Įpūsti daugiau oro

---

 

 

 

Turbo. Atsimenu dar tuos laikus, kai nežinojau, kas tai yra ir kaip veikia, bet aš, kaip ir visi jaunuoliai, nutuokiau, kad turbo yra geras dalykas, o tą „dalyką“ turintys automobiliai privalo būti galingi. Laikais, kai Lietuvoje pasirodė pirmieji automobiliai iš Vakarų Europos, apie turbokompresorius nedaug težinojo ir gerokai vyresni už mane automobilininkai, t. y. ir tie, kurie tuos automobilius vairavo. Viena vertus, buvo manoma, kad ši technologija sudėtinga ir nepatikima (ji tais laikais iš dalies tokia ir buvo), todėl tokių modelių žmonės vengdavo, antra vertus – „turbo“ reiškė „galingas“, todėl tokiais užrašais buvo apklijuojami ir automobiliai, kuriuose turbinos niekada nebuvo. Dabar, kai esu šiek tiek didesnis ir protingesnis, jaučiu pareigą pasidalyti išmintimi, kad apie „turbo“ suprastų ir tokie automoblių mėgėjai, kokiu aš buvau prieš dešimtį metų.

Oro, oro ir dar daugiau oro

Kalbant apie variklio tobulinimą didinant galią, egzistuoja trys pagrindiniai būdai: darbo tūrio didinimas, sukimosi dažnio didinimas ir pripūtimo panaudojimas. Darbo tūrio ir bet koks žymus sukimosi dažnio didinimas yra sudėtingi metodai. Pripūtimas yra gerokai paprastesnis ir efektyvesnis būdas, kurio dvi pagrindinės atmainos yra pripūtimas mechaniniu kompresoriumi (anglų k. – „supercharger“) ir turbokompresoriumi (anglų k. – „turbocharger“). Kiekvienas mechaninis kompresorius per grandinę ar diržinę pavarą yra varomas alkūninio veleno, o tokia pavara turi savų ypatumų. Vienas iš privalumų – ji pradeda veikti vos tik pasisukus alkūniniam velenui, tačiau yra ir trūkumų, nes sukant kompresorių, naudojama variklio galia. Tokių problemų nekyla naudojant turbokompresorių, mat turbinratis sukamas išmetamųjų dujų. Bet panašu, kad aš peršokau vienu skyriu į priekį nepasakydamas, kokia yra pripūtimo esmė. Jeigu sutarėme, kad cilindrų tūris liks toks pat ir variklio didžiausias sukimosi greitis nepadidės, turime galvoti kitaip. Reikia išgauti didesnę galią iš kiekvieno turimo cilindro, reikia galingesnio sprogimo per kiekvieną taktą. Efektyvus degimas yra tik tada, kai pakanka oro, todėl į cilindrą būtina „sukišti“ kuo daugiau oro molekulių. Varikliai, kuriuose oras įsiurbiamas tik stūmoklio, besileidžiančio žemyn, sudaryto dėl oro išretėjimo, vadinami atmosferiniais (anglų k. – „naturally aspirated“), o tie, kuriuose oras tiekiamas kompresoriais, – su pripūtimu (anglų k. – „forced induction“). Turbokompresorius yra mažas šiluminis variklis, varomas išmetamųjų dujų kinetinės energijos. Ji atmosferiniuose varikliuose priskiriama prie šiluminių nuotolių ir savo darbą atlieka labai efektyviai. Tiesa, turbokompresorius kiek apsunkina išmetimo sistemos darbą, sudarydamas šiokį tokį atgalinį slėgį, bet dėl to atsirandantis galios sumažėjimas yra nežymus, palyginti su bendru padidėjimu. Įprastame automobilyje turbina sudaro maždaug 0,5 baro slėgio padidėjimą, taigi į cilindrus patenka maždaug 50 % daugiau oro. Didžiausia galia taip pat turėtų padidėti 50 %, tačiau dėl šiluminių ir mechaninių nuotolių padidėjimas dažniausiai siekia 30–40 %. Didžiausias turkompresoriaus privalumas – net ir su reikalingais papildomais elementais visas komplektas yra kompaktiškas bei lengvas.

