimis labai dideliu greičiu, spaudžia vienas kitą. Dėl trinties išsiskirianti šiluma sulieja juos vieną su kitu, suformuodama neišardomą vienetą. Ašis sujungimo vietoje tuščiavidurė. Ši tuštuma apsunkina šilumos perdavimą iš turbinos rotoriaus į jos ašį. Iš turbinos pusės ašyje yra įdubis, kuriame - sandarinimo žiedas. Prie plonesnio ašies galo montuojamas kompresoriaus rotorius; ten yra sriegis, ant kurio užsukama apsauginė veržlė rotoriui pritvirtinti.

Kompresoriaus sandara

Kompresorių sudaro korpusas ir rotorius. Kompresoriaus dydį nulemia varikliui reikalingo oro kiekis ir turbinos sukimosi greitis. Kompresoriaus rotorius stipriai pritvirtintas prie turbinos ašies, taigi sukasi tokiu pat greičiu kaip ir turbinos rotorius. Taip įsiurbiamas oras nukreipiamas į rotoriaus periferiją ir menčių nubloškiamas link kompresoriaus korpuso sienelės. Dėl to oras suslegiamas ir per įleidžiamąjį kolektorių patenka į variklį.

Tepimo ir sandarinimo sistema

Turbokompresorius sutepamas nuo variklio sutepimo sistemos. Ašies korpusas yra centrinė turbokompresoriaus dalis, esanti tarp turbinos ir kompresoriaus. Ašis sukasi slydimo guoliuose. Motorinė alyva kanalais nuteka tarp korpuso ir guolių, taip pat tarp guolių ir ašies. Paskutiniu metu atsirado konstrukcijų, kuriose guolis nejuda, o ašis sukasi alyvos vonelėje. Kompresorius sandarinamas iš abiejų pusių įmontuojant alyvą sulaikančias tarpines. Iš abiejų pusių įmontuojami ir sandarinimo žiedai. Nors šie žiedai ir padeda išvengti alyvos nuotėkio, jie iš tiesų nėra sandarinimo tarpinės. Juos reikia laikyti elementu, apsunkinančiu oro nuotėkį tarp turbinos, kompresoriaus ir ašies korpuso.

Įprastu turbokompresoriaus darbo režimu turbinoje ir kompresoriuje slėgis didesnis nei ašies korpuse. Visi alyvos sandarikliai dinaminio tipo. Iš turbinos pusės sandarinimo žiedai išdėstyti grioveliuose (tiek ašies korpuse, tiek ir ant pačios ašies). Tokiu pat principu žiedai sumontuoti ir iš kompresoriaus pusės. Sandarinimo žiedai atlieka svarbiausią vaidmenį užtikrinant hermetiškumą. Sandarinimo žiedas sukasi tokiu pat greičiu kaip ir ašis. Slėgis kompresoriuje ir turbinoje išstumia alyvą į korpusą. Dėl išcentrinės jėgos už kompresoriaus rotoriaus susidaro vakuumas.

Dirbant kompresoriui galimas alyvos nuotėkis iš ašies korpuso į kompresorių. Šiame kompresoriuje svarbiausią vaidmenį sandarinant vaidina sandarinimo žiedas. Kai variklis dirba mažomis apsukomis arba be apkrovos, už rotoriaus susidaro mažesnio slėgio zona. Alyva, tekanti nuo sandarinimo žiedų, nuteka vidine plokštelės puse žemyn, t. y. link angos alyvai nutekėti. Jei kompresoriuje susidarytų vakuumas, dujos įsiurbiamos lengviau nei gerokai sunkesnė alyva. Iš turbinos pusės alyvos nukreipimo problema ne tokia svarbi, turint omenyje, kad normaliomis sąlygomis slėgis turbinoje visada didesnis negu ašies korpuse. Bet kokioje ašies korpuso konstrukcijoje numatyta šilumos mainų sumažinimo būtinybė tarp turbinos su sandarinimo žiedais ir kompresoriaus. Šiuo tikslu iš turbinos pusės įmontuojama termoizoliacinė plokštelė, o ašies korpuse yra daugybė elementų šilumos mainams.

