Turbokompresoriaus oro suspaudimas

Kaip viskas prasideda: kodėl varikliui reikia daugiau oro

Turbokompresoriaus veikimo principas iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti sudėtingas, bet iš esmės čia slypi gana paprasta idėja – į variklį reikia įkišti daugiau oro, kad jis galėtų sudeginti daugiau kuro ir pagaminti daugiau galios. Įprastas atmosferinis variklis tiesiog įsiurbia orą per įsiurbimo vožtuvus, o čia į pagalbą ateina turbina, kuri tą orą suspaudžia ir įkiša į cilindrus jau daug tankesnį.

Pagalvokite apie tai kaip apie paprastą dviračio pompą. Kai spaudžiate pompą, oras suspaudžiamas ir įstūmimas į padangą po didesniu slėgiu. Turbokompresoriuje vyksta panašus procesas, tik čia oras spaudžiamas ne jūsų ranka, o išmetamųjų dujų energija, kuri kitaip tiesiog išgaruotų į atmosferą. Tai labai protingas būdas panaudoti energiją, kuri paprastai būtų tiesiog išmesta.

Turbokompresoriaus istorija prasidėjo dar praėjusio amžiaus pradžioje, kai šveicarų inžinierius Alfredas Buchi 1905 metais užpatentavo pirmąjį turbokompresoriaus dizainą. Tiesa, tuomet technologija dar nebuvo pakankamai subrendusi, o metalurgija nesugebėjo sukurti pakankamai atsparių medžiagų, kad turbina atlaikytų ekstremalias temperatūras ir apsukas. Tik po kelių dešimtmečių, ypač aviacijos ir laivybos srityse, turbokompresoriaus technologija pradėjo rimtai vystytis.

Turbinos širdis: kaip išmetamosios dujos verčia orą energija

Turbokompresoriaus konstrukcija susideda iš dviejų pagrindinių dalių, kurios yra sujungtos vienu velenu. Viena pusė – tai turbininė dalis, kuri sukasi nuo išmetamųjų dujų srauto. Kita pusė – kompresoriaus ratas, kuris suka orą ir jį suspaudžia prieš patenkant į variklį. Šios abi dalys veikia kartu, lyg vienas organizmas.

Kai variklis dirba, išmetamosios dujos išeina iš cilindro per išmetimo vožtuvą ir patenka į turbinos korpusą. Ten jos priverčia suktis turbininį ratą, kuris gali pasiekti net 150,000-250,000 apsisukimų per minutę. Tai neįtikėtinai didelis greitis – įsivaizduokite, kad tai yra apie 30 kartus greičiau nei įprasto automobilio variklio apsisukimai esant maksimaliai galiai.

Turbininis ratas yra pagamintas iš specialių lydinių, kurie atlaiko temperatūras iki 1000 laipsnių Celcijaus. Čia slypi viena didžiausių inžinerinių problemų – kaip sukurti konstrukciją, kuri būtų pakankamai lengva, kad greitai reaguotų į dujinimo pedalą, bet kartu pakankamai stipri, kad nesuirtų nuo tokių ekstremalių sąlygų. Šiuolaikiniai turbokompresoriuose naudojami keramikos guoliai, titano lydiniai ir kitos pažangios medžiagos.

Oro kelionė: nuo atmosferos iki degimo kameros

Dabar pažiūrėkime, kas vyksta su oru. Oras patenka į turbokompresoriaus kompresoriaus pusę per oro filtrą. Kompresoriaus ratas, kuris sukasi neįtikėtinu greičiu, sugauna orą ir pradeda jį sukinėti. Dėl centrinės jėgos oras stumiamas į išorę, link kompresoriaus korpuso sienelių, kur jis patenka į specialius kanalus, vadinamus difuzoriais.

Difuzoriai atlieka labai svarbų vaidmenį – jie lėtina oro srautą, bet tuo pačiu didina jo slėgį. Tai veikia pagal Bernulio principą: kai skysčio ar dujų greitis mažėja, jų slėgis didėja. Taigi oras, kuris buvo sukamas dideliu greičiu, dabar lėtėja ir jo slėgis kyla. Šis suspaustas oras gali būti 1,5-3 kartus tankesnis nei atmosferinis oras, priklausomai nuo turbokompresoriaus tipo ir variklio nustatymų.

Bet čia slypi problema – kai suspaudžiate orą, jis įkaista. Fizikos dėsniai sako, kad suspaustos dujos kyla temperatūra. Turbokompresoriaus išėjime oras gali būti 150-200 laipsnių Celcijaus. O karštas oras yra mažiau tankus nei šaltas, todėl čia į pagalbą ateina tarpinis aušintuvas, angliškai vadinamas intercooler.