Nuo lėktuvų iki lengvųjų automobilių

Idėja prijungti turbinos sukimui išmetimo sistemą XX a. pradžioje kilo garo turbinas nagrinėjančiam šveicarų inžinieriui Alfredas Buchi. 1905 m. jis užpatentavo savo išradimą. Pirmiausia turbokompresoriai buvo pritaikyti lėktuvams, ir rezultatai buvo daug žadantys. Pirmasis bandymas atliktas po Pirmojo pasaulinio karo. „General Electric“ inžinierius Sanfordas Mossas sumontavo turbiną į „Liberty V-12“ lėktuvą; juo vėliau buvo atliekami bandymai dideliame aukštyje. Be turbinos, „V-12“ tipo variklio didžiausia galia siekė 354 AG, tačiau didesniame nei 4 kilometrų aukštyje galia jau tebuvo tik 230 AG. Sumontavus turbokompresorių, tokiame pačiame aukštyje „Liberty“ variklis be problemų išvystė 377 AG. Nors į Pirmąjį pasaulinį karą „General Electric“ pavėlavo, tačiau per antrąjį globalinį konfliktą, gerokai patobulinus savo gaminį, jų gaminamos turbinos suteikė didelį aukščio bei maksimalaus skrydžio atstumo pranašumus Amerikos bombonešiams. Per Antrąjį pasaulinį karą „General Electric“ ir „Ford“ pagamino daugiau negu 300 000 turbinų.
Turbodyzeliniai laivai ir lokomatyvai atsirado maždaug 3-iajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje. Turbo ir dyzelis pasirodė esantys ideali pora, mat dyzeliniuose varikliuose nėra oro sklendės, kuri ribotų oro tiekimą. 1949 m. Europos keliuose pasirodė pirmieji turbodyzeliniai sunkvežimiai. „Cummins“ kompanija buvo pirmoji Amerikoje, kuri gamino turbodyzelinius variklius sunkvežimiams bei finansavo pirmąjį turbokompresoriaus pasirodymą lenktynėse. 1952 m. turbodyzelinis roudsteris po sėkmingos kvalifikacijos lenktynes pradėjo iš pirmosios starto pozicijos, bet lenktynių nebaigė padangų skutams užkišus orapūtę.
Pirmuosius serijinės gamybos lengvuosius automobilius su turbokompresoriais 1962 m. pateikė „General Motors“. Tai buvo „Oldsmobile Cutlass Jetfire“ ir „Chevrolet Corvair Monza Spyder“. „Oldmobile“ modelis laikomas pirmuoju, nes pasirodė keliais mėnesiais anksčiau, tačiau „Chevrolet“ buvo pranašesnis, nes galia buvo gaunama daug tolygiau. Vis dėlto po kelerių metų „General Motors“ kompanija tokių variklių gamybą nutraukė ir negrįžo prie turbotechnologijų dešimt metų.
Turbinos vėl pasirodė Indianapolyje 1966-aisiais su „Offenhauser“ varikliais ir po dvejų metų pradėjo skinti pergales. 1973 m. šių variklių galia jau siekė 1000 AG, o tuo metu „Cam-Am“ serijos lenktynėse dominavo turbininis „Porsche 917/30“. Automobiliai su turbokompresoriniais varikliais dominavo Le Mans trasoje nuo 1976 iki 1994 metų. Neaplenkė turbotechnologijos ir „Formulės 1“, o laikotarpis nuo 1977 iki 1989 metų netgi vadinamas turbo era. To meto „F 1“ varikliai išvystydavo nuo 1000 iki 1500 AG, nors darbo tūris tebuvo 1500 cm³. Pirmoji komanda, pradėjusi naudoti pripūtimą, buvo „Renault“. Ši technologija pasirodė esanti gana brangi, bet gaunama galia viską kompensuodavo, todėl greitai visi variklių gamintojai pasekė „Renault“ pavyzdžiu. Šiomis naujovėmis nesusižavėjo FIA, nusprendusi, kad dėl turbinų lenktynės tampa per daug pavojingos ir brangios. 1987 m. buvo apribotas didžiausias turbinos pakeliamas slėgis, o dar po dvejų metų; technologija uždrausta.

