Turbokompresija yra nusistovėjęs būdas didinti daugiacilindrių variklių galią ir kuro ekonomiją, tačiau vieno cilindro varikliuose ši technologija taikoma retai. Pagrindinė to priežastis – fazių nesutapimas: kai cilindras išmeta dujas ir suka turbiną, įsiurbimo vožtuvas yra uždarytas, todėl kompresoriaus sukuriamas slėgis neturi kur tekėti. Šiame straipsnyje analizuojamas inovatyvus metodas, naudojantis oro kondensatorių (angl. air capacitor), kuris veikia kaip buferinis tūris tarp kompresoriaus ir įsiurbimo kolektoriaus.
Oro kondensatorius yra papildomas tūris, montuojamas nuosekliai įsiurbimo traktui. Jo užduotis – sukaupti turbokompresoriaus suspaustą orą išmetimo takto metu ir tiekti jį į cilindrą įsiurbimo takto metu. Inžineriniai skaičiavimai, pagrįsti adiabatiniu dujų plėtimusi, rodo, kad kondensatoriaus tūris (Vc) yra kritinis sėkmės veiksnys:
Siekiant prognozuoti sistemos elgseną, naudojami du kraštutiniai modeliai. IIM (angl. Infinite Inertia Model) traktuoja turbiną kaip pastovaus slėgio šaltinį, darant prielaidą, kad rotoriaus inercija yra begalinė. Tačiau vieno cilindro varikliuose realesnis yra ZIM (angl. Zero Inertia Model) – modelis, kuriame turbina veikia kaip impulsinis slėgio šaltinis, aktyvuojamas tik išmetimo takto metu. Eksperimentiniai duomenys patvirtina, kad mažos turbinos, tokios kaip Garrett GT0632SZ, elgsena yra arčiau ZIM modelio.
Bandymams buvo panaudotas 0.418 L darbinio tūrio Koop KD186FA dyzelinis variklis su 18:1 suspaudimo laipsniu. Sistemoje sumontuota GT0632SZ turbina, pasiekianti iki 0.9 bar viršslėgio. Rezultatai parodė:
Šis metodas yra ekonomiškai patraukli alternatyva antro cilindro pridėjimui, nes turbokompresoriaus sistemos įrengimas kainuoja tik 10–20% papildomo cilindro kainos, o galios tankis padidėja reikšmingai, kas ypač aktualu žemės ūkio technikai, generatoriams ir vandens siurbliams.
Norint užtikrinti patikimą „Garrett GT0632SZ“ turbinos veikimą modifikuotose vieno cilindro sistemose, būtina atidžiai kalibruoti vakuuminiu būdu valdomą slėgio pavarą (angl. *wastegate actuator*). Dėl didelių slėgio pulsacijų, būdingų vieno cilindro varikliams, pavaros membrana patiria didesnį mechaninį nuovargį nei daugia cilindrių variklių atveju. Rekomenduojama naudoti tikslų „Mityvac“ tipo testerį slėgio atidarymo taškui nustatyti, siekiant išvengti nekontroliuojamo viršslėgio šuolių, galinčių sugadinti variklio stūmoklių grupę.
Kita kritinė problema yra tepalo koksavimas (angl. *oil coking*) guolių korpuse. Kadangi tokio tipo varikliuose turbina veikia su dideliais temperatūriniais svyravimais, būtina užtikrinti tinkamą tepalo cirkuliaciją po variklio išjungimo. Rekomenduojame montuoti papildomą elektrinį tepalo siurblį arba užtikrinti bent 60 sekundžių tuščiosios eigos veikimo trukmę, kad būtų išvengta koksavimosi, kuris sukelia turbinos ašinį laisvumą (angl. *axial play*) ir neišvengiamą guolių sistemos susidėvėjimą.
Techninės priežiūros metu būtina griežtai laikytis „Garrett“ specifikacijų dėl tepimo sistemos pralaidumo. Naudojant 701644-5001S arba panašius remonto rinkinius, privaloma išvalyti turbinos alyvos tiekimo linijas nuo bet kokių nuosėdų. Net menkiausias srauto ribojimas dėl užsikimšusio filtriuko (angl. *oil feed line restrictor*) gali akimirksniu sunaikinti preciziškai subalansuotą rotoriaus veleną, todėl alyvos slėgis ties įėjimu turi būti nuolat stebimas eksploatacijos metu.
Norint užtikrinti optimalią Garrett GT0632SZ (dalies kodas 789997-1) turbinos dinamiką, būtina tiksliai sureguliuoti įsiurbimo sistemos rezonansą. Oro kondensatoriaus geometrija turi būti suderinta su variklio darbo taktų dažniu. Per didelis kondensatoriaus tūris sukelia vėlavimą, o per mažas tūris neužtikrina slėgio stabilumo. Rekomenduojame naudoti skysčio dinamikos (CFD) modeliavimą, siekiant nustatyti tikslų kondensatoriaus vidinių pertvarų išdėstymą, kuris minimizuoja turbulentinius sūkurius ir pagerina oro srauto laminariškumą prieš pat įsiurbimo vožtuvą.
