Kaip žinia, oro, paduodamo į degimo kamerą, suspaudimas leidžia padidinti jo masę cilindre. O tai savo ruožtu iš esmės praplečia galimybes ištobulinti darbo procesą padidinti kuro ekonomiškumą ir galingumą, sumažinti kenksmingų teršalų arba šilumos apkrovas. Šios srities pirmieji eksperimentai pirmąkart vykdyti XIX amžiaus pabaigoje. O trečiajame XX amžiaus dešimtmetyje atsirado ,,gyvų‘‘ pavyzdžių: lenktyniniuose ir sportiniuose automobiliuose pradėti montuoti kompresoriai su mechanine jungtimi iš variklio.

Nepaisant garbaus amžiaus, tokie įpūtimo agregatai naudojami ir nūdien. Bet dar populiaresni įrenginiai, kuriuose kompresorius dirba ne nuo alkūninio veleno, o dėl turbinos ratą sukančių išmetamųjų dujų energijos. Turbinos ratą paprastai sumontuoja viename velene su kompresoriaus ratu, todėl agregato pavadinimas  ,,turbokompresorius‘‘ skamba visiškai logiškai.

Amžina mechanika?

Iš konstrukcijų, kurios turėjo pasisekimą pirmąjį praėjusio amžiaus trečdalį, šiandien labiausiai paplitę ,,Rutz‘‘ tipo rotoriniai kompresoriai. Juose oro porcija rotorių menčių nustumiama link įsiurbimo kolektoriaus.

Mechaninių įrenginių pranašumai ir trūkumai sąlygojami jų stipraus ryšio su variklio velenu. Būtent dėl jo variklis ir mechaninis kompresorius visada stipriai sujungti, nepriklausomai nuo variklio darbo režimų. Vis dėlto paduodami šviežią ,,užtaisą‘‘ į cilindrus mechaniniai agregatai sumažina variklio galingumą ir tai lemia ne kuro sąnaudų sumažėjimą, o padidėjimą.

Anksčiau mechaninius kompresorius dažniausiai montuodavo didelio tūrio varikliuose siekiant padidinti jų galingumą. Šiandien atvirkščiai juos dažniau montuoja į sąlyginai nedidelius variklius ir suderina taip, kad jie gerintų cilindrų prapūtimą, sumažindami išmetamųjų dujų toksiškumą ir padidindami stūmoklinės dalies NVK (naudingo veikimo koeficientą). Jau esant nedideliam tokio variklio arklio jėgų padidėjimui, jo specifinės (priskiriamos galingumui) kuro sąnaudos gali sumažėti.

Su turboįpūtimu situacija panaši….. tik visiškai atvirkščia. Pagrindinės variklio charakteristikos, tokios kaip galingumas, sukimo momentas ir kuro sąnaudos, smarkiai pagerėja įmontavus turbokompresorių. Bet konstruktoriams tenka pasistengti, kad suderintų paties variklio darbą su įpūtimo agregatu ir įveiktų forsavimo sukeltos azoto oksidų koncentracijos didėjimą išmetamosiose dujose. Šiek tiek užbėgdami į priekį pasakysime, kad pirmos problemos sprendimas privertė inžinierius kurti įvairius įpūtimo sistemos valdymo būdus, o iš kovos su antruoju blogiu gimė išmetamųjų dujų recirkuliacija iš pirmo žvilgsnio gana keista jų dalies grąžinimo atgal į degimo kamerą procedūra.

Bet kurie kompresoriai leidžia iš esmės padidinti variklio sukimo momentą ir, dar svarbiau, išpešti iš jo kuo palankesnę apkrovos charakteristiką. Štai ,,Mersedes-Benz‘‘ 2,3 litrų tūrio variklis pasiekia 280 Nm jau esant 2500 aps/min ir išsaugo šį dydį iki 4800 aps/min.

,,Opel-Twin turbo‘‘ sistemos darbo algoritmas:
A  režimas iki 1800 aps/min;
B  režimas nuo 1800 iki 3000 aps/min
C  režimas daugiau nei 3000 aps/min
1  tarpinis aušintuvas;
2  aukšto slėgio turbokompresorius;
3  žemo slėgio turbokompresorius.