Pagrindiniai elementai ir jų paskirtis

Pagrindiniai turbokompresoriaus komponentai yra ant ašies užmautos turbinos ir kompresoriaus sparnuotės, įmontuotos atskiruose korpusuose. Centre yra gyvybiškai svarbus mazgas, t. y. ašies tvirtinimas su slydimo arba rutuliniais guoliais. Turbinos korpusas surenka atėjusias išmetamąsias dujas ir nukreipia jas sukti turbinratį. Sparnuotės dydis ir forma gali būti įvairūs; nuo to priklauso turbinos techninė charakteristika. Kitame korpuse yra kiek kitokios konfigūracijos kompresoriaus sparnuotė. Išmetamosios dujos atiduoda kinetinę energiją turbinai, kuri per ašį suka kompresorių, o jo darbas yra patiekti įsiurbimo sistemai kuo daugiau filtruoto atmosferinio oro per laiko vienetą (pvz., per 1 sekundę). Daugelio turbinų didžiausias sukimosi greitis yra nuo 80 000 iki 200 000 aps./min., tad labai svarbus yra ašies balansavimas. Standartiniai riedėjimo guoliai tokių didelių apsisukimų neatlaikytų ir tiesiog subyrėtų į šipulius, todėl dažniausiai naudojami slydimo guoliai, o turbina sukasi ant suslėgto tepalo plėvelės. Kai kuriose turbinose montuojami ir neįtikėtino tikslumo rutuliniai guoliai, kurių trintis yra mažesnė nei slydimo guolių. Be abejonės, jie irgi dirba atskirai, teisiogiai nesusiliesdami dėl suslėgtos alyvos sluoksnio. Esant nuolatiniam sąlyčiui su išmetamosiomis dujomis, turbina įkaista, todėl tiekiama alyva ne tik tepa, bet ir aušina ašį, o kai kuriais atvejais centriniame mazge įrengiama aušinimo skysčio cirkuliacija, galinti išlaikyti žemesnę tepalo temperatūrą. Viso agregato sukimosi greitis proporcingas suspausto oro slėgiui ir pratekančio oro masei. Kylant apsisukimo ir variklio galiai, vis daugiau išmetamųjų dųjų suka mažojo šiluminio variklio turbinratį, o kompresorius neatsilieka ir sukelia įsiurbiamo oro slėgį, dėl to galia dar išauga. Galima pagalvoti, kad šis procesas nevaldomas. Panašiai ir yra, mat daugelis turbinų galėtų suktis gerokai greičiau, nei yra saugu. Jeigu nebūtų kontrolės mechanizmo, nukentėtų ne tik turbokompresorius, bet ir variklis. Apsauginę funkciją atlieka perteklinio oro išleidimo vožtuvas (anglų k. – „wastegate“), kuris nukreipia išmetamąsias dujas nuo turbinračio. Ar išleidimo vožtuvas būtų vidinis (kaip daugelyje standartinių turbinų), ar išorinis (dažniausiai negamykliniai galios didinimo atvejai) ir būtų; valdomas penumatiniu ar elektromechaniniu būdu, kompresoriaus sukeliamas slėgis yra rodiklis, pagal kurį vožtuvas atidaromas ir uždaromas. Kitas pripūtimo schemos elementas yra svarbus, nors ir nėra sudėtinė turbinos dalis, – tai tarpinis oro aušintuvas. Dar neminėjau, kad pripūtimas glaudžiai susijęs su termodinamikos mokslu. Konkrečiai šnekant, mums yra svarbi ta proceso dalis, kurios metu oras yra slegiamas, tūris nekinta, o oras kaista. Kai oras kaista, padidėja atstumai tarp molekulių, arba, kitaip tariant, sumažėja oro tankis. Didžiausias trūkumas, be abejonės, yra tai, kad, jei tankis sumažėjo, tai rodo, jog mažiau oro molekulių tilps cilindre. Be to, įsiurbtas oras dar slegiamas, jis įkaista dar labiau, o tai byloja apie padidėjusią detonacijos riziką. Taigi tarp kompresoriaus ir įsiurbimo kolektoriaus yra montuojamas oro aušintuvas (anglų k. – „intercooler“), savo konstrukcija panašus į skystį aušinantį radiatorių. Vamzdeliais cirkuliuojantį orą aušina atmosferos oras, todėl tarpinis oro aušintuvas montuojamas taip, kad būtų užtikrintas kuo geresnis oro srautas. Nors dažniausiai naudojami oras-oras aušintuvai, tačiau egzistoja ir oras-skystis tipo aušintuvai.