Eksploatuojant turbiną su „journal bearing“ sistema, alyvos tiekimo linijos pralaidumas tampa kritiniu komponentu. Būtina sumontuoti „oil feed line restrictor“, kurio anga būtų parinkta pagal konkrečią alyvos klampą. Standartinė 789997-1 turbinos alyvos tiekimo jungtis reikalauja užtikrinti slėgį tarp 2.0 ir 3.0 barų esant darbinei temperatūrai. Bet koks slėgio svyravimas virš šios ribos sukelia tepalo prasisunkimą pro „piston ring“ tipo sandariklius, o per mažas slėgis lemia guolių korpuso išdilimą dėl kontaktinio trynimosi.
Reguliariai atliekama diagnostika turi apimti ašinio ir radialinio laisvumo (angl. axial and radial play) matavimą indikatoriumi. Pagal Garrett techninį reglamentą, radialinis laisvumas turi neviršyti 0.05–0.08 mm ribų. Jei turbinos sparnuotės („compressor wheel“) mentės liečia korpuso sieneles, būtina nedelsiant tikrinti rotoriaus balansavimo būklę. Tokiu atveju rekomenduojama keisti visą CHRA (kodas 800039-1) mazgą, nes dalinis remontas dažnai neužtikrina reikiamos rotoriaus pusiausvyros aukštų sūkių diapazone.
Dėl specifinės „Garrett GT0632SZ“ (P/N 789997-1) architektūros, integravimas į vieno cilindro KD186FA pritaikymą reikalauja griežtos slankiojančių guolių hidrodinaminio pleišto stebėsenos. Skirtingai nei rutuliniais guoliais aprūpintos kasetės, šie slankieji guoliai visiškai priklauso nuo stabilaus tepalo plėvelės, kad būtų išvengta sąlyčio tarp veleno ir bronzos plūduriuojančių įvorės guolių. Atsižvelgiant į tarpines vieno cilindro išmetamųjų dujų impulsų charakteristikas, alyvos tiekimo linija turi būti aprūpinta M10x1.0 sriegiuotos ribojančiosios angos, suderintos su variklio alyvos siurblio išstūmimo kreive. Jei tiekimo slėgis viršija 3,5 bar esant maksimaliems variklio sūkiais, alyvos klampumas paklūsta šlyties skystėjimui ir galimai kavitacijai, dėl ko greitai eroduoja guolio kiaurymės paviršius ir galiausiai radialinis veleno nuokrypis viršija 0,08 mm tarnybinę ribą.
Oro kondensatoriaus tūris, nors ir gyvybiškai svarbus slopinimui, sukelia didelės rizikos veiksnį, susijusį su pereinamuoju drėgmės kaupimu. Greiti slėginio įsiurbimo mišinio temperatūros svyravimai kondensatoriaus viduje, kartu su oro išsiplėtimo vėsinamuoju poveikiu, skatina kondensaciją aplinkos temperatūrai krintant. Bet kokio kondensuoto skysčio patekimas į KD186FA degimo kamerą užvedimo metu sukelia hidraulinį smūgį, lokalizuotą stūmoklio vainike, dažnai sukeliantį momentinį žiedų lizdų gedimą arba švaistiklio iškraipymą. Inžinieriai turi integruoti žemiausio taško kondensato išleidimo vožtuvą, idealiai solenoidu valdomą tipą, sujungtą su uždegimo jungikliu, kad išvalytų kondensatorių nuo bet kokio susikaupusio skysčio prieš varikliui pereinant prie didelės apkrovos eksploatavimo.
Kalbant apie turbinos korpuso kinematiką, mažos inercijos GT0632SZ turbinos ratas yra jautrus didelio ciklo nuovargiui (HCF), kurį sukelia ekstremalūs vieno cilindro išmetamojo kolektoriaus slėgio gradientai. Siekiant sušvelninti šį poveikį, sąsaja tarp išmetamojo kolektoriaus flanšo ir turbinos įleidimo angos reikalauja aukštos temperatūros, nikelio pagrindo lydinio tarpinės arba varinės suspaudimo poveržlės, siekiant užtikrinti nulinio nuotėkio vientisumą. Bet koks išmetamųjų dujų nutekėjimas šioje jungtyje sutrikdo impulsų energijos konversiją, priversdamas turbiną staigiai suvirpėti ir smarkiai svyruoti veikos diapazone. Apžiūrėkite turbinos korpusą (A/R 0,32) dėl plonų šiluminio nuovargio įtrūkimų, sklindančių nuo spiralinės (volute) liežuvio, nes šie įtrūkimai veikia kaip įtempių koncentratoriai, kurie gali sukelti katastrofišką turbinos menčių atsiskyrimą dėl didelio dažnio vibracijos, būdingos vieno cilindro jėgos agregatams.