Vokiečių firma viena iš kompresorių naudojimo pionierių, paiso ,,klasikos‘‘ iki šiol, nors, žinoma, nuolat ją tobulina. Pavyzdžiui, ,,Rutz‘‘ kompresoriaus rotorius privertė suktis 12 000 aps/min dažniu, anksčiau atrodžiusiu nepasiekiamu. Tokių rotorių paviršiui naudojami ypatingi polimerai, leidžiantys maksimaliai sumažinti tarpus, o tai reiškia ir oro pratekėjimą aplenkiant rotorius. Galiausiai netgi esant nedidelėms apsukoms variklio našumas pagerėja daugiau nei 30%.

Galimybė efektyviai dirbti esant mažoms apsukoms mechaniniams kompresoriams labai svarbi juk būtent tai nuo seno buvo viena iš silpnų vietų. Viena iš svarbiausių priežasčių jau minėtas oro pratekėjimas kompresoriuje, tuo didesnis, kuo mažesnis menčių sukimosi greitis. Atsiliepia ir papildoma variklio apkrova. Juk variklio galingumas esant mažoms apsukoms ir taip mažas, o jį dar verčia sukti kompresorių. Beje, kad sumažintų energijos nuostolius, naudoja magnetinę sankabą, kuri įjungia agregatą į darbą tik esant efektyviam alkūninio veleno apsukų diapazonui ir išjungia esant tuščiajai eigai.

Galingumas… iš oro

Nors turbokompresorius išrastas dar 1905 metais, plačiau pradėtas naudoti tik praėjus daugeliui metų. Turboįpūtimo agregato pagrindą sudaro velenas, ant kurio iš vienos pusės turbinos ratas, iš kitos kompresorius. Turbina, naudodama išmetamųjų dujų energiją, įsuka bendrą veleną, o kartu su juo ir kompresorių, kuris pasiunčia šviežią ,,užtaisą‘‘ (dyzeliui orą, benzininiam varikliui orą arba kuro ir oro mišinį) į cilindrus. Akivaizdu, kad kompresoriaus pajėgumas priklauso nuo to, kokiomis sąlygomis dirba turbina. Jeigu vairuotojas spaudžia akceleratorių, į cilindrus paduodama daug kuro išmetamųjų dujų energija didelė ir kompresoriui pakanka jėgų dirbti. Bet telieka atleisti pedalą agregatas liks su ,,bado daviniu‘‘ ir, kai iš jo vėl pareikalaus dirbti su visa energija, gali sustreikuoti. Štai ir išeina, kad variklis, dirbdamas apkrovos didėjimo režimu, dūmija ir ,,garma į turbo duobę‘‘.

Kad susidorotų su pereinamaisiais režimais, turbinos ratas padidinamas taip ją geriau įsuks išmetamosios dujos ir nebus jokios ,,duobės‘‘. Bet kyla kitas pavojus: kai variklis pradės dirbti normaliu režimu, turbina ims ,,siūlyti‘‘ kompresoriui pernelyg didelį galingumą. Ką daryti? Įpūtimo agregate įtaisoma valdymo sistema, gebanti suderinti turbinos galimybes ir kompresoriaus poreikius.

Turbokompaundui prognozuoja didžią ateitį:
1 — smagratis;
2 — hidrotransformatorius;
3 — alkūninio veleno pasukimo turbina;
4 — turbokompresorius.

Turbokompresoriai ypač efektyvūs dyzeliuose, nes juose didesnis suspaudimo laipsnis ir išmetamųjų dujų slėgis. Visai neseniai firma ,,Opel‘‘ pristatė šiems varikliams naują įdomų agregatą, o tiksliau įpūtimo sistemą. Čia dvi turbinos dirba pagal gudrią kintamąją schemą. Kai alkūninis velenas sukasi iki 1800 aps/min, vožtuvas išmetamajame kolektoriuje įtraukia į darbą aukšto slėgio (iki 3,2 barų) mažąjį turbokompresorių. Esant didelėms apsukoms vožtuvas atvers dujoms kelią prie antro kompresoriaus.

Iki 3000 aps/min abu agregatai dirba lygiagrečiai, o elektronikos kontroliuojamas vožtuvas tolygiai keičia išmetamųjų dujų, paduodamų į vieną ar kitą turbiną, tūrių santykį. Didysis kompresorius tuo metu suspaudžia orą, padidindamas slėgį įeigoje į mažąjį. Galiausiai, kai variklis pasiekia 3000 aps/min, dirba tik didysis agregatas, o mažasis ,,ilsisi‘‘.

