Daugelis automobilių entuziastų žodį „turbina“ sieja su padidėjusia variklio galia ir dinamiškesniu važiavimu. Tačiau kas iš tiesų slypi po šiuo terminu ir kaip veikia šis sudėtingas įrenginys? Tiksliau, tai yra turbokompresorius - agregatas, susidedantis iš dviejų pagrindinių dalių: dujų turbinos ir kompresoriaus, sujungtų bendru velenėliu.
Pagrindinis turbokompresoriaus veikimo principas yra oro, paduodamo į degimo kamerą, suspaudimas. Tai leidžia padidinti oro masę cilindre, o tai iš esmės praplečia galimybes tobulinti darbo procesą, padidinti kuro ekonomiškumą ir galingumą, bei sumažinti kenksmingų teršalų ar šilumos apkrovas.
Turbokompresoriaus veikimo principas
Vidaus degimo variklis veikia įtraukdamas orą ir kurą energijai gauti. Ši energija susidaro degimo metu, o likučiai pašalinami. Turbokompresorius iš esmės veikia kaip oro siurblys, padidinantis variklio galią. Žinome, kad keturtaktis variklis atlieka darbą plečiantis dujoms uždaroje erdvėje, kai didelis dujų slėgis spaudžia stūmoklį. Didžioji šilumos dalis išmetama į išmetimo vamzdį ir nepanaudojama, nes cilindras yra per trumpas, kad visą šilumą paverstų mechanine energija.
Turbokompresorius panaudoja šią prarandamą energiją. 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. Dėl to, kad variklis dirba su didesniu oro pertekliumi, degalai labiau sudega, geriau išnaudojama jų cheminė energija.
Turbinos ir generatoriaus veikimo animacija
Fizikos dėsniai turbinos veikime
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. Dujos teka iš didesnio slėgio zonos į žemesnio slėgio zoną, ir kuo didesnis slėgių skirtumas, tuo didesne jėga dujos veržiasi į žemesnio slėgio zoną.
Turbinos atliekamas darbas yra nusakomas slėgių skirtumu tarp turbinos įėjimo ir išėjimo. Pakelti įėjimo slėgį turbinoje galima, bet sudėtinga. Sumažinti išėjimo slėgį lengviau - pakanka prisukti didesnį išmetimo vamzdį su mažesniu pasipriešinimu dujų srautui. Taip pat turėtų būti pastebimas mažesnis sukimo momento kritimas prie maksimalių variklio apsukimų, kurio priežastis - ribotas išmetimo sistemos pajėgumas praleisti dujų srautą.
Turbokompresorių istorija ir evoliucija
Šios srities pirmieji eksperimentai pirmąkart vykdyti XIX amžiaus pabaigoje. Nors turbokompresorius išrastas dar 1905 metais, plačiau pradėtas naudoti tik praėjus daugeliui metų, ypač lėktuvuose ir sunkiojo transporto priemonėse. Automobiliuose jos labiau išpopuliarėjo nuo 1980-ųjų, o maždaug prieš du dešimtmečius tapo neatsiejamu šiuolaikinių dyzelinių ir daugelio benzininių variklių komponentu.
Mechaniniai kompresoriai
Alternatyva turbokompresoriams yra įrenginiai, kuriuose kompresorius dirba ne nuo alkūninio veleno, o dėl turbinos ratą sukančių išmetamųjų dujų energijos. Tačiau kai kada naudojami ir mechaniniai kompresoriai, kurių kompresorius dirba nuo alkūninio veleno. Iš konstrukcijų, kurios turėjo pasisekimą pirmąjį praėjusio amžiaus trečdalį, šiandien labiausiai paplitę „Rutz“ tipo rotoriniai kompresoriai. Vokiečių firma „Siemens“, viena iš kompresorių naudojimo pionierių, paiso „klasikos“ iki šiol, nuolat ją tobulindama. Pavyzdžiui, „Rutz“ kompresoriaus rotorius priverstas suktis 12 000 aps./min dažniu. Tokių rotorių paviršiui naudojami ypatingi polimerai, leidžiantys maksimaliai sumažinti tarpus, o tai reiškia ir oro pratekėjimą aplenkiant rotorius. Galimybė efektyviai dirbti esant mažoms apsukoms mechaniniams kompresoriams labai svarbi, juk būtent tai nuo seno buvo viena iš silpnų vietų. Atsiliepia ir papildoma variklio apkrova, juk variklio galingumas esant mažoms apsukoms ir taip mažas, o jį dar verčia sukti kompresorių.
