A dízelmotorok feltöltésének világa: Változó geometriájú turbó, Wastegate és a szívódízelek
A modern dízelmotorok fejlesztése során a teljesítmény és a nyomaték növelése, valamint a hatékonyság javítása kulcsfontosságú. Ennek elérésében a feltöltési technológiák játsszák a főszerepet, közülük is leginkább a turbófeltöltés terjedt el. Bár a turbó szabadalmi bejelentése immár több, mint száz éves, személygépkocsiban történő alkalmazására csak 1973-ban került sor először. A turbófeltöltő feladata, hogy túlnyomással friss levegőt juttasson a motorba, amivel jelentős teljesítmény és motornyomaték növelés érhető el a szívó dízel motorokhoz képest.
A feltöltés alapjai és típusai
A belsőégésű motor teljesítménye arányos annak hengereiben elégetett tüzelőanyag/levegő keverékének mennyiségével. A feltöltés lényege, hogy megnöveljük a hengerekbe jutó töltet mennyiségét. Ily módon megnő a volumetrikus hatásfok, emelkedik az effektív középnyomás, mivel a dugattyútetőre munkaütemben nagyobb nyomás hat. Ezzel emelkedik a motor forgatónyomatéka, ebből adódóan a teljesítménye is.
A járműmotorokon alkalmazott ismertebb feltöltési módok a következők:
- Mechanikus feltöltés: A töltőt közvetlenül a motor hajtja. Ilyen például a kompresszor, a forgódugattyús feltöltő (Roots-fúvó), a spirálfeltöltő (G-feltöltő) és a Comprex feltöltő.
- Rezonancia feltöltés.
- Turbó feltöltés: A leginkább elterjedt feltöltési mód.
A turbó feltöltésnél a motor kipufogógázai által meghajtott turbinakerékkel közös tengelyen forgó kompresszorkerék összesűríti a légszűrőházból hozzá vezetett levegőt. Így megnő a levegő nyomása, és - bár ez nem előnyös - a hőmérséklete is. A turbóba kerülő kipufogógáz hőmérséklete rendkívül magas, megközelítheti akár az 1000 Celsius fokot is.
Wastegate turbók
A Wastegate (megkerülő szelepes) turbók szabályzása egy szelep nyitásával, a kipufogógáz turbinakerékről történő elvezetésével van megoldva. A turbó aktuátor (pneumatikus beavatkozó elem) karja a hozzá vezetett nyomás hatására elmozdul és a turbó belsejében egy tányérszelepet megnyitva egyszerűen elengedi a felesleges kipufogógázt a turbinakeréktől. Az első generációs feltöltőknél a turbónyomás behatárolását az ún. waste-gate szelep végzi, ami a megengedett feltöltőnyomás elérésekor kinyit egy, a turbinakereket megkerülő (by-pass) csatornát, így a turbónyomás tovább nem emelkedhet. Korszerűbb konstrukcióknál a waste-gate szelep vezérlését (is) az ECU végzi, egy elektromágneses működtetésű szelepen keresztül.
Útmutató a Nissan Terrano 2700 dízel vezérléséhez
Ha nagy terhelés (azaz: magas feltöltőnyomás) után hirtelen zárjuk le a fojtószelepet, akkor a fojtószelep mögött jelentős vákuum alakul ki. A fojtószelep másik oldalán viszont a nyomás hirtelen megnövekszik, mivel az igen magas fordulatszámmal forgó turbina (és sűrítő) kerék lelassulásához idő kell. A blow-off (vagy lefúvó) szelep feladata ennek a nagy nyomásnak a levezetése. Ha ezt nem tennénk meg, az a fojtószelep ismételt nyitásakor a hajtásláncot igénybe vevő rántást eredményezne, és a feltöltő csapágyazását is veszélyeztetné. A nagy nyomás fékezné a turbinakerék forgását, ismételt fojtószelep nyitásra késve reagálna.
