Žodis „turbina“ dažnai skamba automobilių entuziastų lūpose, siejamas su didesne variklio galia. Tačiau kas iš tiesų slypi po šiuo terminu ir kaip veikia šis įrenginys?
Pagrindinis turbokompresoriaus 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.
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, 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.
Istorinė ir techninė turbinos 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. 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.
Lietuvoje pirmoji garo turbina buvo įrengta Vilniaus elektrinėje 1912 metais, jos galia siekė 960 kW.
Turbokompresoriai automobiliuose
Šiuolaikiniuose automobiliuose, ypač dyzeliniuose ir daugelyje benzininių, turbokompresorius (arba tiesiog „turbina“, kaip jį mėgsta vadinti automobilių specialistai) yra tapęs neatsiejamu komponentu. Jis pradėjo populiarėti maždaug prieš du dešimtmečius.
Turbokompresorių tipai
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.
- 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.
Turbokompresorių privalumai ir trūkumai
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.
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.
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.
Turbokompresoriaus priežiūra ir remontas
Norint užtikrinti ilgą ir patikimą turbokompresoriaus tarnavimą, svarbu tinkamai jį prižiūrėti. 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.
- Alyvos ir oro filtrų keitimas: Šie komponentai tiesiogiai įtakoja turbokompresoriaus veikimą.
- 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.
Turbokompresoriaus 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.
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.
Jei turbina sugedusi, automobilis gali pradėti intensyviau dūmyti iš duslintuvo, padidėti alyvos sąnaudos, o kartais sumažėti trauka. Degalų sąnaudos ne visada pakinta.