Automobilių variklių našumas nuolat tobulėja, o viena iš svarbiausių technologijų, leidžiančių padidinti variklio galią ir efektyvumą, yra turbokompresoriai, arba tiesiog - turbinos. Daugelis esate pastebėję ant automobilių užrašą „turbo“, tačiau ne visi žino, ką tai reiškia ir kaip šis įrenginys veikia. Vienas paprasčiausių būdų padidinti variklio galingumą yra padidinti sudeginamo oro ir degalų kiekį. 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. Šis įrenginys gali būti mechaninis arba elektroninis, tačiau jo pagrindinis tikslas - kontroliuoti turbinos suspaudimo slėgį, kad būtų pasiektas optimalus variklio veikimas.
Turbokompresoriaus veikimo pagrindai
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 (sumažinus jų tūrį), jų temperatūra kyla, o leidžiant dujoms plėstis, jų temperatūra ir slėgis mažėja. Padidinus dujų temperatūrą, padidėja dujų slėgis (uždaroje erdvėje) arba tūris (jei dujoms leidžiama plėstis). Kuo didesnis slėgių skirtumas, tuo didesne jėga dujos veržiasi į žemesnio slėgio zoną.
Vidaus degimo variklis „kvėpuoja“: jis įtraukia oro ir kuro energijai gauti. Ši energija gimsta oro ir kuro mišinio užsidegimo momentu. Nelaimei, didžioji šilumos dalis išmetama lauk į išmetimo vamzdį dar prieš ją panaudojant, nes cilindras yra per trumpas, kad visą šilumą paverstų mechanine energija. Turbokompresorius (angl. turbocharger) yra prietaisas, varomas išmetamųjų dujų, kuris sujungtas velenu su kompresoriumi, pumpuojančiu orą į variklį. Karštos išmetamosios dujos, susidarančios degant kuro mišiniui, iš variklio nukreipiamos į pirmo, „turbininio“ turbokompresoriaus rato mentes ir priverčia jį suktis. Šis ratas yra ant vienos ašies su kitu, „kompresoriniu“ turbinos ratu. Abu ratai pradeda suktis vienodu greičiu.
Didesnis oro kiekis cilindre leidžia sudeginti daugiau degalų viename variklio cikle. Daugiau sudegusio kuro reiškia daugiau išmetamųjų dujų, o tai savo ruožtu lemia didesnę galią ir išsiplėtimą. Tai tiesiog „nemokami priešpiečiai“ inžinerijoje, todėl kad beveik be jokių išlaidų panaudojama galia, kuri kitaip būtų prarandama. Turbina, išnaudodama energiją, kuri šiaip būtų išmesta lauk kaip šiluma, paverčia ją mechanine energija.
Energijos gavimas iš išmetamųjų dujų
Dažnai klystama, kad išmetamųjų dujų turbiną varo tiktai kinetinė dujų energija, kai dujos atsitrenkia į turbinos sparnelius. Išmetimo dujų srauto kinetinė energija tikrai 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. Išmetimo dujos patenka į turbinos įėjimą, kuriame nedaug vietos. Šiame taške mes turime labai didelius slėgimą ir temperatūrą, taigi mūsų 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. Sparnelius mes sumaniai įkišame į turbinos vidų taip, kad besiplečiančios dujos slėgtų turbinos sparnelius ir verstų ją suktis. Kai visa kita yra pastovūs dydžiai, turbinos atliekamas darbas yra nusakomas slėgių skirtumu tarp turbinos įėjimo ir išėjimo. Padidinus įėjimo slėgimą, sumažinus išėjimo, arba pakeitus abu, gaunama daugiau galios. Slėgimas yra karštis, karštis yra slėgimas. Pakelti įėjimo slėgį turbinoje galima, bet sudėtinga. Sumažinti išėjimo slėgį lengva - pakanka prisukti didesnį išmetimo vamzdį su mažesniu pasipriešinimu dujų srautui.
Kompresoriaus veikimas
Kadangi galima išgauti darbą iš besiplečiančių turbinoje dujų, taip pat sėkmingai galima suspausti dujas, sukant turbinos veleną išorinio galios šaltinio pagalba. Kitaip tariant, kompresorius - tai atvirkščiai veikianti turbina. Veikia tie patys fizikos dėsniai, tik kita kryptimi: imamos žemo slėgio dujos, atliekamas su jomis darbas, jas suspaudžiant kompresoriaus sparneliais, ir gaunamos didelio slėgio bei aukštos temperatūros dujos kompresoriaus išėjime. Suspaudimo metu atsirandantis temperatūros padidėjimas nepageidautinas ir sukelia papildomų problemų.
