Automobilio turbo rinkinys: kas tai ir kaip veikia?

Turbokompresorius, arba liaudiškai turbina, tapo neatsiejamu šiuolaikinių dyzelinių ir daugelio benzininių automobilių variklių atributu. Nors į automobilių pasaulį jis atkeliavo palyginti neseniai ir pradėjo populiarėti maždaug prieš du dešimtmečius, šiandien jis yra plačiai paplitęs.

Kas yra turbokompresorius?

Turbokompresorius (angl. turbocharger) yra turbina, varoma išmetamųjų dujų, kuri velenu sujungta su kompresoriumi. Šis kompresorius pumpuoja orą į variklį. Dėl didesnio oro kiekio cilindre galima sudeginti daugiau kuro viename variklio cikle, o tai padidina galią ir efektyvumą. Tai tiesiog „nemokami pietūs“ inžinerijoje, nes beveik be jokių papildomų išlaidų panaudojama energija, kuri kitaip būtų prarandama su išmetamosiomis dujomis.

Kaip veikia turbokompresorius?

Paprastai variklis veikia kaip siurblys: oras ir kuras suspaudžiami cilindre, uždegami uždegimo žvake ir išsiskiria energija. Turbokompresoriaus veikimo principas yra gana paprastas. Variklio išmetamosios dujos suka turbinos sparnuotę, kuri velenu sujungta su kompresoriaus sparnuote. Kompresorius įtraukia orą per oro filtrą, suspaudžia jį ir pumpuoja į variklio cilindrus. Dėl to į variklį patenka net du kartus daugiau oro, nei jis „įkvėptų“ natūraliai aspiruotas variklis. Dėl suspaudimo oras smarkiai įkaista. Suspausto oro temperatūra pakyla, tačiau eidamas per turbokompresoriaus radiatorių (interkulerį arba tarpinį oro aušintuvą), jis atvėsta. Tuomet suspaustas oras patenka į variklį - kuo daugiau oro gauna variklis, tuo daugiau kuro jis gali sudeginti - taip padidėja variklio galingumas.

Daugelis modernių turbokompresorių gali suktis iki 150 000 aps./min. arba daugiau. Dėl greito sukimosi suspaustas oras yra tankesnis, todėl su tuo pačiu kuro kiekiu pasiekiama didesnė galia ir sukimo momentas.

Turbokompresoriaus komponentai

Liaudiškai tariant, turbina yra panaši į sraigę. „Sraige“ turbokompresorius vadinamas ne veltui, nes dvi jo pagrindinės dalys - kompresoriaus ir turbinos korpusai - yra panašūs į šį moliuską, ir neretai jie vadinami kompresoriaus ir turbinos „sraigėmis“. Svarbiausi turbokompresoriaus komponentai yra du sparnuotės ratukai, sumontuoti ant vienos ašies. Turbinos rotorių suka iš variklio išmetamosios dujos, o kompresoriaus rotorius suspaudžia orą iš įsiurbimo sistemos. Kitos itin svarbios turbinos dalys yra turbokompresoriaus ir turbinos sparnuotės, tarp kurių yra slydimo guolių sistema.

Turbinų tipai ir jų ypatumai

Turbinos konstrukcija gali būti įvairi, o turbokompresoriai skirstomi į kelis tipus, atsižvelgiant į jų konstrukciją ir veikimo principą:

• Turbinos su fiksuotos geometrijos mentėmis: Tai seniausiai išrastas ir paprasčiausias tipas. Dėl savo paprastumo jos yra pigiausiai remontuojamos. Tačiau jų efektyvumas yra trumpalaikis ir pastebimas tik esant žemiems variklio sūkiams.
• Turbinos su kintamos geometrijos mentėmis (VGT/variable geometry): Šio tipo turbokompresoriai veikia platesniame variklio sūkių diapazone. Tačiau jie yra techniškai sudėtingesni ir brangiau remontuojami.
• Dvigubos turbinos (angl. twin-turbo arba twin scroll): Šis sprendimas sujungia ankstesnių tipų privalumus. Mažo skersmens turbina efektyviai veikia esant žemiems variklio apsisukimams, o didesnio skersmens - aukštiems. V6 ar V8 dizainai dažnai turi po turbokompresorių kiekvienai cilindrų bankai, o eilės (inline) varikliai gali turėti vieną arba kelis turbokompresorius.

