Turbokompresorius, dažniau automobilių specialistų vadinamas tiesiog „turbina“, yra neatsiejamas šiuolaikinių dyzelinių ir daugelio benzininių variklių atributas. Į automobilių pasaulį jis įsiveržė palyginti neseniai, pradėjęs populiarėti prieš porą dešimtmečių. Šis agregatas skirtas padidinti cilindrų užpildymo šviežiu oru koeficientą, taip naudingiau išnaudojant esamą degimo kameros tūrį. Turbina suspaudžia į variklį tiekiamą orą ir suteikia galimybę prireikus įpurkšti daugiau kuro, pakeliant variklio galią, jo naudingumo koeficientą ir sumažinant dūmingumą.
Turbinos istorinė ir techninė samprata
Terminas „turbina“ kilęs iš lotyniško žodžio „turbo“, reiškiančio sūkurį. Iš esmės, turbina yra vandens, garo arba dujų srovės sukamasis variklis, kuris verčia kinetinę energiją mechaniniu darbu. Pirmieji turbokompresoriaus principai oro suspaudimui vidaus degimo varikliuose buvo aprašyti šveicarų inžinieriaus Alfred Büchi 1905 metais. Tačiau pirmieji praktiniai turbokompresoriai pradėti naudoti tik XX a. Lietuvoje pirmoji garo turbina, kurios galia siekė 960 kW, buvo įrengta Vilniaus elektrinėje 1912 metais.
Turbinų tipai
Istoriškai egzistuoja įvairių tipų turbinos: garo, dujų, hidraulinės, vienos ar daugiapakopės, aktyviosios ir reaktyviosios.
- Aktyvioji turbina susideda iš turbinračio (darbo rato) su mentėmis ir tūtų, per kurias darbinė medžiaga tiekiama į turbinratį, sukdama rotorių.
- Reaktyviojoje turbinoje yra kreipratis, nukreipiantis darbinę medžiagą į turbinračio mentes, taip sukant rotorių.
Dažnai turbinos yra daugiapakopės, siekiant kuo pilniau išnaudoti darbinės medžiagos energiją. Šiuolaikinės garo ir dujų turbinos dažnai suka elektrinius generatorius, kompresorius ar vandens siurblius. Transportinės garo ir dujų turbinos naudojamos kaip laivų varikliai, o dujų turbinos - kaip aviaciniai, lokomotyvų ir automobilių varikliai.
Pagrindinis turbokompresoriaus veikimo principas
Vidaus degimo variklis veikia įtraukdamas orą ir kurą energijai gauti. Turbokompresorius iš esmės veikia kaip oro siurblys, padidinantis variklio galią. Jo veikimas yra nesudėtingas: variklio išmetamosios dujos suka turbiną, o ši velenėliu sujungta su kitame mazgo gale esančiu kompresoriumi. Dėl didesnio oro kiekio cilindre daugiau kuro galima sudeginti viename variklio cikle. Daugiau sudegusio kuro - daugiau išmetamųjų dujų, daugiau išmetamųjų dujų - didesnė galia ir išsiplėtimas. Tai tiesiog „nemokami priešpiečiai“ inžinerijoje, nes beveik be jokių išlaidų panaudojama galia, kuri kitaip būtų prarandama.
Kaip veikia turbokompresorius?
Detalus veikimo aprašymas
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.
Prieš gilindamiesi į turbinos veikimą, verta suprasti pagrindinį fizikos dėsnį - idealių dujų dėsnį. Jis teigia, kad dujų temperatūra, slėgis ir tūris yra tarpusavyje susiję: suspaudžiant dujas, jų temperatūra kyla, o leidžiant dujoms plėstis, jų temperatūra ir slėgis mažėja.
Turbokompresoriai automobiliuose
Šiuolaikiniuose automobiliuose turbokompresorius yra tapęs neatsiejamu komponentu. Jie būna kelių tipų: fiksuotomis arba kintamos geometrijos mentėmis bei dvigubi (angl. twin scroll). 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.
Turbokompresorių tipai automobiliuose
- Fiksuotos geometrijos mentės: Šie turbokompresoriai yra seniausiai išrasti, paprasčiausi ir pigiausiai remontuojami. Tačiau jų efektas yra labai trumpalaikis ir pasiekiamas mažame variklio sūkių diapazone.
- Kintamos geometrijos mentės (VGT - Variable Geometry Turbocharger): Šio tipo turbokompresoriai veikia platesniame diapazone, tačiau techniškai yra sudėtingesni ir remontuojami brangiau.