„Turbo lag“ ir būdai su juo kovoti

Atėjo metas pakalbėti ir apie pagrindinę turbokompresorių ligą, angliškai vadinamą „turbo lag“, o lietuviškai – turboduobė, arba turbinos delsimas. Visų pirma nereikia maišyti turbinos delsimo su turbinos efektyvumu. Ta riba yra mažiausi variklio apsisukimai, kuriems esant, kompresorius sukelia darbinį slėgį sistemoje. Įsivaizduokite, kad jūs ramiai ir nerūpestingai riedate gatve, variklis tingiai sukasi 1500 aps./min., variklio apsisukimai yra nedideli ir nedaug išmetamųjų dujų, tačiau nuspaudus ekceleratoriaus pedalą iki dugno, kyla apsukos, didėja išmetamųjų dujų srautas ir, apsisukimams pakilus iki beveik 2500 per minutę (priklausomai nuo turbinos ši riba skiriasi), kompresorius sukelia darbinį slėgį. Bet tas laiko tarpas, kol kyla variklio sūkiai, nėra turbinos delsimas. Visai kas kita, jei sūkiai yra ties 2500 aps./min. riba ir staiga paspaudę greičio pedalą iki dugno jaučiate, kad turbokompresorius kažko delsia. Būtent tai ir yra turbinos delsimas, arba „turbo lag“. Problema iškyla dėl to, jog besisukančios turbinos dalys turi svorį, vadinasi, turi ir inerciją, kurią dujos privalo nugalėti, kol turbokompresorių įsuka iki reikiamo greičio. Paprasčiausias ir populiariausias būdas yra naudoti mažesnes ir lengvesnes turbinas. Šis metodas, aišku, turi ir savų trūkumų. Pavyzdžiui, tokios turbinos delsimas bus mažesnis ir darbo slėgį, esant mažiems variklio apsisukimams, ji palaikys labai efektyviai, bet nepajėgs tiekti pakankamai oro, kai motoras pradės greitai suktis. Kita schema, dažnai naudojama V tipo varikliuose, yra du to paties dydžio turbokompresoriai, kurių kiekvieno turbinas suka atskiros cilindrų eilės išmetamosios dujos. Toks turbinų sujungimas vadinamas lygiagrečiu. Galimas ir nuoseklus dviejų turbinų montavimas: tokiu atveju viena turbina būna aktyvi visame variklio sūkių diapazone, kita „prisijungia prie veiksmo“ esant aukštiems apsisukimams. Kadangi turbinos yra mažesnės, jos nukenčia nuo pernelyg didelio delsimo, o antroji turbina tam, kad spėtų įsisukti, gali būti aktyvuojama dar prieš pasiekiant būtinas apsukas (pastarosioms esant, antroji turbina turi sukelti reikalingą slėgį). Nuosekliai sujungtų turbokompresorių schema neretai yra sudėtingesnė už vieno ar dviejų, sujungtų lygiagrečiai. Taip yra todėl, kad reikia trijų įsiurbimo vamzdžių komplektų, trijų perteklinio oro išleidimo vožtuvų ir papildomų vožtuvų, kotroliuojančių išmetamųjų dujų srautus. Dar vienas veiksmingas metodas kovoti su turbinos delsimu – tai kintamos geometrijos turbinos (KGT) (anglų k. – „variable geometry turbine“). Idėja paprasta: tereikia pakeisti turbinračio sparnuotės mentelių kampus, iš karto pakeisti išmetamųjų dujų atakos kampus ir turėsime kontrolės machanizmą. KGT mentelės gali būti valdomos vakuuminiu vožtuvu arba elektros varikliuku per „sliekinę“ pavarą. Valdymas yra efektyvus ir dažniausiai nebereikia net perteklinio oro išleidimo vožtuvo. KGT trūkumai yra ir gana sudėtinga konstrukcija, ir didelė kaina, be to, jos naudojamos tik dyzeliniuose varikliuose, nes dėl aukštos benzininių variklių išmetamųjų dujų temparatūros kyla daug poblemų, susijusių su turbokompresoriaus patikimumu ir ilgaamžiškumu.