Változó geometriájú turbók (VNT/VTG)
Dízel járművek esetén jelenleg a legelterjedtebb a változó geometriájú (VNT) turbófeltöltő alkalmazása. A változó geometriás turbók képesek minden fordulatszám tartományban magas teljesítmény leadására, pont ez a népszerűségük alapja, hiszen így egy feltöltővel kiküszöbölhető az a probléma, ami a fix geometriás turbók esetén mindig előjön. A fix geometriás turbók vagy alacsony fordulaton nyújtanak jó teljesítményt és gyors gázreakciót, vagy magas fordulaton adnak le csúcsteljesítményt, de a kettő együtt nem lehetséges. A változó geometriás turbóknál ez a probléma nem áll fenn.
Alacsony fordulatszám és terhelés mellett a változó geometria lapátjai közel zárt állapotban vannak, így csökkentve a turbó bemeneti keresztmetszetét. Ez megnövekedett gázsebességet és a turbó tengelyének gyorsabb forgását idézi elő, ami segíti a gyorsabb teljesítményleadást is. Magas fordulatszám tartományban a változó geometria lapátjai nyitva vannak, ezzel növelve a belépési keresztmetszetet és így felvehető a motor megnövekedett kipufogógáz mennyisége is. Ezzel a megoldással egy feltöltővel elérhető a gyors gázreakció és a kiegyensúlyozott teljesítményleadás a motoron. Ma már kizárólag VGT turbók kerülnek beépítésre az új autókba.
A változó geometriát valahogyan szabályozni is kell, ez történhet vákuum szeleppel és elektronikával is. A vákuumos szabályzásnál a turbón levő aktuátor egy elektropneumatikus szeleptől kapja meg a mindenkori szabályzáshoz szükséges vákuumot. Az elektromos szelepet a motor vezérlőegysége működteti. Az elektronika hódításával megjelentek az elektromos aktuátorral szerelt VTG turbók is. Nem kell vákuum a szabályzáshoz, nem kell hát vákuumos aktuátor és nem kell elektropneumatikus szelep sem. A vezérlőegység által megvezérelt motoros aktuátor került a régi helyére.
A szívódízelek világa: egyszerűség a teljesítmény ellenében
Felmerült viszont egy másik kérdés is a turbódízelek mellett: vajon megéri még több kényelmet és menetdinamikát áldozni a vélt megbízhatóság oltárán, és még a turbót is elengedni? Nézzük meg, mit jelent a köznyelvben a szívódízel kifejezés. Feltöltött motoroknak kategorizáljuk azokat az erőforrásokat, amelyekbe a levegő és üzemanyag keveréke nagy nyomáson érkezik, mondjuk egy turbófeltöltő vagy egy kompresszor segítségével. Ennek lényegében az elődje, egyben ellentéte a szívómotor, amelyen nincs sem turbó, sem pedig kompresszor, a levegőt a dugattyú mozgása szívja be a hengerbe.
Dízel üzemanyag összehasonlítás
Ezek a motorok általában lényegesen kisebb csúcsteljesítményt és később tetőző nyomatékgörbét adnak, ám sokkalta egyszerűbb technológiával dolgoznak, kevesebb alkatrész mehet bennük tönkre. Ráadásul újonnan az olcsóbb technológia és a kevesebb erő miatt kedvezőbb áron is lehetett hozzájutni ezekhez a változatokhoz. Turbó nélkül ugyanis ezek a gázolaj-hajtotta erőforrások komoly problémák nélkül képesek akár egymillió kilométert is elmenni, ráadásul röhejesen alacsony fogyasztással. A hátrányuk, hogy mai szemmel lomhák, illetve hogy ennyi idősen már könnyedén visszaüt a legendás elpusztíthatatlanságuk.