- Dvigubi (angl. twin-scroll): Trečiojo tipo prietaisas apjungia pirmuosius: mažo diametro turbina veikia esant žemiems variklio apsisukimams, didelio - aukštiems.
Turbokompresorių privalumai ir trūkumai
Turbokompresoriaus ypatumas - varikliui suteikiama galia. Joks 1,6 l darbinio tūrio atmosferinis variklis, gaunantis orą natūraliu būdu, nebus galingesnis už 1,6 l motorą, kuriam orą įpučia turbokompresorius. Šiuolaikiniai 1,6 l varikliai su priverstiniu oro įpūtimu, montuojami į serijinius automobilius, išvysto apie 300 AG. Nors padidėjus oro kiekiui reikia ir daugiau degalų, bendra degalų ekonomija turbokompresorius naudojančiuose varikliuose yra kur kas geresnė nei motoruose be jo.
Tačiau didelė nauda niekada neateina be sąnaudų. Turbokompresoriaus atveju, didžiausios sąnaudos yra eksploatacija - turbina patiria dideles apkrovas ir gali suktis maždaug 100 tūkst. kartų per minutę greičiu. Kitas trūkumas - „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.
Turbokompresoriaus priežiūra ir remontas
Norint, kad turbinos resursas pasiektų paties variklio resursą, būtina tinkama priežiūra. Tepimo sutrikimai yra kas antro turbokompresoriaus gedimo priežastis. Turbinos priežiūra paprasta: tereikia dažnai keisti variklio alyvą, kad iš jos dingtų visi pašaliniai objektai. Taip pat reikalingas reguliarus alyvos ir oro filtrų keitimas. 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.
Ypatinga priežiūra aktuali šaltuoju metų periodu: užvedus variklį, minutę leisti dirbti jam laisva eiga. Per tą laiką alyva sušils, įkaitins turbiną ir ji nepatirs staigių temperatūros pokyčių. Taip pat, po intensyvaus važiavimo, kai turbina dirbo didelėmis apkrovomis, nerekomenduojama iškart gesinti variklio. Leidus varikliui bent porą minučių padirbti laisva eiga, alyva palaipsniui atvėsins turbiną, taip išvengiant staigių temperatūros pokyčių.
Turbokompresoriaus gedimai
Turbinai sugedus, gerokai padidėja iš automobilio duslintuvo išmetamų dūmų kiekis. Dažniausiai padidėja alyvos sąnaudos, o kartais sumažėja trauka. Degalų sąnaudos kinta toli gražu ne visada. Turbinos pačiam susiremontuoti nepavyks - ją teks pirkti naują arba restauruoti. Naujos turbinos kaina gali siekti ir tūkstantį eurų, restauravimas paprastai triskart pigesnis. Naudojant restauravimą, paliekamas senasis korpusas, tačiau pakeičiami guoliai, tarpinės, turbinos ir kompresoriaus sparnuotės. Vidutinė remonto kaina gali svyruoti nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių eurų.
Dažniausios turbokompresoriaus problemos ir jų sprendimas
Viena iš svarbiausių turbokompresoriaus problemų yra detonacija. Ji kyla dėl suspausto oro temperatūros pakilimo, dėl ko oro ir degalų mišinys gali užsidegti anksčiau nei numatyta. Norint to išvengti, automobiliai su turbinomis dažnai reikalauja naudoti aukštesnio oktaninio skaičiaus degalus.
Kita problema - „turbo lagas“, kurį galima sumažinti naudojant mažesnio dydžio turbokompresorius, tačiau tai gali apriboti galią aukštuose sūkių diapazonuose. Didesni turbokompresoriai suteikia daugiau galios, bet turi didesnę „turbo pauzę“.
Siekiant išvengti turbokompresoriaus pažeidimo nuo per didelio apsisukimų skaičiaus, daugelyje automobilių naudojamas oro vožtuvas (wastegate). Jis matuoja suspaudimo lygį ir, pasiekus kritinį slėgį, leidžia daliai išmetamųjų dujų praeiti pro turbiną, taip kontroliuojant jos sukimosi greitį.
Taip pat svarbus yra oro aušintuvas (interkūleris), kuris atvėsina kompresoriaus suspaustą orą. Aušinamas oras yra tankesnis, todėl į variklį patenka daugiau deguonies molekulių, o tai didina variklio galią. Interkūleris yra oro radiatorius, montuojamas tarp kompresoriaus ir variklio įėjimo.