Benzininių automobilių turbinos

Turbokompresorius, arba sutrumpintai 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?

Daugelis yra pastebėję ant automobilių užrašą „turbo“, tačiau ne visi žino, ką tai reiškia, o dar mažiau supranta, kaip šis įrenginys veikia, kokią naudą jis suteikia ir kaip tinkamai jį eksploatuoti. Daiktas, vairuotojų vadinamas tiesiog turbina, yra neatskiriama šiuolaikinio dyzelinio variklio dalis. Iš tikrųjų jį reikėtų vadinti turbokompresoriumi, nes šis agregatas susideda iš dviejų dalių: dujų turbinos ir kompresoriaus, sujungtų į vieną agregatą.

Pagrindinis fizikos dėsnis, susijęs su turbokompresoriaus veikimu, yra idealių dujų dėsnis, kuris teigia, kad dujų temperatūra, slėgis ir tūris yra tarpusavyje susiję: suspaudžiant dujas, jų temperatūra kyla, o leidžiant dujoms plėstis, jų temperatūra ir slėgis mažėja.

Turbokompresoriaus veikimo principas

Vienas paprasčiausių būdų padidinti variklio galingumą yra padidinti sudeginamo oro ir degalų kiekį. Turbokompresorius veikia gana paprastai: variklio išmetamosios dujos, susidarančios degant degalų mišiniui, nukreipiamos į turbinos (pirmojo rato) mentes ir priverčia jį suktis. Šis ratas yra sujungtas velenėliu su kompresoriumi (antrojo rato), esančiu kitame mazgo gale. Abu ratai sukasi vienodu greičiu.

Kompresorius įtraukia orą iš aplinkos, suspaudžia jį ir pumpuoja į variklio cilindrus. Dėl suspaudimo oras smarkiai įkaista. Kadangi didesnis oro kiekis cilindre leidžia sudeginti daugiau degalų, o tai didina galią, būtina užtikrinti, jog į variklį patektų kuo daugiau oro molekulių, o ne tik didelis slėgis. Tam naudojamas interkuleris (tarpinis suslėgto oro aušintuvas). Jis sumažina suspausto oro temperatūrą, taip padidindamas jo kiekį tūrio vienete ir leisdamas varikliui efektyviau dirbti. Interkuleris yra radiatorius, montuojamas tarp kompresoriaus ir variklio, aušinamas aplinkinio oro srautu. Turbokompresorius iš esmės veikia kaip oro siurblys, panaudojantis išmetamųjų dujų energiją, kuri kitaip būtų prarandama. Tai inžinerinis sprendimas, leidžiantis pasiekti didesnį variklio našumą beveik be papildomų energijos sąnaudų.

Turbokompresorių tipai ir jų ypatumai

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: Šio tipo turbokompresoriai veikia platesniame variklio sūkių diapazone. Tačiau jie yra techniškai sudėtingesni ir brangiau remontuojami.
• Dvigubos turbinos (angl. twin scroll): Šis sprendimas sujungia ankstesnių tipų privalumus. Mažo skersmens turbina efektyviai veikia esant žemiems variklio apsisukimams, o didesnio skersmens - aukštiems.

Pagrindinė turbokompresoriaus nauda: galios padidėjimas ir ekonomija

Bene svarbiausia ir dažniausiai pabrėžiama turbokompresoriaus ypatybė - varikliui suteikiama papildoma galia. Joks 1,6 litro darbinio tūrio atmosferinis variklis, gaunantis orą natūraliu būdu, negali prilygti 1,6 litro varikliui su turbokompresoriumi. Šiuolaikiniai 1,6 litro varikliai su priverstiniu oro įpūtimu, montuojami į serijinius automobilius, gali išvystyti apie 300 AG. Tai pasiekiama dėl didesnio oro kiekio, kuris patenka į cilindrus.

Nors didesnis oro kiekis cilindruose reikalauja ir daugiau degalų, bendra degalų ekonomija turbokompresorius naudojančiuose varikliuose dažnai būna geresnė nei varikliuose be jo. Tai lemia mažesnės degalų sąnaudos ir mažiau į aplinką išmetamo anglies dioksido (CO2) ir šilumos. Be to, optimizuojant degalų deginimą, turbinos išskiria mažiau kenksmingų teršalų, prisidedant prie švaresnio oro.