Turbokompresorių gedimai

Turbokompresorius – precizinis automobilio mazgas, tačiau jis taip pat susidėvi, todėl nereikia stebėtis, kad sugedo trečią šimtą tūkstančių kilometrų skaičiuojančio „golfiuko“ turbina. Taip jau yra, tačiau daug ką pakeisti įmanoma, pavyzdžiui,; tepalą. Kaip sakytų mechanikas, turbinos yra jautrios tepalo kokybei, todėl gamintojai rekomenduoja naudoti sintetines alyvas ir keisti jas kiek dažniau nei atmosferiniuose varikliuose. Būtina nepamiršti, jog ašis su sparnuotėmis sukasi apie 100 000 aps./min., todėl į tepalo plėvelę patekę abrazyvinės dalelės labai pažeis ašį, o jei atsiras nors mažiausias disbalansas korpusuose, esančios detalės gali subyrėti į šipulius. Nepakankamas tepalo tiekimas taip pat gali baigtis tragiškai. Taip nutinka dėl laiku nepakeisto tepalo filtro, sukant variklį iki maksimumo, kai jis buvo užvestas esant labai žemai temperatūrai, žemo tepalo slėgio, tepalo siurblio gedimo ir kt. Visi žino, kad, jei prieš pastatant automobilį, variklis buvo „kankinamas“, derėtų leisti jam porą minučių „pailsėti“. Šis patarimas ypač aktualus varikliams su turbokompresoriais, tad jei vakare važiuodami namo spaudėte iki dugno, pastatę automobilį kieme leiskite varikliui truputį padirbėti tuščia eiga. Būtina suvokti, kad jeigu turbokompresorius bus nepažeistas dėl to, jog alyvos tiekimas buvo nutrauktas jam dar neatvėsus, tai jį vėl užvedus, stresas turbinai – garantuotas. Šalia tepimo sitemos yra ir oro tiekimas. Užsikimšęs oro filtras bus nereikalinga papildoma apkrova, kuri tikrai nepailgina turbokompresoriaus eksploatavimo laiko. Suplyšęs oro filtras ar įtrūkusi oro žarna bylos apie rimtus pažeidimus, o jei, neduok Dieve, variklyje kas nors sulūžta ar užsikemša, turbinai kliūva labai skaudžiai.


„Turbinimas“ šiuo metu yra efektyviausias variklio galios didinimo metodas. Varikliai su turbokompresoriumi turi didžiausią savitąją galią dėl to, kad visa sistema yra lengvesnė už bet kurią kitą konstrukciją. Nors „Formulėje 1“ turbokompresoriai jau seniai neleidžiami, niekas neuždraudė jų naudoti Pasaulio ralio čempionate (WRC). Tiesa, oro įsiurbimo angos skersmuo apribotas iki 34 milimetrų. Tobulėjant technologijoms, sūkiai, kuriems esant „atgyja“ turbokompresorius, tolydžio „slenkasi į apačią“, o turbinos delsimas darosi vis mažiau juntamas. Dėl patikimumo galima pasakyti tik tiek – jei jau nepamirštate pasigirti, kad jūsų automobilio variklis turi „turbo“, tai nepamirškite, kad tuo „turbo“ reikia rūpintis. Na, ne taip kaip augintiniu, bet panašumų galima rasti...