Ha szívódízelekről beszélünk, akkor kihagyhatatlan a képletből a Volkswagen csoport, akik nem csak a Caddyben, de még a Polóban és a Golfban is fájdalmasan sokáig tartották életben a szívódízelt. Az 1,9 literes SDI után, még a 2,0 literes PD SDI is belekerült az amúgy méretesre nőtt kompaktba. Más gyártók nem tolták ki egészen az Euro 4 norma bevezetéséig a szívódízelek elengedését, ám akadhatnak jó fogások a PSA csoport termékei közt is: a Peugeot 206-osban az 1,9 literes szívódízel egészen 2003-ig szerepelt a kínálatban 71 lóerővel és 15,3 másodperces nulla-százzal. A legendás 1,5 literes dízellel szerelt Peugeot 106 és Citroën Saxo páros is említésre méltó.
Szívó vs turbó-benzin? Ha van opció, Te melyiket válaszd?
Összegzésképp elmondható, hogy amíg a Volkswagenek közt felkapott a szívódízel, addig a francia találati listát böngészve fillérekért lehet a kisebb autókban már kellemesebb dinamikájú turbó nélküliekhez jutni. A PSA és a Volkswagen csoport termékein kívülre azoknak érdemes merészkedniük, akiket nem zavar, ha a vásárolt autó vezetési élmény és küllem terén is kőkorszakinak hat. Közel sem biztos tehát, hogy megéri kizárólag a turbó nélküli dízelekre szűkíteni, mert hiába az elpusztíthatatlannak tartott motor, ha közben az autónak minden más problémája van. Kivételt képeznek ez alól a kései Volkswagen PD SDI modellek, ám ezek egy modern autó elektronikájával és szenzorhadseregével rendelkeznek, az a technológia már közel sem olyan őskori, mint a 2000 előtt gyártott szívódízeleké, így ott a hibalehetőségek új tárháza nyílik meg a rosszul választó autóvásárló előtt. Sokkal több fog múlni azon, hogy milyen állapotban sikerül hozzájutnod valamihez, mint hogy azt a konkrét autót ki gyártotta, vagy hogy épp van-e rajta turbó.
A dízel turbó meghibásodásai és jelei
Modern dízelmotor nem létezik turbófeltöltő nélkül. Nagyon fontos mind az autó tulajdonosának, mind a szerelőnek megérteni, hogy a turbó meghibásodás okai között a turbó anyag vagy gyártási hibája csak az esetek kevesebb, mint 10%-a! Az esetek 90%-ában tehát egy külső (üzemeltetési) tényező játszik szerepet, csúnyán megfogalmazva teszi tönkre a turbót! Ebből kikövetkeztethető, hogy ha nem találjuk meg és nem szüntetjük meg maradéktalanul a meghibásodás valódi kiváltó okát, akkor az új vagy felújított turbó is újra meg fog hibásodni!
Változó geometriás turbó hibák
Változó geometriás turbó hibák esetén megkülönböztetünk kopásból vagy sérülésből eredő turbó geometria hibát, illetve turbó geometria leragadásból származó hibákat. A változó geometriát valahogyan szabályozni is kell, ez történhet vákuum szeleppel és elektronikával is. És sajnos persze el is tudnak romlani, ami rendellenes működést eredményez és egy komolyabb turbó hiba előjele is lehet.
Üzemanyagtank méret - Smart Forfour 454
A turbó geometria leragadásának okai
Hirtelen teljesítmény vesztés, turbó geometria leragadás jelei, a jármű vészüzembe vagy más szóval szervizmódba vált. Ez egy gyakori hiba a modern, változó geometriás turbó feltöltővel szerelt dízel motorok esetén. A legtöbbször a turbó geometria leragadás oka az, hogy a változó geometria lamelláinak mozgását valami akadályozza. A turbó geometria leragadás kiváltója lehet nagy mennyiségű korom lerakódása a turbina házban, de akár egy turbó geometria hiba is, ami a változó geometria sérülését vagy kopását jelenti.