Konstrukcija ištobulinta 1,9 litrų dyzeliniame variklyje koncepciniam automobiliui ,,Opel Vectra ORS‘‘. Toks turboįpūtimas leido padidinti galingumą iki 156 kVt/212 AJ, o sukimosi momentas pasiekė 400 Nm! Įspūdingi 85 kVt/112 AJ iš litro kol kas dyzelių rekordas. Automobilio maksimalų greitį teko priverstinai apriboti iki 250 km/val., įsiriedėti iki šimto prireikia 6,5 s, o vidutinė kuro išeiga tesiekia vos 6 l/100 km!

,,Įpūtimams nėra ribų‘‘

Kiekvienas įpūtimo agregatų porūšis pamažu ,,apauga‘‘ naujais aukštos technologijos įrenginiais. Pavyzdys interkuleris, arba tarpinis aušintuvas.

Kadangi spaudžiamas oras šyla, jo tankis mažėja. Tai trukdo kompresoriui ,,pripumpuoti‘‘ į cilindrus tiek šviežio ,,užtaiso‘‘, kiek jis teoriškai galėtų. Atitinkamai dujų apykaitos kokybė ir variklio NVK esti ne tokie aukšti, kokie galėtų būti. Kad išvengtų šio ,,nesusipratimo‘‘, po kompresoriaus orą praleidžia per specialų radiatorių (paprastai aliuminį), pagal konstrukciją analogišką esančiam aušinimo sistemoje. Kai kada siekiant sumažinti įpučiamo oro temperatūrą naudojamas aušinimo skystis, kartais oro srovė, plūstanti judant mašinai. Tarpinis aušintuvas, arba angliškai interkuleris, ne tik padidina variklio galingumą, bet ir sumažina šilumos apkrovas, azoto oksidų kiekį ir kuro sąnaudas.

Konstrukcijos su dviem turboagregatais iš eksperimentinių automobilių jau persikėlė į serijinius. Didelio galingumo šiuolaikiniuose V formos varikliuose, pavyzdžiui, ,,Maibach‘‘, naudojamos dvi lygiagrečios kompaktiškos turbinos. Turbinas suka atskirų cilindrų grupių išmetamosios dujos ir dėl to variklis greičiau reaguoja paspaudus greičio pedalą.

Nuoseklios įjungimo schemos naudojamos, kai būtina išgauti daugiau nei 3,5 barų slėgį, o tai ypač sunku pasiekti vienu įpūtimo agregatu. Oras pirmiausia suspaudžiamas žemo slėgio kompresoriumi, vėliau jis patenka į aukšto slėgio kompaktišką turbokompresorių ir tik tada į variklį. Į šią grandį paprastai įmontuojami du tarpiniai aušintuvai.

Didelio litražo krovininių automobilių varikliams naudojamas, nors kol kas gana retai, turbokompaundas. Pirmasis kompresorius dirba kaip įprasta. O oras, paduodamas antrojo, suka variklio alkūninį veleną. Pagal tokią schemą veikia, pavyzdžiui, ,,Scania‘‘ varikliai.

Pirmosios turbinos su keičiamos geometrijos kreipračiu atsirado dar šeštajame dešimtmetyje. Pagunda nesunkiai paaiškinama: tokią turbiną iš esmės paprasčiau pritaikyti darbui esant plačiam apsukų diapazonui. Kreipračio mentes pasuka specialūs kumšteliai su pneumatine pavara. Pastaruoju metu vis dažniau naudojama elektrinė pavara.

Konstruktoriai nepaliaujamai ieško naujų sprendimų. Kadangi šiuolaikinių automobilių išmetamųjų dujų temperatūra kartkartėmis viršija 1300° С, atsiranda rotorių iš itin tvirtos keramikos, lengvos ir atsparios temperatūrai.

Artimiausiu metu sistema tikriausiai dar patobulės. Mechaniniai kompresoriai, atsiradę prieš šimtą metų, neužleidžia pozicijų. Juk šiuolaikinės technologijos leidžia gaminti ,,klasikinius kompresorius‘‘ laikrodinių mechanizmų tikslumu. Turboįpūtimo rezervai juo labiau neišsemti. Tad ,,įpūtimai‘‘ tęsis, kol gyvas pats vidaus degimo variklis.

Šaltinis: Žurnalas «За рулем» №7 2004 m.