Automobilių variklių našumas nuolat tobulėja, o viena iš svarbiausių technologijų, leidžiančių padidinti variklio galią ir efektyvumą, yra turbokompresoriai (arba tiesiog - turbinos). Šiuolaikiniuose automobiliuose turbinos veikimą reguliuoja turbinos valdymo aktuatoriai, kurie kontroliuoja turbinos slėgį ir užtikrina optimalų variklio darbą skirtingomis sąlygomis. Turbinos valdymo aktuatorius yra įrenginys, kuris reguliuoja išmetamųjų dujų srautą į turbokompresorių.
Turbokompresoriaus veikimo principas
Turbokompresorius - tai kompresorius arba oro siurblys, kuris veikia nuo turbinos. Turbina sukasi naudodama panaudotų dujų srovės energiją. Dyzelinio variklio turbokompresorius sukasi nuo 1000 iki 130 000 aps./min. Turbina tiesiogiai jungiama su kompresoriumi tvirta ašimi. Kompresorius įtraukia per oro filtrą šviežio oro, suspaudžia jį ir suspaustą išleidžia į variklio įleidžiamąjį kolektorių. Teoriškai egzistuoja turbinos ir turbokompresoriaus kompresoriaus galingumų pusiausvyra. Kuo daugiau energijos turi panaudotos dujos, tuo greičiau suksis turbina.
Turbinos sandara ir korpusai
Turbiną sudaro korpusas ir rotorius. Panaudotos dujos iš išleidžiamojo variklio kolektoriaus patenka į priimamąjį turbokompresoriaus atvamzdį. Turbinos sukimosi greitis priklauso nuo jos korpuse esančio kanalo dydžio ir formos. Tai primena laistymo žarną: kuo labiau pirštu Jūs uždengiate išeinamąją angą, tuo toliau trykšta vandens srovė. Turbinų korpusai smarkiai skiriasi priklausomai nuo naudojimo srities.
- Esant dvigubo kanalo korpusui, tampa įmanomas impulsinis dujų srovės judėjimas ir galima sulaukti rezonansinių reiškinių. Turbinos korpuse, turinčiame dvigubą kanalą, kiekviena srovė paskirstoma visame turbinos rotoriaus paviršiuje.
- Sistemoje su nuolatiniu slėgiu naudojama tik slenkamojo judėjimo panaudotų dujų energija. Šiuo atveju tegali būti naudojami tik turbinų korpusai su vienu kanalu.
Didelių matmenų turbokompresoriuose dažnai įmontuojamas papildomas žiedas su nukreipiamosiomis mentėmis. Jis palengvina panaudotų dujų nuolatinės srovės sukūrimą turbinos rotoriuje ir leidžia reguliuoti srovę. Turbinos korpusas liejamas iš temperatūrai atsparaus lydinio. Turbinos rotorius taip pat gaminamas iš aukštos kokybės medžiagų, atsparių aukštai temperatūrai.
Turbinos rotorius ir ašis
Prie ašies stipriai pritvirtinamas turbinos rotorius. Ašies medžiaga skiriasi nuo medžiagos, naudojamos turbinos rotoriui. Ašis ir rotorius, besisukantys skirtingomis kryptimis labai dideliu greičiu, spaudžia vienas kitą. Dėl trinties išsiskirianti šiluma sulieja juos vieną su kitu, suformuodama neišardomą vienetą. Ašis sujungimo vietoje tuščiavidurė. Ši tuštuma apsunkina šilumos perdavimą iš turbinos rotoriaus į jos ašį. Iš turbinos pusės ašyje yra įdubis, kuriame - sandarinimo žiedas. Prie plonesnio ašies galo montuojamas kompresoriaus rotorius; ten yra sriegis, ant kurio užsukama apsauginė veržlė rotoriui pritvirtinti.
Kompresoriaus sandara
Kompresorių sudaro korpusas ir rotorius. Kompresoriaus dydį nulemia varikliui reikalingo oro kiekis ir turbinos sukimosi greitis. Kompresoriaus rotorius stipriai pritvirtintas prie turbinos ašies, taigi sukasi tokiu pat greičiu kaip ir turbinos rotorius. Taip įsiurbiamas oras nukreipiamas į rotoriaus periferiją ir menčių nubloškiamas link kompresoriaus korpuso sienelės. Dėl to oras suslegiamas ir per įleidžiamąjį kolektorių patenka į variklį.