Turbokompresorių privalumai

Automobilių turbinos suteikia keletą svarbių privalumų:

• Geresnis degalų naudojimo efektyvumas: Turbinos panaudoja atliekinę šilumą, maksimaliai padidindamos iš degalų išgaunamą energiją, todėl padidėja rida ir sumažėja degalų sąnaudos.
• Mažesnė tarša: Optimizuojant degalų deginimą, turbinos išskiria mažiau kenksmingų teršalų, prisidedant prie švaresnio oro. Šis sprendimas leidžia „downsizing“ - mažinti variklio tūrį be ryškaus galios praradimo, o tuo pačiu gerinti kuro sąnaudas ir mažinti emisijas.
• Didesnis sukimo momentas žemuose sūkiuose: Daugelis modernių turbinų yra sukonfigūruotos taip, kad suteiktų didžiausią momentą jau prie mažų aps./min., kas pagerina prasiveržimą iš vietos bei kasdienį vairavimą.
• Dydis ir svoris: Mažesnis variklio tūris reiškia mažesnę masę ir sutaupytą vietą variklio skyriuje - tai suteikia gamintojams daugiau laisvės dizainui ir svorio paskirstymui. Pavyzdžiui, mažas 1.5-2.0 l turbo benzininis variklis gali pakeisti senesnį 2.5-3.5 l atmosferinį variklį, išlaikant panašią galią, bet gerinant kuro ekonomiškumą.
• Dinaminė eiga: Turbo suteikia greitesnį pagreitį ir didesnę galimą maksimalinę galią, kai to reikia, kas yra svarbu tiek kasdienėje dinamikoje, tiek sportiniam vairavimui.
• Garso charakteris: Turbo varikliai dažnai skamba tvarkingiau, nes turbina slopina tam tikrus išmetimo impulsus; aukštos klasės turbinose girdimas ir boost „švilpimas“ arba air whine, kai įjungiamas slėgis.

Turbokompresorių trūkumai ir iššūkiai

Nors turbinos suteikia daug privalumų, yra ir tam tikrų trūkumų bei iššūkių, su kuriais susiduria vairuotojai:

• „Turbo lag“ (turbopauzė): Reikia laiko, kol turbina įsibėgėja ir pasiekia optimalų darbinį greitį. Šis vėlavimas gali trukdyti situacijose, kai reikia greitai įsibėgėti. Guolinio tipo turbinose šis trūkumas mažiau pastebimas. Šią problemą galima iš dalies spręsti naudojant mažesnius turbokompresorius, kurie įsisuka greičiau, tačiau jie negali užtikrinti pakankamo oro kiekio esant dideliems variklio sūkiams.
• Detonacija: 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.
• Papildomos išlaidos: Sudėtinga turbinų konstrukcija ir specialios medžiagos lemia didesnes transporto priemonės gamybos sąnaudas, todėl automobilių su turbinomis pirkimo kaina dažnai būna didesnė.

Turbovariklis vs. Superkroviklis (Supercharger)

Pagrindinis skirtumas tarp turbovariklio ir superkroviklio - jėgos šaltinis. Turbina naudoja išmetimo dujas, todėl yra efektyvesnė dėl „nemokamos“ energijos panaudojimo, tačiau gali kilti turbo užlaikymas (turbo lag) - delsimas tarp degimo impulso ir turbinos reakcijos. Superkroviklis sukamas diržu tiesiogiai nuo variklio, todėl suteikia momentinę trauką be užlaikymo, bet tai kainuoja variklio jėgą ir mažina efektyvumą. Todėl supercharger dažniau pasirenkamas aukštosios galios ir sportiniams sprendimams, o turbina - universalesnis pasirinkimas kuro ekonomijai ir emisijų mažinimui. Superkroviklis kažkiek galios iš paties variklio atima. Skirtumas tikrai yra, patikėkite. Taigi, kuo jie skiriasi (neskaitant juos veikti priverčiančios jėgos)?

