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. Šiame straipsnyje bus detaliai nagrinėjama turbokompresoriaus sandara, veikimo principai, galimos problemos ir priežiūros aspektai, daugiausia dėmesio skiriant jo veikimui lėktuvų ir kitų transporto priemonių varikliuose.
Turbokompresoriaus veikimo principai
Idealių dujų dėsnis ir energijos panaudojimas
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. Kuo didesnis slėgių skirtumas, tuo didesne jėga dujos veržiasi į žemesnio slėgio zoną.
Keturtaktis variklis atlieka darbą, plečiantis dujoms uždaroje erdvėje, kai didelis dujų slėgis spaudžia stūmoklį. Be to, dujos degimo metu įkaista, todėl gaunami dar didesni slėgiai, o tuo pačiu ir didesnis galingumas. Deja, didžioji šilumos dalis išmetama į išmetimo vamzdį dar prieš ją panaudojant, nes cilindras yra per trumpas, kad visą šilumą paverstų mechanine energija.
Štai čia ir atsiranda turbokompresorius. Tai yra turbina, varoma išmetamųjų dujų, kuri velenu sujungta su kompresoriumi, pumpuojančiu orą į variklį. Didesnis oro kiekis cilindre reiškia, kad daugiau degalų galima sudeginti 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. Tai tiesiog „nemokami priešpiečiai“ inžinerijoje, nes beveik be jokių išlaidų panaudojama galia, kuri kitaip būtų prarandama.
Turbinos ir kompresoriaus darbo subtilybės
Dažnai klystama, kad išmetamųjų dujų turbiną varo tik kinetinė dujų energija. Taip, išmetimo dujų srauto kinetinė energija prisideda prie turbinos darbo, tačiau didžioji išgaunamos energijos dalis ateina iš kitur. Aukšta temperatūra, didelis slėgis ir mažas tūris yra didelės energijos būsenos, o žema temperatūra, mažas slėgis ir didelis tūris yra mažos energijos būsenos. Išmetamosios dujos iš cilindrų patenka į turbinos įėjimą, kuriame nedaug vietos. Šiame taške mes turime labai didelius slėgimą ir temperatūrą, taigi dujos turi daug energijos. Kai pro difuzorių dujos patenka į turbinos vidų, iš mažos ertmės jos patenka į didelę. Atitinkamai dujos plečiasi, vėsta, krenta jų greitis ir visą energiją jos atiduoda turbinos sparneliams. Sparneliai yra sumaniai įkišami į turbinos vidų taip, kad besiplečiančios dujos slėgtų turbinos sparnelius ir verstų ją suktis. Tokiu būdu mes gauname energijos iš išmetimo dujų šilumos, kuri šiaip būtų buvusi prarasta.
Turbinos atliekamas darbas yra nusakomas slėgių skirtumu tarp turbinos įėjimo ir išėjimo. Padidinus įėjimo slėgimą, sumažinus išėjimo, arba pakeitus abu, galima gauti daugiau galios. Pakelti įėjimo slėgį turbinoje galima, bet sudėtinga. Sumažinti išėjimo slėgį lengva - pakanka prisukti didesnį išmetimo vamzdį su mažesniu pasipriešinimu dujų srautui.
Kompresorius yra atvirkščiai veikianti turbina. Veikia tie patys fizikos dėsniai, tik kita kryptimi: imamos žemo slėgio dujos, atliekamas su jomis darbas, suspaudžiant kompresoriaus sparneliais, ir gaunamos didelio slėgio ir aukštos temperatūros dujos kompresoriaus išėjime. Suspaudimo metu atsirandantis temperatūros padidėjimas yra nepageidautinas.
Duotas oro tūris yra pakankamas sudeginti tam tikrą tiksliai apibrėžtą degalų kiekį. Oro santykis su degalais yra maždaug 14:1. Išmetimo dujų kiekis yra daug didesnis už oro kiekį, sunaudotą degimo metu, ir išmetimo dujų slėgis yra daug didesnis, negu paduodamo oro, todėl veleno ir turbinos vidaus konstrukcija labai skiriasi.