Tepimo sistema ir sandarinimas
Turbokompresorius sutepamas nuo variklio sutepimo sistemos. Ašies korpusas yra centrinė turbokompresoriaus dalis, esanti tarp turbinos ir kompresoriaus. Ašis sukasi slydimo guoliuose. Motorinė alyva kanalais nuteka tarp korpuso ir guolių, taip pat tarp guolių ir ašies. Paskutiniu metu atsirado konstrukcijų, kuriose guolis nejuda, o ašis sukasi alyvos vonelėje. Kompresorius sandarinamas iš abiejų pusių įmontuojant alyvą sulaikančias tarpines. Iš abiejų pusių įmontuojami ir sandarinimo žiedai. Nors šie žiedai ir padeda išvengti alyvos nuotėkio, jie iš tiesų nėra sandarinimo tarpinės. Juos reikia laikyti elementu, apsunkinančiu oro nuotėkį tarp turbinos, kompresoriaus ir ašies korpuso. Įprastu turbokompresoriaus darbo režimu turbinoje ir kompresoriuje slėgis didesnis nei ašies korpuse. Visi alyvos sandarikliai dinaminio tipo.
Iš turbinos pusės sandarinimo žiedai išdėstyti grioveliuose (tiek ašies korpuse, tiek ir ant pačios ašies). Tokiu pat principu žiedai sumontuoti ir iš kompresoriaus pusės. Sandarinimo žiedai atlieka svarbiausią vaidmenį užtikrinant hermetiškumą. Sandarinimo žiedas sukasi tokiu pat greičiu kaip ir ašis. Slėgis kompresoriuje ir turbinoje išstumia alyvą į korpusą. Dėl išcentrinės jėgos už kompresoriaus rotoriaus susidaro vakuumas. Dirbant kompresoriui galimas alyvos nuotėkis iš ašies korpuso į kompresorių. Šiame kompresoriuje svarbiausią vaidmenį sandarinant vaidina sandarinimo žiedas. Kai variklis dirba mažomis apsukomis arba be apkrovos, už rotoriaus susidaro mažesnio slėgio zona. Alyva, tekanti nuo sandarinimo žiedų, nuteka vidine plokštelės puse žemyn, t. y. link angos alyvai nutekėti. Jei kompresoriuje susidarytų vakuumas, dujos įsiurbiamos lengviau nei gerokai sunkesnė alyva. Iš turbinos pusės alyvos nukreipimo problema ne tokia svarbi, turint omenyje, kad normaliomis sąlygomis slėgis turbinoje visada didesnis negu ašies korpuse. Bet kokioje ašies korpuso konstrukcijoje numatyta šilumos mainų sumažinimo būtinybė tarp turbinos su sandarinimo žiedais ir kompresoriaus. Šiuo tikslu iš turbinos pusės įmontuojama termoizoliacinė plokštelė, o ašies korpuse yra daugybė elementų šilumos mainams.
Turbinos valdymo aktuatoriai
Garo turbinos veikimo principas
Turbinos valdymo aktuatorius yra įrenginys, kuris reguliuoja išmetamųjų dujų srautą į turbokompresorių. Šis įrenginys gali būti mechaninis arba elektroninis, tačiau jo pagrindinis tikslas - kontroliuoti turbinos suspaudimo slėgį, kad būtų pasiektas optimalus variklio veikimas. Turbinos valdymo aktuatoriai susideda iš kelių pagrindinių dalių, kurios užtikrina tinkamą jų veikimą.
Mechaninio aktuatoriaus komponentai
- Membrana yra viena svarbiausių mechaninio turbinos valdymo aktuatoriaus dalių. Ji veikia kaip slėgio jutiklis, kuris reaguoja į išmetamųjų dujų slėgį. Membranos funkcija yra esminė slėgio reguliavimui.