Anksčiau mechaninius kompresorius dažniausiai montuodavo didelio tūrio varikliuose siekiant padidinti jų galingumą. Šiandien atvirkščiai, juos dažniau montuoja į sąlyginai nedidelius variklius ir suderina taip, kad jie gerintų cilindrų prapūtimą, sumažindami išmetamųjų dujų toksiškumą ir padidindami stūmoklinės dalies NVK (naudingo veikimo koeficientą).
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. Pirminės turbinos su keičiamos geometrijos kreipračiu atsirado dar šeštajame dešimtmetyje.
- 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.
Sudėtingesnės sistemos
- Dvi turbinos: Firma „Opel“ pristatė naują įpūtimo sistemą dyzeliniams varikliams, kurioje dvi turbinos dirba pagal gudrią kintamąją schemą. Kai alkūninis velenas sukasi iki 1800 aps./min, vožtuvas išmetamajame kolektoriuje įtraukia į darbą aukšto slėgio (iki 3,2 barų) mažąjį turbokompresorių. Iki 3000 aps./min abu agregatai dirba lygiagrečiai, o elektronikos kontroliuojamas vožtuvas tolygiai keičia išmetamųjų dujų, paduodamų į vieną ar kitą turbiną, tūrių santykį. Didysis kompresorius tuo metu suspaudžia orą, padidindamas slėgį įeigoje į mažąjį.
- Didelio galingumo V formos varikliai: Šiuolaikiniuose V formos varikliuose, pavyzdžiui, „Maybach“, naudojamos dvi lygiagrečios kompaktiškos turbinos.
- Nuoseklios įjungimo schemos: Naudojamos, kai būtina išgauti daugiau nei 3,5 barų slėgį, o tai ypač sunku pasiekti vienu įpūtimo agregatu. Oras pirmiausia suspaudžiamas žemo slėgio kompresoriumi, vėliau jis patenka į aukšto slėgio kompaktišką turbokompresorių ir tik tada į variklį.
- Turbokompaundas: Didelio litražo krovininių automobilių varikliams naudojamas turbokompaundas, nors kol kas gana retai. Pirmasis kompresorius dirba kaip įprasta, o oras, paduodamas antrojo, suka variklio alkūninį veleną.
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. Taip pat pagerėja ekologija, nes dalis su išmetamosiomis dujomis išeinančios energijos grąžinama į variklį kaip suslėgtas oras, o pro išmetamąjį vamzdį išeinančiose dujose yra labai mažai teršalų, tokių kaip anglies monoksidas (CO) ir angliavandeniliai (CH).
Turbokompresoriai ypač efektyvūs dyzeliuose, nes juose didesnis suspaudimo laipsnis ir išmetamųjų dujų slėgis. Vokiečių firma „Opel“ koncepciniam automobiliui „Opel Vectra ORS“ sukūrė 1,9 litrų dyzelinį variklį su dviem turboagregatais, kas leido padidinti galingumą iki 156 kVt/212 AJ, o sukimosi momentas pasiekė 400 Nm. Įspūdingi 85 kVt/112 AJ iš litro kol kas dyzelių rekordas.
Trūkumai ir jų sprendimai
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. Šią problemą galima iš dalies spręsti naudojant mažesnius turbokompresorius, kurie įsisuka greičiau, tačiau jie gali apriboti galią aukštuose sūkių diapazonuose. Didesni turbokompresoriai suteikia daugiau galios, bet turi didesnę „turbo pauzę“.