Tarpinio aušintuvo magija: kodėl šaltas oras yra geriau

Tarpinis aušintuvas – tai iš esmės radiatorius, per kurį praeina suspaustas oras prieš patenkant į variklį. Jis gali būti dviejų tipų: oro-oras arba oro-vanduo. Oro-oro aušintuvai yra paprastesni ir patikimesni – jie tiesiog leidžia šaltam atmosferiniam orui atvėsinti suspaudžiamą orą tekantį per aušintuvo šerdį. Oro-vanduo aušintuvai naudoja aušinimo skystį, kuris cirkuliuoja per sistemą ir atima šilumą iš suspausto oro.

Kodėl tai taip svarbu? Šaltas oras yra tankesnis, o tai reiškia, kad tame pačiame tūryje telpa daugiau deguonies molekulių. Daugiau deguonies – daugiau kuro galima sudeginti – daugiau galios. Be to, šaltesnis oras sumažina detonacijos riziką, kuri gali rimtai pažeisti variklį. Detonacija – tai nekontroliuojamas kuro užsidegimas cilindre, kuris sukelia stiprius smūgius ir gali sulaužyti stūmoklius ar kitas variklio dalis.

Geras tarpinis aušintuvas gali sumažinti oro temperatūrą net 50-70 laipsnių, o tai duoda apčiuopiamą galios ir efektyvumo padidėjimą. Štai kodėl daugelyje modernių turbinių automobilių matote dideles grotas priekyje – ten dažnai yra įmontuotas tarpinis aušintuvas, kuriam reikia gero oro srauto.

Slėgio kontrolė: wastegate ir blow-off vožtuvai

Turbokompresoriaus sistema negali tiesiog veikti nekontroliuojamai. Jei leistume turbinai suktis tiek, kiek ji nori, slėgis galėtų pakilti iki pavojingo lygio ir susprogdinti variklį. Todėl reikalingas slėgio kontrolės mechanizmas, vadinamas wastegate.

Wastegate – tai vožtuvas, kuris atsidaro, kai slėgis pasiekia nustatytą ribą, ir leidžia daliai išmetamųjų dujų apeiti turbiną ir išeiti tiesiai į išmetimo sistemą. Tai sulėtina turbinos sukimąsi ir riboja maksimalų slėgį. Wastegate gali būti vidinis (integruotas į turbokompresoriaus korpusą) arba išorinis (atskiras vožtuvas išmetimo vamzdyne).

Kitas svarbus elementas – blow-off vožtuvas arba dump valve. Kai staigiai atleidžiate dujinimo pedalą, variklio droselinė sklendė užsidaro, bet turbokompresoriuje vis dar yra daug suspausto oro po slėgiu. Šis oras negali grįžti atgal per kompresoriaus ratą, nes tas vis dar sukasi dideliu greičiu. Blow-off vožtuvas atsidaro ir išleidžia šį orą į atmosferą (tuomet girdite tą garsų „pšššt” garsą) arba grąžina jį atgal į įsiurbimą prieš turbokompresoriaus įėjimą.

Turbo lag problema ir kaip ją sprendžia inžinieriai

Viena didžiausių turbokompresoriaus sistemų problemų – tai vadinamasis turbo lag arba turbo vėlavimas. Tai yra laiko tarpas nuo momento, kai paspaudžiate dujinimo pedalą, iki momento, kai turbokompresoriaus pagaminta galia pasiekia ratus. Problema atsiranda todėl, kad turbininiam ratui reikia laiko įsisukti iki reikiamų apsukų.

Mažesni turbokompresoriuose šis vėlavimas yra mažesnis, nes lengvesnė turbina greičiau reaguoja. Bet mažesnis turbokompresoriaus ratas negali pagaminti tiek daug slėgio, kiek didesnis. Čia atsiranda kompromisas – arba greita reakcija su mažesne galia, arba didelė galia su lėtesne reakcija.

Šiuolaikiniai sprendimai apima kelis metodus. Twin-scroll turbokompresoriuose išmetimo dujų srautas yra padalintas į du atskirus kanalus, kurie maitina turbiną skirtingais kampais, taip pagerinant efektyvumą žemose apsukomose. Kintamo geometrijos turbokompresoriuose (VGT) turbinos mentės gali keisti savo kampą, efektyviai veikdamos kaip mažas turbokompresoriaus žemose apsukomose ir kaip didelis aukštose apsukomose.