A leragadást okozhatja:
- Koromlerakódás: Nagy mennyiségű korom kerül a turbina házba, ami akadályozza a változó geometria szabad mozgását. Lehetséges, hogy "csak" az okozta a geometria leragadást, hogy az autóval túlnyomórészt városban és rendszerint csak rövid távokon közlekednek. Ez sajnos a modern dízelmotoroknak nagyon nem tesz jót, ezeket elsősorban hosszabb utak megtételére tervezték. Ez hatványozottan igaz a részecskeszűrős járművekre!
- Tökéletlen égés: Az is lehetséges, hogy a jármű befecskendező rendszerével van valami gond, ezért tökéletlen az égés a motorban, ami nagy mennyiségű korom lerakódását eredményezi a turbó turbina házában. Értelemszerűen egy turbó geometria tisztítás önmagában még nem oldja meg a hibát, csak ideig-óráig.
- Olajkoksz képződés: Előfordul, hogy a turbófeltöltő forgórészének meghibásodása miatt turbó olajfolyás lép fel. Ez az olaj bekerül a turbina oldalra is, ahol a forró kipufogógázzal keveredve olyan, a lamellák mozgását gátló olajkoksz réteg alakul ki. Természetesen ilyen esetben sem elegendő csak egy turbó geometria tisztítás, hiszen a turbó hiba miatt a változó geometria rövid időn belül újra le fog ragadni.
- Részecskeszűrő eltömődése: Részecskeszűrős járműveknél, ha a részecskeszűrő eltömődik, akkor a visszatorlódó kipufogó gáz miatt a turbó változó geometria leragadás gyakori hiba.
- Idegen anyagok: A motorból kilépő kipufogógáz teljes egészében áthalad a turbófeltöltőn és a változó geometrián. Előfordul, hogy a kipufogó szelepeken összeállt, majd onnan leszakadó olajkoksz vagy nagyobb hiba esetén egy motorikus alkatrészdarab (pl. a dugattyú, gyűrű vagy a szelepek illetve az izzítógyertya darabkái, stb.), de nem egyszer akár a leömlő belső faláról vagy tömítéséből leválló fémdarabka a kipufogógázzal együtt keresztülmegy a turbófeltöltőn. Ezek a sérülések a turbó geometria szerkezetében megakadályozzák a változó geometria rendeltetésszerű működését.
A turbó fütyülő hangja és olajfolyás
Ha a turbó hangja egyik napról a másikra megváltozik, azt vesszük észre, hogy a turbó fütyül, akkor az szerkezeti károsodásra utal. Elképzelhető, hogy a lapátok idegen anyag által sérültek vagy a megnövekedett radiális és axiális irányú tengelylógás miatt hozzáérnek a házak falához. Az ilyen hibás turbó tünetei lehetnek még a turbó olajfolyás és a teljesítményvesztés is.
A turbó fütyülésének további okai:
- Sérült kompresszor lapátok: Rossz minőségű vagy túlhasznált légszűrő esetén ennek fokozottan nagy a veszélye. Sokszor előfordul, hogy a turbó és a légszűrő közötti cső sérül meg. A turbófeltöltő sűrítő kereke puha alumíniumból készült, nem készítették fel arra, hogy forgás közben szennyeződéssel ütközzön, ezért a legapróbb szilárd törmelék is végzetes sérülést tud okozni. A sérült kompresszor lapátok miatt a turbó fütyül, akár már alapjáraton is!
- Turbinalapátok sérülése: Előfordul, hogy a kipufogógázzal együtt a motorból vagy a leömlőből elszabaduló szilárd szennyeződések (összeállt olajkoksz, tömítés darab vagy akár a dugattyú vagy a gyűrű darabkái is), ahogy a forgó turbinakeréknek ütköznek, sérüléseket okoznak a hajtóélek felületén. A sérült turbinalapátokon a kipufogógáz áramlása megváltozik és ez okozza a turbó fütyülő hangját.