Turbokompresoriaus sandara
Turbokompresorius yra sudėtingas įrenginys, kurio pagrindinės dalys yra:
- Turbinos korpusas ir rotorius: Panaudotos dujos iš išleidžiamojo variklio kolektoriaus patenka į turbokompresoriaus priimamąjį atvamzdį. Turbinos sukimosi greitis priklauso nuo jos korpuse esančio kanalo dydžio ir formos. Korpusas liejamas iš temperatūrai atsparaus lydinio, o rotorius gaminamas iš aukštos kokybės medžiagų, atsparių aukštai temperatūrai. Turbinos rotorius stipriai pritvirtinamas prie ašies.
- Kompresoriaus korpusas ir rotorius: Kompresoriaus dydį nulemia varikliui reikalingo oro kiekis ir turbinos sukimosi greitis. Kompresoriaus rotorius taip pat stipriai pritvirtintas prie turbinos ašies ir sukasi tokiu pat greičiu kaip ir turbinos rotorius. Taip įsiurbiamas oras nukreipiamas į rotoriaus periferiją ir menčių nubloškiamas link kompresoriaus korpuso sienelės, suslegiamas ir per įleidžiamąjį kolektorių patenka į variklį.
- Ašies korpusas: Tai centrinė turbokompresoriaus dalis, esanti tarp turbinos ir kompresoriaus. Ašis sukasi slydimo guoliuose, sutepamose motorine alyva iš variklio sutepimo sistemos.
- Sandarinimo elementai: Iš abiejų pusių montuojami alyvą sulaikantys sandarinimo žiedai, kurie padeda išvengti alyvos nuotėkio ir apsunkina oro nuotėkį tarp turbinos, kompresoriaus ir ašies korpuso.
Kaip veikia turbokompresorius! (Animacija)
Turbokompresorių tipai
Egzistuoja įvairių turbinų korpusų tipų, priklausomai nuo naudojimo srities:
- Dvigubo kanalo korpusas: Kiekviena srovė paskirstoma visame turbinos rotoriaus paviršiuje.
- Vieno kanalo korpusas: Naudojama sistemose su nuolatiniu slėgiu, išnaudojant tik slenkamojo judėjimo panaudotų dujų energiją.
- Turbinos su nukreipiamosiomis mentėmis (VNT - Variable Nozzle Turbine): Tai naujesnės kartos turbokompresoriai, kuriuose centrinėje korpuso dalyje esančios judančios mentės leidžia kontroliuoti oro srautą per turbiną. Tai padidina turbinos kompresijos galią ir slėgį, nepriklausomai nuo variklio sūkių, sumažinant „turbopauzę“.
Valdymas ir problemos
Neigiami aspektai ir jų sprendimo būdai
Turbokompresoriaus veikimo metu gali kilti keletas problemų:
- 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.
- Turbopauzė (turbo lag): Tai laikas, kai po akceleratoriaus pedalo paspaudimo reikia, kol turbina įsisuks ir sukurs reikiamą slėgį. Šią problemą galima iš dalies spręsti naudojant mažesnius turbokompresorius, kurie įsisuka greičiau, tačiau jie negali užtikrinti pakankamo oro kiekio esant dideliems variklio sūkiams. Dideli turbokompresoriai tieks daugiau oro esant aukštiems sūkiams, bet turės didesnę turbopauzę.
Kadangi spaudžiant orą jis kaista ir plečiasi, siekiant padidinti variklio galią, būtina į variklį patekti kuo daugiau oro molekulių, o ne tiesiog slėgio. Tam naudojamas oro aušintuvas (intercooler) - radiatorius, montuojamas tarp kompresoriaus ir variklio, aušinamas aplinkinio oro srautu. Jis atvėsina suspaustą orą, leidžiant varikliui gauti daugiau deguonies ir sumažinant detonacijos riziką.