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.

Turbokompresorių privalumai ir trūkumai

Privalumai

• 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.
• Didelis galios ir svorio santykis: Dėl kompaktiško dydžio ir lengvos konstrukcijos jos gali generuoti didelę galią, palyginti su jų mase.

Trūkumai ir galimos problemos

• „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.
• 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. Kita vertus, tai nereikalingos išlaidos, jų įmanoma išvengti tinkamai prižiūrint turbokompresorių.

Turbokompresoriaus gedimai ir priežiūra

Turbina gali tekti keisti nuvažiavus 250 000 km arba 20 000 km. Automobilio eksploatavimo trukmė visų pirma priklauso nuo vairuotojo ir nuo to, kaip automobilis prižiūrimas. Didelė nauda neateina be sąnaudų. Viena didžiausių eksploatacinių sąnaudų yra pati turbina, patirianti dideles apkrovas ir galinti suktis iki 200 000 apsisukimų per minutę. Tepimo sutrikimai yra kas antro turbokompresoriaus gedimo priežastis. Maždaug 70 procentų turbokompresoriaus gedimų būna dėl nekokybiškos alyvos ir jos filtrų, per reto alyvos keitimo, kitų tepimo sistemos problemų. 20 procentų sugenda, kai koks nors kietas ar minkštas daiktas patenka į turbokompresorių, nes nesandaraus oro filtras arba vamzdynas. 10 procentų gedimų būna dėl leistinų sūkių viršijimo arba dėl kitų priežasčių.

Turbinos gedimo požymiai

Sugedus turbinai, dažniausiai pastebimi šie požymiai:

• Gerokai padidėja iš automobilio duslintuvo išmetamų dūmų kiekis (balti, mėlyni ar pilki dūmai).
• Dažniausiai padidėja alyvos sąnaudos.
• Kartais sumažėja variklio trauka.
• Degalų sąnaudos ne visada pastebimai pakinta.
• Atsiranda cypiantys garsai spaudžiant akceleratorių.
• Turbinos perpučiamas oras (dėl turbinos geometrijos gedimo).

Turbinos veleno gedimo priežastys

Turbinos velenas lūžta dėl kelių priežasčių. Tai gali būti kas nors „išspjauta“ iš paties variklio išmetimo sistemos. Kadangi smūgis dažnai būna toks stiprus, kad sulaužo itin kietus turbinos sparnelius, velenas taip pat lūžta. Kartais būna, kad prie oro srauto matuoklės esantis tinklelis atitrūksta ir jo metalinės skeveldros lekia tiesiai į turbokompresorių. Turbinos sparneliai irgi sugenda dėl tam tikrų priežasčių. Dažnai turbinos sparnelius sugadina dingęs turbinos balansas. Įsivaizduokite visaip besimakaluojančią turbinos ašį ir atminkite, kad sparneliai yra labai arti kriauklės. Todėl ir menkiausias nuokrypis gali lemti, kad šios dvi dalys susiliestų.

Turbinos priežiūra

Tinkama turbinos priežiūra yra labai svarbi norint prailginti jos tarnavimo laiką ir išvengti brangių gedimų. Tai nėra sunku ir nereikalauja didelių aukų.