Eksploatacijos ir priežiūros patarimai

Kad automobilis su turbina tarnautų ilgai, būtina laikytis tam tikrų eksploatacijos reikalavimų ir reguliariai atlikti priežiūrą. Turbinos tarnavimo laiką galima maksimaliai pailginti, o kai kurių automobilių turbokompresorius pradeda gesti tik tada, kai rida viršija 250-300 tūkst. km. Tai nėra sunku ir nereikalauja didelių aukų.

Tinkama vairavimo technika

• Nespartus užvedimas: Pirmąsias kelias minutes po variklio paleidimo neturėtumėte važiuoti dideliu greičiu. Prireikia šiek tiek laiko, kad turbokompresorius būtų tinkamai suteptas variklio alyva. Užvedę variklį galite palaukti kelias sekundes ir tik tada pajudėti iš vietos.
• Variklio vėsinimas po darbo: Sustabdę automobilį, prieš išjungdami variklį palaukite nuo 30 iki 60 sekundžių. Šį laiką variklis turi veikti tuščiąja eiga, kad turbokompresorius atvėstų. Jei variklis iš karto išjungiamas, turbinos variklyje likę variklinės alyvos likučiai pradės koksuotis. Susidaręs dumblas turi labai žalingą poveikį turbinai.
• Reguliarus turbinos „pramankštinimas“: Jeigu mėgstate ramų važiavimo būdą, kartas nuo karto nepamirškite „pramankštinti“ turbinos stipresniais akceleratoriaus paspaudimais. Ilgalaikis ramus važinėjimas kenkia ir turbina pradeda strigti (sutrinka turbinos geometrija), nes suodžiai užsilieka turbokompresoriuje, jie nėra pilnai išmetami ir viskas nusėda ant sienelių.
• Vengimas didelių apkrovų šaltam varikliui: Esant šaltam varikliui reikėtų vengti stiprių akceleratoriaus paspaudimų.
• Važiavimas už miesto ribų: Nuolatinis važinėjimas mieste taip pat nėra naudingas turbinai. Todėl bent kartą per savaitę turėtumėte išvykti į kelionę už miesto.
• „Start-stop“ sistema: Prieštaringai vertinamas klausimas dėl „start - stop“ sistemos naudojimo. Sustojus prieš kiekvieną sankryžą, variklis išjungiamas. Kartu su juo ir prikaitęs turbokompresorius. Teoriškai turbokompresoriui apsaugoti naudojami įvairūs sprendimai, pavyzdžiui, alyvos slėgio palaikymo sistema, kai variklis išjungtas.

Variklio alyvos ir filtrų priežiūra

• Alyvos lygis ir kokybė: Būtina laiku keisti variklinę alyvą ir alyvos filtrą (filtrus). Stebėkite, kad alyvos lygis nebūtų žemiau leistinos ribos. Pirmiausia būtina naudoti automobilio gamintojo rekomenduojamos specifikacijos alyvą (pagal SAE specifikaciją: pvz., 5W30) ir atitinkančią automobilio gamintojo kokybės reikalavimus. Turbinų specialistai rekomenduoja nemaišyti skirtingų gamintojų tepalų ir juos keisti kas 10-15 tūkst. km, arba kas 5000 km, jei naudojami pigesni, pusiau sintetiniai tepalai, kad išvengtumėte alyvos apnašų susidarymo, kurios gali pažeisti turbinos veleną.
• Alyvos filtro keitimas: Reguliariai keiskite variklio alyvą kartu su alyvos filtru. Senstant variklio alyva praranda savo apsaugines savybes. Kuo prastesnės alyvos apsauginės savybės, tuo prastesnė judančių variklio komponentų ir turbokompresorių apsauga. Sena, užteršta alyva gali užkimšti turbinos tepimo liniją. Dėl to ji nebus sutepta.
• Oro filtro keitimas: Reguliariai keiskite oro filtrą ir naudokite aukštos kokybės oro filtrą. Jį taip pat reikėtų laikas nuo laiko patikrinti, kad jis nebūtų užsikimšęs ir leistų turbinos kompresoriui lengvai per jį siurbti šviežią orą. Patariama oro filtrą keisti du kartus į metus: pavasarį ir rudenį.
• Išmetimo sistemos būklė: Sekite, kad nebūtų užsikimšusi išmetimo sistema (ypač automobiliams su katalizatoriais). Užsikimšus išmetimo sistemai (ar katalizatoriui) turbokompresorius gauna neleistiną ašinę veleno apkrovą.
• Alyvos tiekimo linijos patikrinimas: Patikrinkite variklio alyvos tiekimo į turbokompresorių linijos būklę. Gali atsitikti, kad linija bus susiraizgiusi. Tuomet variklio alyva nepasieks turbinos.
• Žemo alyvos slėgio gedimų šalinimas: Kuo greičiau pašalinkite gedimus, dėl kurių susidaro žemas alyvos slėgis, pvz., dėl nešvarios variklio alyvos užsikimšęs alyvos karterio išleidimo vamzdis. Žemas variklio alyvos slėgis reiškia, kad alyva negalės pasiekti turbinos.

