Turbokompresorius (turbo) - tai įrenginys, montuojamas prie automobilio variklio su tikslu padidinti jo galią. Turbokompresorius (turbocharger) arba liaudiškai turbina - tai įtaisas montuojamas prie automobilio variklio su tikslu padidinti jo galią. Sugautos dujos suka turbokompresoriuje esantį žiedą, ir tokiu būdu atiduoda varikliui daugiau suspausto oro. Šiandieninėje pasaulinėje automobilių rinkoje dar ne visuose automobiliuose įrengtos turbinos. Tačiau jau po kelerių metų vargu ar bus galima įsigyti automobilį be turbininio variklio. Ir tai liečia ne tik benzininius automobilių modelius. Faktas tas, kad šiandien dyzeliniuose agregatuose taip pat montuojamas turbokompresorius. Automobilio turbinos šiandien yra pagrindinis bet kurios transporto priemonės galios didinimo komponentas. Pastaraisiais metais vis daugiau naujų automobilių turi turbokompresorius. Šių turbinų dėka automobilių gamintojams pavyko ne tik padidinti savo automobilių galią, bet ir užtikrinti, kad jų išmetamosios dujos būtų daug švaresnės aplinkosaugos požiūriu. Taigi, turbokompresoriai tapo tiesiog neatsiejama daugumos šių dienų modernių automobilių dalimi. Tačiau, nors varikliai su turbokompresoriais labai išpopuliarėjo tik prieš kelerius metus, variklių su turbokompresoriais technologija gimė daugiau nei prieš 100 metų.
Prieš pradedant reikia trumpai apžvelgti vieną iš fizikos dėsnių - idealių dujų dėsnį. Trumpai tariant dėsnio esmė yra tokia: dujų temperatūra, slėgis ir tūris yra tarpusavyje susiję. Suspausk dujas (sumažink jų tūrį) ir temperatūra pakils. Leisk dujoms plėstis, ir dujų temperatūra bei slėgis sumažės. Padidink dujų temperatūrą, ir padidės dujų slėgis (uždaroje erdvėje) arba tūris (jei dujoms leidžiama plėstis). Kuo didesnis slėgių skirtumas, tuo didesne jėga dujos veržiasi į žemesnio slėgio zoną.
Kaip žinome, 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. Nelaimei, didžioji šilumos dalis išmetama lauk į išmetimo vamzdį dar prieš ją panaudojant. Nors šiluma - tai energija. Šiluma nepanaudojama, nes cilindras yra per trumpas, kad visą šilumą paversti mechanine energija. Taigi, ką mes galime padaryti? Galime nukreipti išmetimo vamzdį priešinga judėjimui kryptimi ir pabandyti gauti šiek tiek reaktyvinės traukos, bet išskyrus labai retus atvejus dujų kiekis nepakankamas gauti nors kiek naudingą postūmį. Keletas senesnių IndyCar automobilių tokiu būdu tikrai sukurdavo kelių kilogramų trauką, bet to nepakanką, kad būtų reali nauda.
Gerai, o kaip dėl galimybės prikabinti kokį nors papildomą variklį prie išmetimo srauto? Turbinos. Taigi, turbokompresorius (turbocharger). Tai yra turbina, varoma išmetamųjų dujų, kuri velenu sujungta su kompresorium, kuris pumpuoja orą į variklį. Didesnis oro kiekis cilindre reiškia, kad daugiau kuro galima sudeginti viename variklio cikle. Daugiau sudegusio kuro reiškia daugiau išmetamųjų dujų, daugiau išmetamųjų dujų reiškia didesnę galią ir išsiplėtimą. Tai tiesiog „nemokami priešpiečiai” inžinerijoje, todėl kad beveik be jokių išlaidų panaudojama galia, kuri kitaip būtų prarandama.
Tikrai turbina nemažina variklio galios? Ar turbina nepadidina slėgio išmetimo sistemoje (exhaust backpressure)? Kai turbokompresoriaus pagalba didinama variklio galia - nepadidina. Kai atsidaro išmetimo vožtuvas, dujų slėgis cilindre yra daug didesnis negu turbinos įėjime (inlet). Slėgis cilindre yra labai greitai „išpučiamas”, be to variklio išmetimo takto metu cilindro tūris greitai mažėja, ir pagal idealių dujų dėsnį slėgis palaikomas aukštesnis už turbinos įėjimo slėgimą. Pagaliau, baigiantis išmetimo taktui, kai slėgiai yra beveik vienodi, atsidaro įėjimo vožtuvas (intake valve), ir oras „įpučiamas” į variklio cilindrą, nes jis yra suslėgtas kompresoriaus.