1. Dažnas variklio alyvos keitimas: Tai padeda pašalinti visus pašalinius objektus ir užtikrinti tinkamą turbinos tepimą. Ypač svarbu reguliariai keisti variklio alyvą, ypač jei naudojate pigesnius, pusiau sintetinius tepalus - tai reikėtų daryti kas 5000 kilometrų, kad išvengtumėte alyvos apnašų susidarymo, kurios gali pažeisti turbinos veleną. Naudojant sintetinę alyvą ir keičiant ją kas 10 000 kilometrų, galima sumažinti šią riziką. Pirmiausia būtina naudoti automobilio gamintojo rekomenduojamos specifikacijos alyvą (pagal SAE specifikaciją: pvz., 5W30) ir atitinkančią automobilio gamintojo kokybės reikalavimus.
2. Alyvos lygio tikrinimas: Variklio alyvos lygis yra labai svarbus. Jį reikia patikrinti ir, jei reikia, papildyti.
3. Reguliarus alyvos ir oro filtrų keitimas: Sena, užteršta alyva gali užkimšti turbinos tepimo liniją. Oro filtras apsaugo įsiurbimo sistemą nuo nešvarumų (pvz., smėlio grūdelių), kurie gali sugadinti turbiną.
4. Tinkama vairavimo technika: Norint prailginti turbinos tarnavimo laiką, rekomenduojama po variklio užvedimo minutę leisti jam dirbti laisva eiga, ypač šaltuoju metų laiku. Per tą laiką alyva sušils, įkaitins turbiną ir ji nepatirs staigių temperatūros pokyčių. Po intensyvaus važiavimo, kai turbina dirbo didelėmis apkrovomis, sustabdžius automobilį, prieš išjungiant 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 koksuoti. Susidaręs dumblas turi labai žalingą poveikį turbinai. Prieštaringai vertinamas klausimas dėl „start - stop“ sistemos naudojimo - teorijoje naudojami sprendimai (pvz., alyvos slėgio palaikymo sistema) turėtų apsaugoti turbiną, tačiau nuolatinis važiavimas mieste nėra naudingas. Todėl bent kartą per savaitę turėtumėte išvykti į kelionę už miesto.
5. Variklio alyvos tiekimo linijos būklės patikrinimas: Gali atsitikti, kad linija bus susiraizgiusi, tuomet variklio alyva nepasieks turbinos.
6. Greitas 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 remontas ir restauravimas

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. 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. Restauravimo metu pakeičiami guoliai, tarpinės ir sparnuotės, išsaugant senąjį korpusą.

Jei staiga automobilis liovėsi „traukęs“, iš išmetimo vamzdžio ėmė virsti balti, mėlyni ar pilki dūmai, pradėjo varvėti alyva, atsirado cypiantys garsai spaudžiant akceleratorių - didelė tikimybė, kad sugedo turbokompresorius. Tokiu atveju geriausia kreiptis į servisą, kurio specializacija - variklių ir turbokompresorių remontas. Šios srities specialistų konsultacija labai svarbi, nes tai gali būti ir ne turbokompresoriaus gedimas. Be to, kad nustatytum gedimą, jį pašalintum, reikia tam tikros kvalifikacijos ir specifinių žinių.

Remonto eiga

Prieš remontą būtina įsitikinti, ar turbokompresorius tikrai sugedęs. O tai galima padaryti tik nuėmus turbokompresorių nuo transporto priemonės. Visų pirma atskiriama nuimto turbokompresoriaus šerdis. Nors tai atrodo paprasta, tačiau turbokompresorius sugenda dažniausiai jau gerokai pavažinėtų mašinų. Aukšta temperatūra ir drėgmė tuos kelis varžtus paverčia surūdijusio metalo gabalėliais, taigi jie dažnai lūžta - tada juos reikia išgręžti ir pakeisti naujais.

Antroji procedūra - plovimas. Nuplaunamos visos turbokompresoriaus detalės, taip pat ir turbokompresoriaus šerdis. Susikoksavusi šerdis prieš tai mirkoma žibale, kad ištirptų visi nešvarumai ir dervos, dėl kurių matavimo rezultatai gali būti neteisingi. Be to, vizualiai nustatoma, ar nėra mechaninių pažeidimų.

Tada matuojamas turbokompresoriaus radialinis ir išilginis išdilimas. Jeigu abu parametrai neviršija ribų, tikrinamas tepalo laidumas. Tam naudojamas specialus stendas (tepalo slėgis - 4,5 baro, tepalo temperatūra - 70-90 laipsnių), papildytas priedu, matuojančiu tepalo debitą turbokompresoriui tepti. Šiuo stendu galima tikrinti visokius turbokompresorius - nuo labai mažų lengvųjų automobilių iki didelių sunkvežimių, traktorių, miško mašinų ir kitų. Tikrinama 15-20 minučių - tiek visiškai pakanka įsitikinti, kad turbokompresorius „neleidžia“ tepalo tiek iš turbinos, tiek iš kompresoriaus. Tikrinant matuojamas atskirai kiekvienos plokštumos disbalansas. Jeigu kyla kokių nors neaiškumų dėl padidėjusio turbokompresoriaus disbalanso, šerdis montuojama specialiame stende ir disbalansas nustatomas esant visiems sūkiams.

tags: #benzininiu #automobiliu #turbinos