Dar vienas sprendimas – dviejų turbokompresoriuose sistema, kur mažesnis turbokompresoriaus veikia žemose apsukomose, o didesnis įsijungia aukštesnėse. Taip gaunama gera reakcija visame apsukų diapazone. Kai kurie gamintojai naudoja net elektrinius kompresoriuose, kurie padeda užpildyti galios spragą, kol turbokompresoriaus įsisuka.

Praktiniai patarimai turbinių variklių savininkams

Jei turite automobilį su turbokompresoriumi, yra keletas dalykų, kuriuos turėtumėte žinoti, kad jūsų turbina gyventų ilgai ir laimingai. Pirmas ir svarbiausias dalykas – alyvos kokybė ir keitimo intervalai. Turbokompresoriaus guoliai tepalai alyvą, kuri cirkuliuoja dideliu slėgiu. Kai turbina sukasi 200,000 apsukų per minutę, bet kokia alyvinė problema gali greitai virsti katastrofa.

Niekada nenaudokite pigios ar prastos kokybės alyvos turbiniame variklyje. Laikykitės gamintojo rekomenduojamų specifikacijų ir keiskite alyvą dažniau nei nurodyta – geriau kas 10,000 km nei kas 15,000 km. Turbokompresoriaus remontas gali kainuoti nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių eurų, tad investicija į gerą alyvą tikrai atsipirks.

Antras svarbus dalykas – niekada neužgesinkite variklio iš karto po intensyvios važiavimo. Turbina vis dar yra labai karšta ir sukasi, o alyva cirkuliuoja tik kai variklis veikia. Jei užgesinsite variklį, alyva nustos tekėti, bet turbina vis dar bus karšta ir gali pradėti degti likusi alyva guoliuose, formuojantis koką. Leiskite varikliui padirbėti tuščiąja eiga bent 30-60 sekundžių po intensyvios važiavimo.

Oro filtras taip pat yra kritiškai svarbus. Bet kokios smulkios dalelės, patekusios į turbokompresoriaus kompresoriaus ratą, gali jį pažeisti. Keiskite oro filtrą reguliariai ir niekada nevažinėkite be jo, net jei tai atrodo kaip gera idėja gauti daugiau galios.

Ateities perspektyvos: elektriniai turbokompresoriuose ir hibridinės sistemos

Automobilių pramonė nuolat ieško būdų, kaip pagerinti turbokompresoriaus efektyvumą ir sumažinti vėlavimą. Vienas įdomiausių naujausių sprendimų – elektriniai turbokompresoriuose arba e-turbo. Šiose sistemose turbina yra papildoma elektrinio variklio, kuris gali suktis kompresoriaus ratą net kai variklis dirba žemose apsukomose arba kai išmetamųjų dujų srautas dar nepakankamas.

Mercedes-AMG jau naudoja tokias sistemas savo naujausių modelių varikliuose. Elektrinis varikliukas gali momentaliai suktis kompresoriaus ratą, visiškai pašalindamas turbo lag problemą. Kai variklis įsisuka ir išmetamųjų dujų srautas tampa pakankamas, elektrinis varikliukas išsijungia ir turbina veikia įprastu režimu. Kai kuriais atvejais elektrinis varikliukas gali net veikti kaip generatorius, atgaunantis energiją iš išmetamųjų dujų.

Formula 1 lenktynėse jau keleri metai naudojamos labai pažangios hibridinės turbokompresoriaus sistemos, kur turbina yra tiesiogiai sujungta su elektrinio variklio-generatoriumi. Tai leidžia ne tik pašalinti turbo lag, bet ir atgauti energiją iš išmetamųjų dujų, kuri kitaip būtų išmesta. Ši technologija pamažu perkeliama ir į kelių automobilius.

Kita įdomi kryptis – 48V elektros sistemos, kurios leidžia naudoti galingesnius elektrinius kompresoriuose. Tradicinės 12V sistemos neturi pakankamai galios, kad varytų kompresoriaus, bet 48V sistemos jau gali tai padaryti efektyviai. Tai atveria naujas galimybes hibridinėms sistemoms, kur elektrinis ir mechaninis kompresavimas derinami optimaliam rezultatui.

Turbokompresoriaus technologija, kuri prasidėjo kaip paprasta idėja panaudoti išmetamųjų dujų energiją, šiandien yra tapusi sudėtinga ir labai efektyvia sistema. Nuo pirmųjų eksperimentų aviacijos varikliuose iki šiuolaikinių elektrifikuotų sistemų, turbokompresoriuose evoliucija rodo, kaip inžinerinis išradingumas gali paversti paprastą fizikos principą į galingą technologiją, kuri leidžia mažesniems varikliams gaminti daugiau galios, kartu sunaudojant mažiau kuro ir išmetant mažiau teršalų.