Per pastaruosius 25 metus turbokompresoriai iš gana retos įrangos tapo įprasta šiuolaikinių automobilių dalimi. 2000 m. tokią sistemą turėjo maždaug 1 % naujų automobilių, o 2023 m. – apie 35 % parduotų naujų modelių. Nors turbokompresoriaus idėja žinoma dar nuo XX a. pradžios, pažanga metalurgijoje ir gamybos technologijose leido išspręsti daug ankstesnių patikimumo problemų, todėl šiandien turbiną galima sutikti tiek kasdieniuose šeimos automobiliuose, tiek aukščiausio lygio autosporto technikoje.
Kaip veikia turbokompresorius ir kodėl reikalingas „wastegate“ vožtuvas
Turbokompresorius naudoja išmetamųjų dujų energiją: jos suka turbiną, kuri per bendrą veleną suka kompresorių ir priverstinai spaudžia orą į variklio cilindrus didesniu slėgiu. Taip mažesnio darbinio tūrio variklis gali pasiekti panašią galią kaip didesnis atmosferinis, o mažesnė masė ir geresnis efektyvumas dažnai padeda sumažinti degalų sąnaudas.
Vien tik „pripūsti“ daugiau oro neužtenka – svarbiausia yra tiksliai valdyti turbinos apsukas. Jei turbina sukasi per greitai, jos vidinės detalės patiria dideles centripetines apkrovas, gali atsirasti paviršiaus pažeidimų, dėvėjimasis ir patikimumo problemos. Jei apsukos per mažos, norima trauka atsiranda pavėluotai, o vairuotojas tai jaučia kaip turbolagą. Dėl to naudojamas „wastegate“ (išmetamųjų dujų apėjimo) vožtuvas: didėjant išmetamųjų dujų srautui jis nukreipia dalį dujų aplink turbiną, kad ši išliktų optimaliame darbo režime.
Wastegate tipai ir valdymo principai
Pats „wastegate“ konstrukciškai nėra sudėtingas elementas – iš esmės tai vožtuvas ir spyruoklė. Spyruoklė parenkama taip, kad vožtuvas pradėtų atsidaryti pasiekus konkrečią slėgio ribą. Šias reikšmes gamintojas apskaičiuoja pagal turbokompresoriaus dydį ir konstrukciją, kad būtų išvengta nereikalingų apkrovų turbos mazgo viduje.
Vidinis ir išorinis wastegate
- Vidinis wastegate: vožtuvas integruotas į turbokompresoriaus korpusą. Toks sprendimas dažnesnis, kai naudojami mažesni slėgiai arba kai variklio skyriuje trūksta vietos.
- Išorinis wastegate: vožtuvas montuojamas atskirai nuo turbinos. Paprastai jis būna didesnis, jį lengviau aptarnauti, o pats sprendimas suteikia daugiau lankstumo derinant ir reguliuojant sistemą.
Elektroninis wastegate
Nepriklausomai nuo tipo, pagrindinė šio vožtuvo užduotis – kontroliuoti turbinos greitį. Elektroninis „wastegate“ valdymas leidžia tai daryti dar tiksliau: vožtuvo padėtį keičia mažas servomechanizmas pagal automobilio valdymo kompiuterio komandas. Kai sistema turi ir elektroninį turbinos parametrų stebėjimą, turbokompresoriaus darbo režimą galima palaikyti labai artimą maksimaliai numatytai ribai, maždaug 2–3 % paklaidoje, kartu išlaikant patikimumą.
Kas nutinka, jei wastegate užstringa
Jeigu „wastegate“ užstringa uždarytas arba būna iš dalies užblokuotas, gedimo požymiai dažniausiai išryškėja greitai. Kadangi vožtuvas nebeišleidžia perteklinių išmetamųjų dujų aplink turbiną, turbina pradeda suktis per greitai ir kelia per didelį įpūtimo slėgį. Turbokompresorius ir taip dirba arti savo konstrukcinių ribų, todėl išmetamųjų dujų pusėje gali smarkiai padidėti temperatūra: komponentai gali deformuotis, o kraštutiniais atvejais – patirti terminę žalą.
Esant didelėms apsukoms, rotacinė pusiausvyra tampa kritiškai svarbi. Net nedidelis veleno, jungiančio karštąją (išmetimo) ir šaltąją (įsiurbimo) puses, išlinkimas gali greitai sukelti nuovargio pažeidimus ir rimtą turbinos gedimą.
Tipiniai simptomai
- Ankstyvi požymiai: sumažėjusi galia arba dūmingesnis išmetimas.
- Vėlesni signalai: išraiškingas turbinos cypimas greitėjant ir melsvesnės išmetamosios dujos užvedant variklį, kas rodo, kad problemos ignoruoti nebegalima.
- Pažengęs etapas: labai ryškus galios kritimas, primenantis turbolagą, tik šį kartą „atsistatymo“ nebelieka net kylant variklio apsukoms.
Ilgesnis važiavimas pilnu arba beveik pilnu akseleratoriaus pedalo paspaudimu tokį gedimą paprastai išryškina dar labiau. Vis dėlto turbokompresorių paplitimas rodo, kad jų privalumai nusveria rizikas: tinkamai prižiūrimas turbomotoras gali būti toks pat patikimas kaip atmosferinis, jei „wastegate“ veikia taip, kaip numatyta konstrukcijoje.