Turbokompresorių tipai automobiliuose

Automobilių pasaulyje dažniausiai sutinkami keli turbokompresorių tipai:

• Fiksuotos geometrijos mentės: Tai seniausias ir paprasčiausias tipas. Jie yra pigiausi remontuoti, tačiau jų efektyvumas yra trumpalaikis ir pasiekiamas tik nedideliame variklio sūkių diapazone.
• Kintamos geometrijos mentės (VGT - Variable Geometry Turbocharger): Šie turbokompresoriai veikia platesniame diapazone, tačiau yra techniškai sudėtingesni ir brangesni remontuoti. Kol kas kintamos geometrijos turbokompresoriai montuojami (serijinėje gamyboje) tik dyzeliniuose automobiliuose. Benzininiuose automobiliuose išmetimo dujų temperatūra didesnė nei dyzeliniuose, dėl šios priežasties mažėja kintamos geometrijos ilgaamžiškumas. Kintamos geometrijos pagalba padidinamas išmetimo dujų greitis, taip turbokompresoriaus ašis greičiau išsisuka ir sukelia slėgį sistemoje. Variklio sukimo momentas padidėja bei kylant variklio apsisukimams sukimo momentas tolygiau kyla.
• Dvigubi (angl. twin-scroll): Šie prietaisai apjungia ankstesnių tipų privalumus. Mažo diametro turbina efektyviai veikia esant žemiems variklio apsisukimams, o didelio diametro - aukštiems. Svarbu ne maišyti dvigubo turbokompresoriaus (twin-scroll) su dviem turbokompresoriais (twin-turbo). „Twin-scroll“ reiškia, kad turbinos korpusas yra padalintas į du atskirus kanalus išmetamųjų dujų srautui, užtikrinant efektyvumą įvairiose sūkių ribose. „Twin-turbo“ reiškia, kad automobilyje sumontuoti du atskiri turbokompresoriai.
• „Dviejų etapų“ sistema: Pastaruoju metu atsiradęs pažangiausias dizainas, susidedantis iš dviejų integruotų turbokompresorių. Tokios konstrukcijos leidžia išgauti maksimalų sukimo momentą jau esant 1200 aps./min. ir išlaikyti išmetamųjų dujų švarumą, atitinkantį EURO 4 standartus.

Turbokompresorių privalumai ir trūkumai

Privalumai

Pagrindinis turbokompresoriaus privalumas yra gebėjimas reikšmingai padidinti variklio galią ir efektyvumą, tuo pačiu mažinant emisijas. Priverstinis oro įpūtimas leidžia varikliui efektyviau deginti kurą, o tai gali lemti ir mažesnes degalų sąnaudas, palyginti su atmosferiniais varikliais. Pavyzdžiui, 1.6 litro darbinio tūrio atmosferinis variklis niekada neprilygs galia 1.6 litro varikliui su turbokompresoriumi. Šiuolaikiniai 1.6 litro varikliai su priverstiniu oro įpūtimu gali išvystyti apie 300 AG. Nors ne visi dyzeliniai varikliai turi turbinas, dauguma šiuolaikinių modelių be jų nebeįsivaizduojami. Turbina leidžia pasiekti didesnę galią, geresnį sukimo momentą ir mažesnes kuro sąnaudas.

Trūkumai ir problemos

Tačiau turbokompresoriai turi ir trūkumų. Vienas jų - „turbo lagas“ arba „turbo duobė“, t. y., vėlavimas tarp akceleratoriaus paspaudimo ir momento, kai turbokompresorius pradeda tiekti suspaustą orą į variklį. Nors naujesnių tipų turbokompresoriai ir kiti techniniai sprendimai padeda šį efektą sumažinti, jis vis tiek gali būti juntamas. Vairuojant tokį automobilį reikia šiek tiek įgūdžių norint aplenkti kitą automobilį arba greičiau prašokti per sankryžą. Kintamos geometrijos turbokompresoriai sukurti tam, kad sumažintų šią „turbo duobę“.

Kita problema - suspaustas oras, pumpuojamas į cilindrus, gali sukelti detonaciją - reiškinį, kai oro ir degalų mišinys susprogsta anksčiau, nei turėtų, dėl didelio oro temperatūros kilimo. Tai gali stipriai pažeisti variklį, todėl būtina naudoti aukštesnio oktaninio skaičiaus degalus. Kadangi turbinos veikia itin aukštoje temperatūroje, svarbu užtikrinti, kad karštis nepakenktų metalinėms detalėms. Didelės apkrovos, kurias patiria turbokompresorius, gali sutrumpinti kai kurių komponentų tarnavimo laiką, todėl gali padidėti remonto išlaidos.

Turbokompresoriaus gedimai ir priežiūra

Nors modernūs vidaus degimo varikliai yra tikrai patvarūs, kruopšti priežiūra bei laiku daromas aptarnavimas gali ženkliai prailginti turbinos tarnavimo laiką ir padėti išvengti brangių gedimų. Nauja ir kokybiška turbina turėtų atlaikyti apie 200 tūkst. kilometrų, tačiau po to dažnai prasideda problemos.