Didelės apkrovos, kurias patiria turbokompresorius, gali sutrumpinti kai kurių komponentų tarnavimo laiką, todėl gali padidėti remonto išlaidos. Pavyzdžiui, turbina gali suktis iki 100 000 apsisukimų per minutę, o turbo šerdyje (CHRA) esantis velenas - nuo 60 000 iki net 300 000 aps./min.
Kita svarbi turbokompresoriaus problema 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.
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. Vienintelė subtilybė yra tame, kad wastegate turi užtekti pajėgumo praleisti visą dujų perteklių. Jei ne, turėsime tolesnį lėtą oro slėgimo ir variklio galios didėjimą turbokompresoriaus darbo metu (boost creep).
BOV (Blow-off Valve) - tai įtaisas, montuojamas tarp kompresoriaus ir droselio sklendės. Jis išleidžia suspaustą orą, kai droselio sklendė užsidaro, taip išsaugodamas turbinos apsisukimus ir apsaugodamas kompresoriaus sparnelius nuo pažeidimų dėl aukšto slėgio bangos.
Interkuleris yra oro radiatorius, montuojamas tarp kompresoriaus ir variklio įėjimo. Jis aušinamas aplinkinio oro srautu. Interkūleryje visada krenta suspausto oro slėgis, tačiau aušinamas oras yra tankesnis, todėl į variklį patenka daugiau deguonies molekulių, o tai didina variklio galią. Kartais siekiant sumažinti įpučiamo oro temperatūrą naudojamas aušinimo skystis, kartais oro srovė, plūstanti judant mašinai.
Turbokompresoriaus priežiūra ir remontas
Tinkamai prižiūrima turbina gali tarnauti ilgiau nei pats variklis. Tačiau be reguliarios priežiūros ją galima sugadinti vos per kelis tūkstančius kilometrų arba net per kelias minutes. Mūsų servise dirba profesionalių specialistų komanda, darbui naudojame tik modernią bei šiuolaikišką įrangą, o detales reikalingas remontui, perkame tik iš kokybiškų ir patikrintų tiekėjų, tokių kaip TURBO INTERNATIONAL ir MELLET. Susisiekite! Atsakysime į visus Jums kylančius automobilio remonto ir priežiūros klausimus.
Pagrindinės priežiūros priemonės
- Reguliarus variklio alyvos keitimas: Tai ypač svarbu, nes tepimo sutrikimai yra viena dažniausių turbokompresorių gedimų priežasčių. Naudojant aukštos kokybės sintetinę alyvą ir keičiant ją kas 10 000 km, galima išvengti apnašų susidarymo. Jei naudojate pigesnius, pusiau sintetinius tepalus, tai reikėtų daryti kas 5000 kilometrų.
- Alyvos ir oro filtrų keitimas: Šie komponentai tiesiogiai įtakoja turbokompresoriaus veikimą. Pigus filtras gali nepraleisti reikiamo oro kiekio arba tiesiog nesulaikyti dulkių. Jei jis užsikemša, variklio karteryje kaupiasi slėgis.
- Variklio darbo režimo pritaikymas: Po intensyvaus važiavimo, kai turbina dirbo didelėmis apsukomis, nerekomenduojama iškart gesinti variklio. Leidus varikliui bent porą minučių padirbti laisva eiga, alyva sušils ir palaipsniui atvėsins turbiną, taip išvengiant staigių temperatūros pokyčių. Ypač šaltuoju metų periodu pašildykite variklį prieš važiuodami. Pašilus varikliui pašyla ir alyva, ko pasekoje ji geriau tepa turbiną.
- Tinkami kuro priedai: Naudokite tinkamus kuro priedus, kurie padeda palaikyti turbinos švarą. Pavyzdžiui, profesionalus ir itin veiksmingas - Turbinos valiklis JLM Diesel Turbo. Tai yra vienas geriausių šiuo metu rinkoje esančių turbinų valiklių. Panaudojus JLM Turbo Cleaner, nešvarumai ir suodžiai su laiku išnyks. Turbina dirbs pilnu našumu, o oro ir degalų santykis taps idealus.