Turbinos galios reguliavimas: Wastegate ir BOV
Turbina yra įrenginys su teigiamu grįžtamuoju ryšiu: kuo daugiau galios gauname, tuo daugiau susidaro išmetimo dujų, kuo daugiau turime išmetimo dujų, tuo daugiau suspaudžiame orą ir gauname galios. Norint apriboti galingumą ir palaikyti pastovius turbinos apsisukimus, naudojami specialūs įtaisai:
- Wastegate (išmetamųjų dujų apėjimo vožtuvas): Tai paprasčiausias vožtuvas, kuris atsidaro pasiekus tam tikrą oro slėgį ir praleidžia išmetimo dujas aplink turbiną, vietoje to, kad leisti dujoms eiti per turbiną. Tokiu būdu sumažinamas slėgių skirtumas tarp turbinos įėjimo ir išėjimo, todėl atliekama mažiau darbo ir turbinos sukimasis sulėtėja. Naujesni turbokompresoriai turi tiesioginį elektrinį "wastegate" aktyvavimą, užtikrinantį greitesnį ir tikslesnį veikimą, nepriklausomai nuo variklio būklės.
- BOV (Blow-Off Valve - slėgio išleidimo vožtuvas): Nors BOV dėl malonaus „čiaudėjimo“ garso yra populiarus, jis yra būtinas įtaisas. Kai staiga nukeliama koja nuo gazo pedalo ir droselio sklendė užsidaro, suspaustas oras atsitrenkia į uždarytą sklendę, sukeldamas aukšto slėgio bangą, kuri keliauja atgal į kompresorių ir trenkiasi į kompresoriaus sparnelius. Tai gali pažeisti kompresoriaus mentes ir veleno guolius, be to, sumažėja turbinos apsukimai. BOV montuojamas tarp kompresoriaus ir droselio sklendės, ir, pastebėjęs smūgio bangą, išleidžia ją į atmosferą arba į kompresoriaus įėjimą. Taip prarandamas slėgis, bet išsaugomi turbinos apsukimai.
Turbokompresoriaus priežiūra
Kadangi turbinos veikia itin aukštoje temperatūroje, svarbu užtikrinti, kad karštis nepakenktų metalinėms detalėms. Ypač svarbu reguliariai keisti variklio alyvą. 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.
Be to, po intensyvaus važiavimo, kai turbina dirbo didelėmis apkrovomis, iškart neišjungus variklio gali kilti perkaitimo pavojus. Svarbu leisti varikliui šiek tiek atvėsti, kad turbina tinkamai atšaltų ir alyva galėtų atlikti savo tepimo funkciją.
Turbinų pritaikymas ir nauda
Turbinos yra nuostabūs įrenginiai. Jos lengvos, labai efektyvios, tačiau turi ribotą darbinių apsukimų intervalą. Turbokompresorius yra labai efektyvus prie tam tikrų apsukimų ir tam tikro dujų kiekio, bet jei veleno apsukimus keisite dideliame intervale, efektyvumas smarkiai sumažėja. Jei greitis per didelis, pradeda veikti kavitacija ir kitokie nepageidautini aerodinaminiai reiškiniai, ir oro srautas sumažėja. Jei greitis per mažas, sparneliai negauna pakankamo „stumtelėjimo“ ir dujų srautas taip pat sumažėja.
Turbinos puikiai tinka transporto priemonėms, kurios visą laiką juda pastoviu greičiu - tankams, laivams, lėktuvams, IndyCar bolidams. Pavyzdžiui, tankas „M1A1 Abrams“ sveria apie 55 tonas, o jį varo dujų turbina, sukurianti 1800 AG galingumą. Turbina yra neįtikėtinai maža ir lengva, palyginus su tanko svoriu. Tačiau turbina suprojektuota darbui WOT (Wide Open Throttle) režimu. WOT metu turbina suvartoja mažiau kuro negu dyzelinis variklis prie tokio pat galingumo. Bet tuščios eigos metu turbinos efektyvumas krenta tiek, kad kuro suvartojimas didesnis negu WOT metu.
Apibendrinant, turbokompresorius yra galingas įrankis, leidžiantis padidinti variklio efektyvumą ir galią be papildomos masės. Tai leidžia mažesnės kubatūros varikliams pasiekti didesnę galią ir efektyviau naudoti degalus. Tačiau norint išvengti galimų problemų, tokių kaip detonacija ar turbopauzė, svarbu suprasti, kaip veikia turbina ir kaip ją tinkamai prižiūrėti.