Praeitame skyriuje buvo papasakota, kad turbina - tai įrenginys, panaudojantis energiją, kuri šiaip yra prarandama. Dabar visa tai bus išnagrinėjama smulkiau. Kokia energija varo turbiną? Dažnai klystama, kad išmetamųjų dujų turbiną varo tiktai kinetinė dujų energija, kai dujos atsitrenkia į turbinos sparnelius. Panašiai kaip vaikiška sparnuotė, prikišta prie išmetimo vamzdžio galo. Taip, išmetimo dujų srauto kinetinė energija tikrai prisideda prie turbinos darbo, tačiau didžioji išgaunamos energijos dalis ateina iš kitur. Atsiminkite ryšį tarp temperatūros, tūrio ir slėgio, kai mes kalbėjome apie dujas. Aukšta temperatūra, didelis slėgis ir mažas tūris yra didelės energijos būsenos, o žema temperatūra, mažas slėgis ir didelis tūris yra mažos energijos būsenos. Banga susijungia su išmetimo bangomis iš kitų cilindrų, ir 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. Mes ką tik gavome energijos iš išmetimo dujų šilumos, kuri šiaip būtų buvusi prarasta.
Taigi, ką tai reiškia mūsų pasaulyje? Kai visa kita yra pastovūs dydžiai, turbinos atliekamas darbas yra nusakomas slėgių skirtumu tarp turbinos įėjimo ir išėjimo. Padidink įėjimo slėgimą, sumažink išėjimo, arba pakeisk abu, ir gausi 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. Teko matyti keletą žinučių iš žmonių, kurie padarė išmetimo sistemos tiuningą. Taip įvyksta dėl slėgimo sumažinimo turbinos išėjime. Padidėjo slėgių skirtumas, išmetimo dujos turbinoje išsiplečia daugiau ir atlieka daugiau darbo. Taip pat turėtų būti pastebimas mažesnis sukimo momento kritimas prie maksimalių variklio apsukimų, kurio priežastis - ribotas išmetimo sistemos pajėgumas praleisti dujų srautą. Jei viršijamas maksimalus išmetimo sistemos pralaidumas, visas papildomas dujų kiekis, kurį jūs bandysite prastumti pro išmetimo sistemą, tik didins turbinos išėjimo slėgimą. Didesnis išėjimo slėgimas, mažesnis slėgių skirtumas, mažiau darbo, mažesnis sukimo momentas.
Kadangi jūs galite išgauti darbą iš besiplečiančių turbinoje dujų, jūs taip pat sėkmingai galite suspausti dujas, sukdami turbinos veleną išorinio galios šaltinio pagalba. Kitaip tariant, kompresorius - tai atvirkščiai veikianti turbina. Veikia tie patys fizikos dėsniai, tik kita kryptimi: imame žemo slėgio dujas, atliekame su jomis darbą, jas suspausdami kompresoriaus sparneliais, ir gauname didelio slėgio ir aukštos temperatūros dujas kompresoriaus išėjime. Suspaudimo metu atsirandantis temperatūros padidėjimas nepageidautinas ir mes turėsime dėl jo problemų, bet apie tai vėliau. Duotas oro tūris yra pakankamas sudeginti tam tikrą tiksliai apibrėžtą degalų kiekį. Oro santykis su degalais yra maždaug 14:1. Išmetimo dujų kiekis daug didesnis už oro kiekį, sunaudotą degimo metu, ir išmetimo dujų slėgis daug didesnis, negu paduodamo oro, todėl veleno ir turbinos vidaus konstrukcija labai skiriasi.
Pagrindiniai turbokompresoriaus trūkumai ir turbo lagas
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, kiti nepageidautini aerodinaminiai reiškiniai, ir oro srautas sumažėja. Jei greitis per mažas, sparneliai negauna pakankamo „stumtelėjimo” ir dujų srautas taip pat sumažėja.