- Tengelylógás: A megnövekedett axiális vagy radiális turbó tengely lógás azt eredményezheti, hogy a lapátok forgás közben hozzáérnek a házakhoz. Ilyenkor fütyül a turbó és fémes hangja van, ami komoly szerkezeti károsodásra utal. A turbófeltöltő csapágyazásánál a kenésért és hőelvonásért felelős olajfilm réteg kialakulásához hézagra van szükség az alkatrészek között. Azonban, ha bármekkora mértékű axiális, azaz tengelyirányú lógást észlelünk, vagy a radiális, azaz oldalirányú lógás mértéke akkora, hogy a lapátok elérik a ház falát, akkor az már a turbó hiba jelei közé tartozik és szerkezeti károsodásra, a csapágyak és a futófelületek kopására utal!
Turbó olajfolyás: Bármilyen meglepően is hangzik, a turbó olajfolyás nem feltétlenül jelenti a turbó hibáját. Sőt előfordul, hogy az olajfolyás nem is a turbótól származik, csak tévesen diagnosztizálják turbó hiba körébe a jelenséget. A turbó tengelyének a két végén, azaz a kompresszor és a turbina oldalon egy-egy (bizonyos esetekben a turbina oldalon kettő) labirint gyűrű zárja el az olaj útját. Ha a kényes egyensúly felborul (például azért, mert a motor kartergáz nyomása abnormálisan megnő), akkor a motorolaj át fog jutni a labirint gyűrűkön és vagy a sűrítő oldalon a feltöltött levegővel együtt bekerül az égéstérbe, vagy a kipufogó rendszerbe jut - bizonyos esetekben egyszerre mind a kettő. Ez azonban nem a turbófeltöltő hibája, hanem az üzemeltetési körülmények idézik elő az olajszivárgást!
Turbó felkapta az olajat: Dizel turbó hibák esetén a legrosszabb, ami történhet, ha a turbó felkapta az olajat. Ilyenkor olyan mennyiségű kenőanyag jut a szívótorokba, ami képes táplálni a motor égését. A felpörögött motor gázpedál-állástól függetlenül addig forog extrém magas fordulaton, amíg el nem fogy a motorolaj a karterből és a motor kenés hiányában besül. Ez szinte garantáltan motorcserét jelent. Az időben nem felismert turbó tengely lógása tipikusan egy olyan hiba, ami turbó tengely töréshez vagy rosszabb esetben ahhoz vezet, hogy a turbó felkapta az olajat. Ha a feltöltött levegővel együtt motorolaj kerül az égéstérbe, akkor akár egy öngerjesztő és leállíthatatlan illetve kontrollálhatatlan égés is létrejöhet, ami a turbó, a motor és akár az egész autó végét is jelentheti!
Kenési rendellenességek és tömítetlenségek
A válasz a legtöbb esetben az olajkenési rendellenesség, ugyanis a turbó egészséges működésének kulcsa a megfelelő kenés biztosítása. Azért is kiemelkedően fontos a megfelelő kenés, mert a turbófeltöltő tengelye percenként akár 300.000 fordulatot is megtehet, miközben a motorból távozó akár 1.000 Celsius fok körüli kipufogógázzal érintkezik. Ilyen terhelésnél, a hőelvonásért és a kenésért felelős, megfelelő olajfilm réteg kialakítása kulcsfontosságú! A legapróbb szennyeződés a motorolajban vagy az olajáramlás megszűnése akár már néhány másodperc alatt is végzetes turbó hiba kialakulását eredményezheti. Fontos azt is tudni, hogy a turbó forgórészében az olajat apró furatokon keresztül vezetik a csapágyak és a turbinatengely futófelületére, a túlhasznált vagy szennyezett motorolaj ezeket a furatokat eltömíti, ami ekkora (hő)terhelésnél az olaj ráégését eredményezi a futófelületekre valamint a kenés hiánya miatt az az amúgy olajfilm réteg által elválasztott fém alkatrészek összeérnek és megkoptatják egymást.
