A Turbónyomás Szabályozás Kulcsa: Wastegate Szelepek Részletes Áttekintése és Működési Elvei
A turbófeltöltős motorok világában a wastegate szelep az egyik legfontosabb alkatrész, amely biztosítja a motor hatékonyságát és megbízhatóságát. Ez az apró, de annál összetettebb eszköz segít szabályozni a turbófeltöltő által generált nyomást, megakadályozva ezzel a túlnyomást, amely súlyosan károsíthatja a motort. Minden, amit tudni érdemes a turbó nyomásszabályzó szelepek világáról.
Mi az a wastegate, és hogyan működik?
A turbófeltöltők alapvető működési elve azon alapul, hogy a kipufogógázt, ami veszendőbe menne, munkára fogjuk. A tökéletes égéshez több levegő szükséges, amit a szívó motorok már nem tudnak biztosítani. A turbófeltöltőt a kipufogógáz hajtja meg és az általa létrehozott többletlevegőt juttatja be az égetésbe, ahol nagy nyomással juttatja hozzá az üzemanyagot.
A wastegate szelep egy nyomásvezérelt szelep, amelyet a turbófeltöltős motor kipufogó rendszerében használnak. Feladata, hogy szabályozza a turbina fordulatszámát azáltal, hogy a kipufogógáz egy részét megkerüli a turbinán. A turbónyomás behatárolását az első generációs feltöltőknél az ún. wastegate szelep végezte.
Szabályzó nélkül a turbófeltöltő nyomásértéke kontrollálatlanul emelkedne, ezt pedig nem bírná el az autó motorja. Éppen ezért szükség van egy eszközre, ami a turbón áthaladó maximális töltőnyomást korlátozza. A wastegate magyar fordítása talán a legszerencsésebben a megkerülő-szelep lehetne.
A wastegate tulajdonképpen egy nyomásérzékeny szelep. A turbónyomás szabályozására szolgáló eszköz. A waste gate rendszerű turbófeltöltő szabályozása úgy működik, hogy van egy megkerülő szelepünk a turbina (kipufogó gáz) oldalon. Ha elér egy bizonyos töltőnyomást a rendszerünk, akkor egy membránnal összekötött rudazat segítségével kinyitjuk ezt a megkerülő szelepet és a kipufogógázok a feltöltőt megkerülve áramolnak tovább a kipufogórendszerbe.
A kompresszor oldal nyomó ága összeköttetésben van a waste gate szelep nyomáslabdájával. A turbófeltöltő jobb alsó részén látható a Waste Gate "labdája". Ebben egy membrán és egy rugó található. Ha a rugóerőt eléri a membránon lévő nyomás, akkor az kimozdul és magával mozdítja a rudazatot. Az, hogy a wastegate milyen nyomásértéknél nyit ki, az a szelepben található ellentartó rugó erejétől függ.
Wastegate típusok: belső és külső
Létezik külső és belső nyomásszabályzó szelep. A belső szelep a turbófeltöltő részét képezi. A külső szelep a turbófeltöltő és a hengerfej között helyezkedik el. A működésük mindkét esetben ugyanazon elv szerint történik, lényegi különbség csak az elhelyezkedésük a turbóhoz képest.
A belső wastegate szelepe a turbón található. Becenevén hívják drukk-labdának is. A külső wastegate a turbótól teljesen külön egységet képez. A leömlő azon részére szerelik, ami a turbó és a hengerfej között található, röviden a turbó előttre hegesztik.
A gyakorlatban a gyári autókon szinte mindig belső wastegate-es turbót találtok, mig a tuningolt autókon legtöbbször külső wastegate látja el a nyomásszabályzás feladatát. Ennek az a magyarázata, hogy a belső wastegate-eknek viszonylag kicsi a keresztmetszete, ezért nagy turbó esetén nem tudnak elegendő kipufogó gázt elengedni a turbó elől.
Wastegate méretezés
A külső wastegate-eket a szelep átmérőjük alapján szokás emlegetni. Jellemzően 38, 40, 50 és 60mm-es külső wastegate-ek kaphatóak. A különböző szelepméret a teljesítmény illesztését szolgálja. Nagyobb motor nagyobb turbónyomásának előállításához nagyobb wastegate szelep kell. Nagyon fontos a wastegate méretének pontos megválasztása. Ha túl kicsi a szelep, akkor nagy nyomáson lesznek gondjaid (nyomás-kúszás), ha túl nagy szelepet vettél, akkor pedig nehézkesen tudsz kis nyomást stabilan előállítani.