Kam reikalingas turbinos slėgio reguliavimas? (Wastegate)
Turbina - tai 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. Ir taip be galo. Taigi, mums kažkaip reikia apriboti galingumą. Tiesą sakant, mums reikia pasiekti, kad turbina veiktų pastoviu greičiu, taip maksimizuojant kompresoriaus efektyvumą. Turbinos mėgsta dirbti pastoviu greičiu. Šį slėgį ir kontroliuoja veistgeitas (angl. wastegate). Tautietiškai jis vadinasi kaip nors panašiai į „dujų pertekliaus pašalinimo kanalą“.
Veistgeitas yra paprasčiausias vožtuvas, kuris atsidaro pasiekus tam tikrą oro slėgį (angl. boost level) 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. Vienintelė subtilybė yra tame, kad veistgeitui turi užtekti pajėgumo praleisti visą dujų perteklių. Jei ne, turėsime tolesnį lėtą oro slėgimo ir variklio galios didėjimą turbokompresoriaus darbo metu (angl. boost creep).
Mechaninio turbinos valdymo aktuatoriaus sandara ir veikimas
Turbinos valdymo aktuatorius yra esminė variklio dalis, kuri reguliuoja oro srautą į variklio turbiną. Šis įrenginys yra pagrindinis veiksnys, lemiantis variklio galingumą, efektyvumą ir išmetamo CO2 kiekį. Turbinos valdymo aktuatorius yra kompleksinis mechanizmas, kuris reguliuoja oro srautą į variklio turbiną. Mechaninio turbinos valdymo aktuatoriaus veikimo principas yra visiškai mechaninis ir paprastas.
Turbinos valdymo aktuatoriai susideda iš kelių pagrindinių dalių, kurios užtikrina tinkamą jų veikimą:
- 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 (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.
Turbinos valdymo aktuatorius veikia valdydamas išmetamųjų dujų srautą, kuris eina per turbokompresorių. Kai variklio apkrova padidėja, didėja ir išmetamųjų dujų kiekis. Dujos suka turbinos sraigtą, kuris, savo ruožtu, suspaudžia orą, tiekiamą į variklį. Reguliatoriaus veikimo principas dažniausiai yra visiškai mechaninis ir paprastas. Jis prijungtas prie įsiurbimo kolektoriaus, aukšto slėgio kuro trasos ir grįžtamojo vamzdelio. Reguliatoriaus viduje yra spyruoklė ir membrana.
Elektroninis turbinos valdymo aktuatorius
Šiuolaikiniuose automobiliuose vis dažniau naudojami elektroniniai aktuatoriai, kurie turi integruotą valdymo bloką. Elektroninis valdymo blokas (angl. 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.
Turbinos slėgio daviklis, kaip svarbi elektroninės sistemos dalis, nuolat stebi šį slėgį ir perduoda informaciją valdymo blokui. Tai leidžia ECU dinamiškai reguliuoti turbinos veikimą, užtikrinant maksimalų efektyvumą ir apsaugant variklį nuo perkrovos. Vidutinės geometrijos turbinos (angl. VGT) vožtuvai taip pat reguliuoja oro srautą į variklio turbiną keisdami turbinos geometriją. Visi šie komponentai dirba sinchronizuotai, siekdami užtikrinti optimalų oro srautą tiek į turbiną, tiek į kompresorių.
Kiti svarbūs turbokompresoriaus sistemos komponentai
Tarpinis aušintuvas (Intercooler)
Suspaudžiant orą, jis kaista ir plečiasi, todėl siekiant padidinti variklio galią, būtina į variklį patekti kuo daugiau oro molekulių, o ne tiesiog slėgio. Nelaimei, fizikos dėsniai šį kartą veikia mūsų nenaudai, ir dėl atlikto darbo su oru pastarasis įkaista. Aukštos temperatūros dujos turi mažesnį tankį. Jei atsimenate, detonacijos atsiradimas paprastai yra faktorius, ribojantis variklio galingumą. Taigi, mes turime atvėsinti orą, neprarasdami slėgio. Tam ir naudojamas interkūleris (angl. intercooler). Tai paprastas oro radiatorius, montuojamas tarp kompresoriaus išėjimo ir variklio įėjimo ir aušinamas aplinkinio oro srautu. Interkūleryje visada krenta suspausto oro slėgis, tačiau gaunamas efektyvesnis oro kiekis varikliui.