Atliekant variklio eksploatacijos reikalavimus, būtina laiku keisti variklinę alyvą ir alyvos filtrą (filtrus). Sekite, kad nebūtų užsikimšusi išmetimo sistema (ypač automobiliams su katalizatoriais). Užsikimšus išmetimo sistemai (ar katalizatoriui) turbokompresorius gauna neleistiną ašinę veleno apkrovą.
Dažniausios problemos ir gedimų priežastys
Dažniausiai turbinos gedimai kyla dėl užterštos, per skystos arba per mažai keičiamos alyvos. Modernūs turbo varikliai reikalauja ne tik sintetinio tepalo, bet ir tikslių keitimo intervalų. Alyvos keitimas kas 30 000 km dažnai yra per retai - gamintojas dažnai rekomenduoja 10-15 tūkst. km.
Kitos priežastys:
- Svetimkūniai: Kartais koks nors kietas ar minkštas daiktas patenka į turbokompresorių, nes nesandarus oro filtras arba vamzdynas. Jei pašalinis objektas patenka į kompresoriaus korpusą, jis dažnai patenka iš oro filtro. Priešingai, jei pašalinis objektas sugadina turbiną, problema dažniausiai kyla dėl paties variklio. Turbinos efektyvumas sumažės, jei pašaliniai objektai pradės gadinti kompresoriaus guolius ar turbinos mentes.
- Užsikimšęs katalizatorius, kuro filtras ar oro traukos matuoklis.
- Pažeistos tarpinės: Jei tarpinės tarp kompresoriaus ir variklio nusidėvi arba įtrūksta, alyva nutekės į išmetimo sistemą. Dėl to turbina turi daugiau dirbti, kad padidintų oro slėgį.
- Turbinos balanso dingimas: Tai gali sugadinti turbinos sparnelius.
- Leistinų sūkių viršijimas.
Gedimo požymiai
Jei turbina sugedusi, automobilis gali pradėti intensyviau dūmyti iš duslintuvo (mėlynais, pilkais ar baltais dūmais), padidėti alyvos sąnaudos, o kartais sumažėti trauka. Taip pat gali atsirasti cypiantys garsai spaudžiant akceleratorių, automobilio įsibėgėjimas atrodo lėtas ir triukšmingas, sunkiai išlaikomas didelis greitis. Prietaisų skydelyje gali užsidegti variklio gedimo lemputė.
Jei pastebite šiuos gedimus, patariame kuo greičiau kreiptis į automobilių servisą. Nors internete galima rasti daug pavyzdžių, kaip remontuoti turbiną patiems, tačiau mes pasisakome prieš tokius remontus. Turbina yra viena sudėtingiausių taisomų automobilio detalių. Norint atlikti tinkamą jos remontą reikės specialios ir itin tikslios įrangos.
Remonto eiga
Turbinos 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.
Prieš remontą būtina įsitikinti, ar turbokompresorius tikrai sugedęs. O tai galima padaryti tik nuėmus turbokompresorių nuo transporto priemonės. Visų pirma atskiriama nuimto turbokompresoriaus šerdis. Aukšta temperatūra ir drėgmė 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.
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.
Nustačius, kad turbina sugedo, realiai turite 2 variantus: įsigyti visiškai naują turbiną ir ją sumontuoti, arba atnaujinti (restauruoti) turimą turbokompresorių. Natūralu, kad pirmenybė turėtų būti teikiama naujai turbinai, nes jai bus suteikta ilgesnė garantija ir ji tarnaus ilgiau nei atnaujinta. Tačiau, siekiant, kad pakeista turbina tarnautų ilgai, pirma būtina atlikti detalią diagnostiką ir išsiaiškinti tikrąją gedimo priežastį.