Gedimų priežastys

Turbokompresoriai yra labai preciziški komponentai, kurie sukasi itin dideliu greičiu. Jų veikimui užtikrinti reikalingas puikus tepimas, švarus oro srautas ir pakankamas aušinimas. Dažniausios gedimų priežastys yra susijusios būtent su šiais dalykais:

1. Turbūt dažniausios turbokompresoriaus gedimo priežastys yra susijusios su nepakankamu tepimu. Turbinos darbas labai priklauso nuo variklio alyvos, kuri tepa ir aušina jos guolius. Jei tiekimo kanalai užsikemša ir užsiteršia, guoliai ir velenai gali perkaisti, susidėvėti arba net užstrigti. Dėl to iškyla kapitalinio remonto poreikis. Kai susidėvi tarpinės, sandarikliai ir guoliai, alyva gali nutekėti į įsiurbimo arba išmetimo sistemą arba sudegti variklyje.
2. Turbokompresoriai dirba su itin karštomis išmetamosiomis dujomis, todėl svarbu užtikrinti tinkamą aušinimą.
3. Netinkamas montavimas ir kompiuterinis kalibravimas gali iššaukti turbokompresoriaus gedimą, net jei pati detalė bus nauja.

Gedimo simptomai

Kai turbokompresorius pradeda gesti, jis nebegali į variklį įpūsti pakankamai oro, todėl degimo procese būna mažiau deguonies. Dėl to variklis lėčiau reaguoja į akceleratoriaus paspaudimą, reikia ilgesnio laiko, kad pavyktų įsibėgėti. Kiti gedimo simptomai:

• Padidėjęs dūmingumas: dažnai yra plika akimi matomas ir neretai praneša, kad kažkas negerai su turbina.
• Keisti garsai: Sveikas turbokompresorius veikia tyliai, nepaisant to, kad sukasi labai dideliu greičiu. Tačiau kai vidiniai komponentai susidėvi arba sugenda (pavyzdžiui, guoliai arba turbinos mentės), galite išgirsti švilpimą, ūžimą, barškėjimą arba kitus keistus garsus. Turbinos bėdos tampa pastebimesnės, kai ji ima dirbti - augant variklio sūkių skaičiui.
• Klaidų kodai: Šiuolaikiniai automobiliai turi savęs stebėjimo sistemas, kurios nuolat analizuoja variklio darbą. Tokie kodai, kurie praneša, jog variklyje yra nepakankamas slėgis paprastai rodo turbokompresoriaus problemas.
• Padidėjusios kuro sąnaudos: Gedimas turbinoje taip pat gali turėti įtakos kuro sąnaudoms. Kadangi prastai veikianti turbina varikliui neduoda pakankamai suslėgto oro, pastarasis turi dirbti intensyviau (įpurškiant daugiau degalų), kad kompensuotų deguonies trūkumą.
• Alyvos nutekėjimas: Nusidėvėjusi turbina dažnai pradeda leisti alyvą, kuri patenka į degimo kamerą.

Priežiūros rekomendacijos

Norint užtikrinti ilgą ir patikimą turbokompresoriaus tarnavimą, svarbu tinkamai jį prižiūrėti. Pagrindinės priežiūros priemonės:

1. Reguliarus variklio alyvos keitimas: Kadangi alyvos kokybė yra labai svarbi, laikykitės gamintojo nurodytų alyvos keitimo intervalų. Paprastai rekomenduojama tai daryti kas 10 000 km, naudojant aukštos kokybės sintetinę alyvą, kad išvengtumėte apnašų susidarymo.
2. Po intensyvios kelionės, prieš užgesindami variklį, leiskite jam trumpai dirbti laisva eiga. Leidus varikliui bent porą minučių padirbti laisva eiga, alyva sušils ir palaipsniui atvėsins turbiną, taip išvengiant staigių temperatūros pokyčių.
3. Geras oro filtras ir tvarkingai dirbanti įsiurbimo sistema apsaugo turbiną nuo abrazyvinių dalelių ar nešvarumų, kurie gali pažeisti menteles.
4. Reguliarus aušinimo skysčio pildymas, išmetamųjų dujų recirkuliacijos (EGR) sistemos, pačios turbinos ir susijusių variklio sistemų patikra padeda užtikrinti, kad turbokompresorius veiktų tinkamai.

Jeigu girdite pašalinius garsus arba tiesiog įtariate, kad automobiliui galbūt ne viskas gerai - registruokitės vizitui į servisą, kad variklį patikrintų profesionalai. Turbokompresoriaus remontas yra sudėtingas ir brangus procesas. Vidutinė remonto kaina gali svyruoti nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių eurų. Dažniausiai keičiami guoliai, tarpinės ir sparnuotės, paliekant senąjį korpusą. Jei turbina visiškai sugedusi, gali tekti pirkti naują, kurios kaina gali siekti ir tūkstantį eurų.

tags: #ar #visuose #dyzeliniuose #varikliuose #yra #turbina