Gyors szélvédőcsere Golf Cabrio
| Wastegate méret | Motor méret (ccm) | Ajánlott teljesítmény (lóerő) |
|---|---|---|
| 38mm | 2000-ig | 300-ig |
| 40mm | 2500-ig | 400-ig |
| 50mm | 3000-ig | 500-ig |
| 60mm | 3000 felett | 600 felett |
Ezek az értékek csak ajánlottak, nem szabad őket szentírásnak tekinteni! A gyakorlat szerint az alulméretezés a fontosabb probléma, amire oda kell figyelned! A wastegate másik adata a nyomásérték. Ezesetben arról van szó, hogy a wastegate ellentartó rugója olyan erős, hogy a wastegate érezhetően egy adott turbónyomás értéknél engedi el olyan mértékben a kipufogógázt, hogy a töltés már nem nő tovább.
A wastegate szelep nem csak teljesen zárva, és nyitva van a folyamat alatt, hanem a szélső érték előtt is kinyit részlegesen, illetve a mechanika tehetetlensége miatt egy kicsit késve nyit ki. Emiatt következhet be a nyomás hirtelen felépülésekor a nyomásmérő órán gyakran látható kilengés: a felső értéknél egy rövid pillanatra feljebb kúszik a mutató, majd visszaesik a rugó értékének megfelelő maximális nyomásra.
A szabályzók evolúciója és a vezérlési módok
Évről évre fejlődik a technika a turbófeltöltők terén is, akárcsak bármely más területen. A szabályzók is egyre komplexebbek lesznek, a javítási és cserelehetőségek pedig csökkennek. A régebbi típusú turbófeltöltőket még a „hagyományos”, nyomásra működő szabályzó szelepekkel szerelték, melyek a többlet töltőnyomást engedik le. A későbbi, változó geometriás turbófeltöltőknél már vezérlőszelepnek nevezzük ezt az alkatrészt.
A szakirodalom általában VTG-vel jelöli a változtatható beömlési keresztmetszetű, újabb fejlesztésű turbófeltöltőket. A VTG rendszerű feltöltőkön természetesen nincs waste-gate szelep. A membránkamra rudazata a vezetőlapátsor állítását végzi.
A turbó nyomásszabályzó szelep működési logikája nem a legegyszerűbb, és persze ez is típusfüggő. A legtöbb esetben - benzines motornál - az alapelv az, hogy akármi is történjen az elektromos vezérlő rendszerrel, a töltőnyomás le legyen korlátozva.
Minden a VW Golf 1.4 16V vezérműszíj cseréjéről
Elektronikus és manuális szabályzók
A fent leírt jelenség kiküszöbölésére, és egyben egy sokkal precízebb és stabilabb nyomás-szabályozásra találták ki az elektronikus nyomás szabályozókat (EVC-ket). Az EVC a töltőnyomást arra használja fel, hogy a wastegate rugójának értékénél nagyobb nyomáson tudd üzemeltetni a turbót, és bizonyos esetekben a nyomás stabilitását és annak gyorsabb felépülését is elő tudod idézni az EVC segítségével. Egy újabb autóban a nyomásmérést a központi elektronika elvégzi, mágnesszelepekkel nyomásos vagy vákuumrendszerébe be is avatkozhat. Így ott már akár a lenti folyamatot egyszerűen "chippeléssel" is elvégezhetjük.
Meg kell említenünk a manuális, vagy kézi turbonyomás szabályozókat (angolul manual boost controller). Ezzel az egyszerű mechanikus eszközzel (gyakorlatilag egy golyós csap) külső wastegate esetén ellennyomást tudsz engedni a wastegate egyik kamrájára, belső wastegate esetén pedig el tudsz engedni egy kis levegőt a wastegate membránja elől, így növelni tudod a turbód legfelső nyomás értékét. Ez a módszer nem ad stabil nyomásértéket. Az EVC-kénél nagyobb ingadozás és hőmérséklet függés az olcsóság ára. A külső wastegate-ekben szokás rugót cserélni, hogy a nyomás fix, mechanikai értékét egyszerűen és olcsón növeld, vagy csökkentsd. A rugó maga egyszerűen cserélhető, és akár vezérlés nélküli, akár vezérelt a wastegate-ed, a nyomás alsó értéke mindig a rugótól fog függeni. Sem az EVC, sem a manuális szabályozó nem tud a rugóénál kisebb nyomásértéket előállítani.
Hogyan kell kalibrálni és beállítani a turbó wastegate működtetőjét?