Automobilių su turbinomis savininkai ko gero galėtų pasakyti, jog turbokompresoriaus veikimas - kantrybės reikalaujantis dalykas. Tam, kad jis tinkamai suveiktų visuomet reikia šiek tiek laiko ir papildomo galios pliūpsnio jūs iškart negausite. Toks prietaiso uždelsimas dar kitaip yra vadinamas “turboduobe” (ang. Turbo lag). Dėl šios priežasties turbokompresoriai kurį laiką turėjo vėlavimo minusą.
Kokia iš to nauda? Mažesnė turbina. Mažesnė turbina turi mažesnę inerciją, greičiau įsisuka iki WOT greičio ir pasiekia reikiamą efektyvumą. Turbo lagas yra vienintelis didelis turbinų trūkumas. Kadaise susimastėte, kodėl turbina 2G tokia maža? Ji tiksliai pritaikyta variklio oro suvartojimui, kai vairuoja Jonas Eilinis (Joe Public), kuris retai, o gal ir niekada, neviršija 4500aps/min. Lago sumažinimas turi ir kitą pašalinį efektą. Jei nupiešti mašinos greitėjimo kreivę, plotas po kreive parodys pereinamosios galios juostą (transitional power band). Truputį paskaičiavus paaiškėja, kad tos juostos padidinimas, netgi be maksimalaus galios padidinimo, labai padidina sukimo momentą, reikalingą mašinos greitėjimui.
Vienas iš mūsų tiuningistų pamatuoja išmetimo dujų srautą, dinamiką, paskaičiuoja variklio oro suvartojimą tam tikrame darbo režime, ir parenka kompresorių ir korpusą taip, kad maksimizuotų turbinos efektyvumą tam režimui. Kaip turbina parenkama, jau ne šitos žinutės tema, bet trumpai tariant, palyginami slėgio grafikai.
Interkūleris
Praeitame skyriuje mes baigėme suspaustu oru, išeinančiu iš turbokompresoriaus kompresorinės pusės. Nelaimei, fizikos dėsniai šį kartą veikia mūsų nenaudai, ir dėl atlikto darbo su oru pastarasis įkaista. Tai blogai. 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 (intercooler). Tai paprastas oro radiatorius, montuojamas tarp kompresoriaus išėjimo ir variklio įėjimo ir aušinamas aplinkinio oro srautu. Jis patektų į aplinkinio oro srautą. Interkūleryje visada krenta suspausto oro slėgis.
Wastegate (išmetamųjų dujų sklendė)
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 (žiūrėti ankstesnius skyrius). Tokiu būdu mes maksimizuojame kompresoriaus efektyvumą - jei atsimenate, turbinos mėgsta dirbti pastoviu greičiu. Šį slėgį ir kontroliuoja veistgeitas (wastegate). Tautietiškai jis vadinasi kaip nors panašiai į „dujų pertekliaus pašalinimo kanalas”. Veistgeitas yra paprasčiausias vožtuvas, kuris atsidaro pasiekus tam tikrą oro slėgį (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 mažiau atliekama darbo, todėl 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 (boost creep).
BOV (Blow-Off Valve - išmetimo vožtuvas)
Visiems patinka BOV dėl malonaus čiaudėjimo garso, kurį jis sukelia. Tačiau BOV - negeras įtaisas. 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, gyvenimas puikus, ir staiga jūs apsigalvojate. Tai reiškia, jūs nukeliate koją nuo gazo pedalo, ir 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, išleidžia ją kur nors - atgal į atmosferą arba į kompresoriaus įėjimą. Tokiu būdu mes prarandame slėgimą, bet išsaugome turbinos apsukimus. Sunku be matavimų patvirtinti, kiek tai efektyvu sportiniame automobilyje.
Apžvalga
- 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 (intercooler) yra jūsų draugas. Jis sumažina iš kompresoriaus išeinančio oro temperatūrą, kuri padidėja suspaudimo metu.
- Varikliai su dideliu galios užkėlimu reikalauja geros degimo sistemos.
Nepamirškite, kad čia tėra trumpa santrauka iš 80 metų turbokompresorių kūrimo istorijos ir teorijos. Aprašyta ne viskas, daug kas buvo supaprastinta, kad nenukrypti nuo esmės. Vien teorija apie procesus tarp korpuso ir pačios turbinos sudarytų atskirą knygą.
Kaip veikia turbokompresorius?
tags: #kas #yra #lagas #automobilyje