- Stūmoklis arba strypas yra tiesiogiai sujungtas su membrana ir perduoda jos judesį į kitas turbinos dalis. Mechaninis aktuatoriaus strypas yra pritvirtintas prie atliekų išmetimo vožtuvo (angl. wastegate), kuris reguliuoja išmetamųjų dujų srautą.
- Spyruoklė yra esminė mechaninio valdymo aktuatoriaus dalis, kuri atsako už slėgio reguliavimą. Spyruoklė sulaiko membraną tam tikroje padėtyje ir pasipriešina jos judesiams iki tol, kol išmetamųjų dujų slėgis viršija nustatytą ribą. Kai slėgis pakyla, spyruoklė susispaudžia, leisdama membranai judėti ir reguliuoti vožtuvo padėtį.
- Atliekų išmetimo vožtuvas, dar vadinamas wastegate, yra mechanizmas, kuris kontroliuoja, kiek išmetamųjų dujų patenka į turbokompresorių. Jis atsidaro arba užsidaro, priklausomai nuo aktuatoriaus siunčiamo signalo. Atliekų išmetimo vožtuvas gali būti vidinis arba išorinis.
Elektroniniai aktuatoriai ir jų privalumai
Šiuolaikiniuose automobiliuose vis dažniau naudojami elektroniniai aktuatoriai, kurie turi integruotą valdymo bloką. Elektroninis valdymo blokas (ECU - Engine Control Unit) naudoja jutiklių informaciją, kad tiksliai valdytų turbinos slėgį. Jutikliai stebi įvairius variklio parametrus, tokius kaip išmetamųjų dujų slėgis, variklio temperatūra ir oro srautas. Elektroninis valdymo blokas suteikia didesnį tikslumą ir greitesnę reakciją, palyginti su mechaniniais aktuatoriais.
Elektroninėse sistemose svarbūs yra jutikliai, kurie stebi įvairius variklio ir išmetamųjų dujų parametrus. Šie jutikliai perduoda informaciją elektroniniam valdymo blokui, kuris naudoja šiuos duomenis aktuatoriaus valdymui. Turbinos valdymo aktuatorius veikia valdydamas išmetamųjų dujų srautą, kuris eina per turbokompresorių. Kai variklio apkrova padidėja, didėja ir išmetamųjų dujų kiekis. Dujos sukasi turbinos sraigtą, kuris, savo ruožtu, suspaudžia orą, tiekiamą į variklį.
Turbinos valdymo gedimai ir diagnostika
Turbinos valdymo gedimai gali pasireikšti įvairiais simptomais, tokiais kaip sumažėjusi trauka, variklio perputimas ar nepakankamas slėgis. Svarbu atlikti išsamią diagnostiką, kad būtų nustatyta tikroji problema. Visos automobilių remonto paslaugos, diagnostika, priežiūra ir remontas yra būtini tinkamam turbokompresoriaus veikimui užtikrinti.
Dažniausiai pasitaikančios problemos ir jų sprendimai
- Perputimas ir "lagas" prie mažų apsukų: vartotojas nurodė problemą su turbinos valdymu, kai atjungus turbinos valdymo vakuuminę žarnelę, mašina važiuoja gerai, tik yra "lagas" prie mažų apsukų, bet trauka nuo didelių sūkių labai gera. Diagnostika rodė, kad pučia virš 2000 mbar, kas yra perputimas. Pajungus vakuumą atgal, sūkių skaičius nekyla daugiau 2000, o turbinos slėgis siekia iki 1055 mbar. Bandymai keisti aktuatorius nuo EGR nieko nepakeitė, o patikrinus "burna" nesijautė, kad būtų kiauras. Diagnostika klaidų nerodė.
- Ką žiūrėti diagnostikoje: be turbinos slėgio, nominalaus slėgio prie tam tikrų apsukų ir aktuatoriaus atidarymo lygio procentais (kalbant apie wastegate valdymą), diagnostika nerodo, ar žarnelės yra teisingai sujungtos, ar membranoje yra skylė, ar vakuumo trūkumas, ar kitos priežastys, kurių diagnostika neturi galimybės parodyti. Žarneles rekomenduojama patikrinti pagal gamintojo schemas.