Ha fütyül a turbó, az ritkán ugyan, de nem feltétlenül jelent turbó hibát. A turbó működése mindenképpen zajjal jár, de ez a zaj nem feltétlenül hallható járó vagy terhelt motor mellett. Ha korábban nem hallható, fütyülő, kifúvó hangot hall, ami terhelésre erősödik, akkor érdemes először a szívó- és kipufogórendszer tömítettségét megvizsgálni, mert lehetséges, hogy a fütyülő hang „csak” egy hibás csatlakozó, kilyukadt cső vagy átégett tömítés következménye. Azonban ekkor sem érdemes sokáig várni a javítással, mivel például a nyomó oldali tömítetlenség arra készteti a vezérlő elektronikát, hogy nagyobb turbónyomást állítson elő (kompenzálva a tömítetlenség miatt elvesztett nyomást), azaz fokozza a turbina forgását, ami a turbó túlpörgéséhez, végső soron pedig a turbó meghibásodásához vezethet. A kipufogó oldali tömítetlenség szintén teljesítményromlást eredményez, hiszen a kipufogógáz egy része nem a turbinalapátokon megy majd keresztül, ezáltal a turbónyomás lassabban épül fel.
Miért fontos a gyors beavatkozás turbó hiba esetén?
Ha turbó hiba előjelei mutatkoznak, használhatja-e még az autót, vagy elindulhat-e nyaralni? A válasz az, hogy nem! Lehetséges, hogy egy turbó hiba tünetei ellenére még több ezer km megtehető az autóval komolyabb gond nélkül (idővel csak drágább lesz a javítás, olcsóbb biztosan nem), de az is lehet, hogy pár km múlva olyan turbó meghibásodás lép fel, ami nem csak a turbót teszi tönkre, hanem a motort is (pl. törmelék kerül a sérült turbóból az égéstérbe) vagy akár kigyullad az egész autó! Ön kockáztatna? Nem éri meg! Turbó hiba előjelei észlelése esetén vegyék komolyan azokat és a lehető leggyorsabban kerestessék meg szakember segítségével a (turbó) hiba forrását és szüntessék meg! Amennyiben a fenti turbó hiba jelei jelentkeznek, ne halogassa a javítást, mert csak egy sokkal nagyobb és költségesebb meghibásodás esélyét kockáztatja! Az autó nem véletlenül vált vészüzembe, ezzel is próbálja megvédeni a motort egy nagyobb meghibásodástól.
Turbó javítás - Mire figyeljünk?
Mivel ma már minden dízel autón megtalálható a turbó, gombaként nőnek ki a javítást kínáló műhelyek. Nagyon vigyázni kell, hova fordulunk turbó problémánkkal. Néhány szempont, amire érdemes odafigyelni:
- A javító cégnek legyen szakmai múltja!
- Garancia! (Bár egyes cégek 2 év garanciát adnak, ez gyakran reklámfogás, és kifogásokat találhatnak.)
- Nem dolgozik kínai alkatrészekkel! Ez nagyon fontos, mert a hazai piacra érkező kínai turbóalkatrészek szörnyen gagyik!
- Problémakezelés! Ne támadásnak vegye, ha kérdéseket tesznek fel pl. a beépítés kapcsán!
A legjobb, ha rábízzuk magunkat a szerelőnkre. A VTG turbók talán leggyakrabban előforduló meghibásodása a vezetőlapátsor megszorulása. A turbó kiépítése (ami gyakran időigényes feladat) után célszerű azt szétszerelni, az alkatrészeket alaposan megtisztítva precízen összeépíteni. Így esélyünk lehet arra, hogy újra hibátlanul működjön.