Turbinos gedimo požymiai ir remontas

Kaip ir kiti automobilio mechanizmai, taip ir turbokompresoriai nėra amžini - jie genda, o turbinų restauravimas (remontas) kainuoja nemažus pinigus. Gerai veikiantis turbokompresorius mus informuoja, kad automobilio variklis ir jo mazgai taip pat veikia sklandžiai. Sugedus turbinai, reikia ieškoti gedimo ir variklio sistemoje. Faktas tas, kad šiuos gedimus galima identifikuoti anksčiau, taip užkertant kelią turbokompresoriaus „subyrėjimui“. Susirūpinti reiktų tuomet, jeigu padidėja variklio alyvos sunaudojimas ar tepalai sunkiasi pro turbiną, sklinda neįprasti pašaliniai garsai iš turbokompresoriaus, sumažėja ar visai dingsta variklio galia, padidėja kuro sąnaudos ar iš išmetimo sistemos veržiasi melsvi arba juodi dūmai. Pagrindinis tokio defekto simptomas yra traukos dingimas važiuojant į kalną ar dideliu greičiu. Tuomet įsijungia serviso režimas. Užgesinus variklį, strigimas dingsta ir vėl galima važiuoti.

Turbinos savarankiškai suremontuoti nepavyks. Reikės pirkti naują arba restauruoti senąją. Naujos turbinos kaina gali siekti iki tūkstančio eurų, o restauravimas paprastai yra tris kartus pigesnis. Restauravimo metu pakeičiami guoliai, tarpinės ir sparnuotės, išsaugant senąjį korpusą. Perdirbimo kaina yra 150-200 eurų. Tačiau tai dar ne viskas. Šiuo atveju taip pat reikia pakeisti tarpinį aušintuvą. Priešingu atveju turbokompresorių gaminanti įmonė gali atsisakyti suteikti garantiją.

Elektrinės turbinos - nauja karta

Pastaruoju metu vis daugiau dėmesio sulaukia elektrinės turbinos. Viena iš tokių naujovių yra „BorgWarner“ sukurta „e-Booster“ sistema. Elektrinės turbinos, skirtingai nuo tradicinių, nėra tiesiogiai jungiamos prie variklio ir nenaudoja tepalų, todėl jų eksploatacija yra pigesnė. Be to, jos veikia tik elektros energija, nenaudoja degalų, todėl padidina variklio efektyvumą ir gali du kartus sumažinti kuro sąnaudas bei išmetamųjų dujų emisijas.

Anksčiau elektrinės turbinos turėjo didelį trūkumą - jos efektyviai veikė tik žemesniuose variklio sūkiuose. Tačiau „e-Booster“ sprendžia šią problemą. Dėl to, kad ji varoma elektros energija, ji gali įsisukti iki 70 000 aps./min. vos per 0,27 sekundės. Veikdama kartu su tradicine turbina, ji gali 85% padidinti sukimo momentą varikliui dirbant 1500 aps./min., didinant variklio galią. Elektrinis kompresorius ypač naudingas, kai variklis dirba 1000-1500 sūkių diapazone arba kai akceleratoriaus pedalas spaudžiamas švelniai. Tinkamai sukonfigūruotas elektrinis kompresorius gali atlikti pagrindinę funkciją ir nenaudoti pajėgesnės tradicinės turbinos. Teigiama, kad tinkamai eksploatuojant elektrinę turbiną, vidutinės kuro sąnaudos gali sumažėti 2-4 litrais 100 kilometrų.

tags: #automobilio #turbo #rinkinys