- Aktuatoriaus kojelės strigimas: gali būti, kad aktuatoriaus kojelė stringa. Tai gali sukelti traukos trūkumą, tačiau sūkiai vis tiek kyla. Keista, kad tokiu atveju nemetama jokių klaidų.
- Įsiurbimo kolektoriaus daviklio įtaka: turbinos veikimas priklauso ir nuo daviklio, esančio ant įsiurbimo kolektoriaus. Jei jis veiks netinkamai, turbina taip pat normaliai neveiks, t. y., nesukurs reikiamo slėgio.
- Vakuuminė žarnelė į turbiną (P406 2.0 HDI 66kw): vartotojas klausė, ar į P406 2.0 HDI 66kw turbiną turi eiti kokia vakuuminė žarnelė nuo vakuuminio vožtuvo. Paprastai, jei turbina turi vakuuminį valdymą, žarnelė turėtų eiti. Jei pučia 2000 mbar ir nemeta "check" lemputės, reiškia, tiek reikalauja variklio valdymo blokas. Jei turbina perputinėtų, būtų užfiksuota klaida ir mašina nevažiuotų.
- Ašies mankštinimas: vienas vartotojas pranešė, kad sutvarkė problemą pramankštinęs turbinos valdymo ašelę. Po to realus slėgis skyrėsi tik apie 20 mbar nuo idealiojo.
- EGR oro srauto problema: po ašies mankštinimo atsirado klaida "EGR air flow too low". Tai gali reikšti, kad trūksta išmetamųjų dujų paėmimo arba gryno oro. Diagnostika parodė, kad su įjungtu EGR siurbiama ~250 oro vienetų, o atjungus - padvigubėja. Tai gali reikšti, kad EGR yra užstrigęs beveik uždarytas arba jo nėra valdymo. Rekomenduojama patikrinti, ar žarnelė, kuri eina į EGR, laisvuoju režimu traukia orą. Jei traukia, siūloma žarnelę atjungti, užglušinti ir taip važinėti. Jei netraukia, pakaktų sutvarkyti valdymą. Ši klaida neturėtų daryti įtakos važiavimo dinamikai ar sukelti "antipollution" klaidos.
- Užsikimšęs EGR: vienas vartotojas išsprendė problemą atsukęs metalinį vamzdį į EGR ir aptikęs, kad jis pilnas suodžių. Išvalius, viskas veikė puikiai. Tie "suodžiai" yra išmetamųjų dujų ir tepalo produktas.
- Turbinos slėgis 2.0l HDI 81 kW: vartotojas klausė, kiek barų sukuria 2.0l HDI 81 kW turbina.
Turbinos valdymo gedimai ir jų požymiai
Vartotojai susiduria su turbinos valdymo gedimais, kai turbina nenori "užsisukti" iki raudonos padalos tachometre, o sustoja ties geltonos ir raudonos ribos sandūra. Tai gali reikšti, kad turbina nepakankamai pučia. Tokiu atveju reikia tikrinti BCV (angl. Boost Control Valve, dar žinomas kaip APC vožtuvas), kuris leidžia turbinai pūsti daugiau nei bazinis slėgis. Gali būti, kad sklendė neatidaro iki galo. Tokiais atvejais rekomenduojama pradėti nuo paprasčiausios apžiūros, ar nėra nesandarumo oro padavimo sistemoje (neužveržta sąvarža, suskilinėjęs vamzdis ir pan.).
Per didelis turbinos slėgis
Kartais turbina pradeda pūsti per daug. Rodyklė turbinos lenkiasi net už raudono, kol gaunamas nemalonus ir stiprus smūgis. Patikrinus wastegate kojelę ir įsitikinus, kad ji vaikšto, galima įtarti, kad kaltas BCV. Jei BCV mechaniškai užstrigo, saugiklio ištraukimas nieko nepadės. Galima prijungti žarnelę nuo kompresoriaus į wastegate ir važinėti. Kalbant apie paties BCV diagnostiką, elementariai pučiant į triūbelę galima patikrinti jo veikimą. Jei turimas blogas, galima pirkti naudotą arba perdaryti ECU darbui su Trionic7 BCV, kuris yra patikimesnis ir pigesnis.