Išmetimo vožtuvas (BOV - Blow-Off Valve)
Visiems patinka BOV dėl malonaus čiaudėjimo garso, kurį jis sukelia. Tačiau BOV - negeras įtaisas, nes jis paima taip brangiai suslėgtą orą ir išmeta jį lauk. Deja, šis įtaisas būtinas, ir tenka su juo susitaikyti. Įsivaizduokite: jūs greitėjate, turbina pilnai įsisukusi, ir staiga jūs nukeliate koją nuo gazo pedalo, o droselio sklendė užsidaro. Suspaustas oras, vietoje to, kad nuolatiniu srautu tekėtų į variklį, atsitrenkia į uždarytą sklendę. Tiksliau tariant, gaunama aukšto slėgio banga, kuri keliauja nuo droselio sklendės atgal į kompresorių ir trenkiasi į kompresoriaus sparnelius. Gaunamas panašus efektas kaip įkišus pagalį į dviračio špikius. Nuo pasikartojančių smūgių kenčia kompresoriaus mentės ir veleno guoliai, be to, sumažėja turbinos apsukimai ir vėliau tenka gaišti laiką pakartotiniam jos įsukimui. BOV montuojamas tarp kompresoriaus ir droselio sklendės. Jei BOV pastebi smūgio bangą, jis išleidžia ją kur nors - atgal į atmosferą arba į kompresoriaus įėjimą. Tokiu būdu mes prarandame slėgimą, bet išsaugome turbinos apsukimus.
Turbokompresorių sistemos trūkumai ir priežiūra
Turbinos yra nuostabūs įrenginiai. Jos lengvos, labai efektyvios, tačiau turi ribotą darbinių apsukimų intervalą. Turbokompresorius 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, kitokie nepageidautini aerodinaminiai reiškiniai, ir oro srautas sumažėja. Jei greitis per mažas, sparneliai negauna pakankamo „stumtelėjimo“ ir dujų srautas taip pat sumažėja.
Pagrindinis turbinų trūkumas yra vadinamoji „turbopauzė“ (angl. turbo lag), kai po akceleratoriaus pedalo paspaudimo reikia laiko, 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.
Kita problema - 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. Varikliai su dideliu galios užkėlimu reikalauja geros degimo sistemos.
Kadangi turbinos veikia itin aukštoje temperatūroje, svarbu užtikrinti, kad karštis nepakenktų metalinėms detalėms. 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. Be to, verta atkreipti dėmesį, kad po intensyvaus važiavimo, kai turbina dirbo didelėmis apkrovomis, iškart neišjungus variklio gali kilti perkaitimo pavojus.
Apibendrinimas
Turbinos valdymo aktuatorius yra esminis variklio elementas, kuris turi didelę įtaką jo veikimui ir efektyvumui. Šis kompleksinis mechanizmas reguliuoja oro srautą į variklio turbiną bei kompresorių, siekdamas maksimaliai išnaudoti variklio potencialą. Jo svarba akivaizdi ne tik galingumo ir efektyvumo požiūriu, bet ir stabilumo bei aplinkos apsaugos kontekste:
- Turbina išsaugo energiją, kuri šiaip būtų išmesta lauk kaip šiluma.
- Suspaustas oras variklio įėjime leidžia padidinti variklio galingumą, nes galima sudeginti daugiau kuro vienu variklio taktu.
- Slėgio skirtumą tarp turbinos įėjimo ir išėjimo galima padidinti, sumontavus naują išmetimo sistemą su didesniu dujų pralaidumu.
- Interkūleris sumažina iš kompresoriaus išeinančio oro temperatūrą, kuri padidėja suspaudimo metu.
- Turbinos valdymo aktuatorius leidžia varikliui pasiekti optimalų galingumą visose veikimo sąlygose.
- Kontroliuojant oro srautą, turbinos valdymo aktuatorius padeda varikliui pasiekti didesnį efektyvumą ir stabilumą.
Apibendrinant, turbokompresorius yra galingas įrankis, leidžiantis padidinti automobilio variklio efektyvumą ir galią. Tačiau norint išvengti galimų problemų, tokių kaip detonacija ar turbopauzė, svarbu suprasti, kaip veikia turbina ir kaip ją tinkamai prižiūrėti. Aprašyta tik trumpa santrauka iš turbokompresorių kūrimo istorijos ir teorijos, daug kas buvo supaprastinta, kad nenukrypti nuo esmės. Vien teorija apie procesus tarp korpuso ir pačios turbinos sudarytų atskirą knygą.
tags: #mechaninis #turbinos #slegio #reguliatorius