Hibaelhárítás és a meghibásodás jelei
Gépjárművünk motorjának egyik legfontosabb elemeként említhetjük meg a turbónyomás szabályzó szelepet, mely lényegében a turbótöltő teljesítményének szabályozásáért felel. A motor egy összehangolt gépezet, melynek minden eleme fontos feladatot lát el. Nincs ez másként a turbónyomás szabályzó szelep esetében sem. Meghibásodása egyértelműen észlelhető, például nem lehet beállítani a gépjárművön a turbót, nem adja le a megfelelő teljesítményt, esetleg letilt az autó.
A turbónyomás szabályzó szelep meghibásodásának jelei
Számos jele van annak, hogy a turbónyomás szabályzó szelep nem működik megfelelően:
- Lomhább az autó a szokottnál, és alacsony a teljesítménye is: nagyon árulkodó jel az, amikor az autónak hirtelen csökken a teljesítménye, és a gyorsulásban is jelentős visszaesés tapasztalható. Ilyenkor a szelep nem szabályozza megfelelően a turbótöltő nyomásást, emiatt pedig a motorhoz nem jut el a szükséges levegő és üzemanyag mennyiség, melyre az égéshez szüksége lenne.
- Megnő az üzemanyag-fogyasztás: Ha a szelep hibás, az az üzemanyag-fogyasztásra is kedvezőtlenül hat, ugyanis ilyenkor a turbófeltöltő folyamatosan nagy nyomást generál, emiatt pedig túl sok üzemanyag kerül felhasználásra.
- Szokatlan zajok a motortérben: ha furcsa, szokatlan hangot hallunk kiszűrődni. Ez a hang lehet sípolás vagy akár dübörgés is. Ez is arra utalhat, hogy a turbónyomás szabályzó szelep hibásan működik, ezért mindenképp lényeges, hogy azonnal szerelőhöz forduljunk.
- Fekete füst árad a kipufogóból: nagyon árulkodó jel, ha fekete füst jön ki a kipufogórendszerből. Ez annak a jele, hogy a motor nem képes megfelelően elégetni az üzemanyagot, és ez okozza a nagy mennyiségű fekete füstöt.
- Rángat az autó: amennyiben lökéseket és rángatást tapasztalunk vezetés közben, az is arra utal, hogy a turbónyomás szabályzó szeleppel gond van. Ilyenkor ugyanis a turbótöltő nyomása nem stabil, ingadozik, ez pedig a motor teljesítményének instabilitásához vezet.
- Szelepkárosodás: ha a motortérbe pillantva azt vesszük észre, hogy a szabályzószelep szivárog, esetleg sérült, akkor az mindenképp arra utal, hogy az alkatrész cserére szorul.
- Világít a motorhiba jelző lámpa: amikor a műszerfalon felvillan a motorhiba ellenőrző lámpa, az jót nem jelent, viszont azonnali beavatkozást igen. A hibajel számos dolog miatt felvillanhat, többek között a turbónyomás szabályzó szelep hibája miatt is.
Ezeket a jelenségeket mindenképp komolyan kell venni, még akkor is, ha egyik-másik jelenség különösebben nem zavar minket a mindennapi közlekedésben.
A meghibásodás okai
A turbónyomás szabályzó szelep hiba jeleket számos dolog okozhatja: elektromos hibák, a vákuum-ellátáshoz kapcsolódó gondok, de maga a szelep is meghibásodhat. Vákuumos szabályzók esetén idővel a nyomás és a hő kezdheti el gyengíteni a rugót. Ez eredményezheti, hogy a wastegate előbb nyit, mint kellene, és csökkenti a nyomást - ezáltal a turbó teljesítményét. Továbbá az is előfordulhat, hogy elszakad benne a membrán, ami azt jelenti, hogy a szelep egyáltalán nem tud kinyitni.
Az elektromos hibák kapcsolódhatnak a csatlakozókhoz vagy a biztosítékhoz, a vákuum-ellátás kapcsolatos problémák esetében pedig a szivárgó tömlő vagy a belső meghibásodás lehet a bajok forrása. Egy hibás elektromos aktuátor is okozhatja, hogy a gépjármű elveszíti az erejét, és kigyullad a „check engine” lámpa.
Amennyiben a szelep megy tönkre, akkor javításra nem nagyon van lehetőség, általában csak a csere jöhet szóba, ami lényegesen drágább, mint az elektromos vagy tömlő hiba javítása. Az alkatrész karbantartására külön nincs mód, mert ez egy zárt rendszer. Bármelyik turbónyomás szabályzó szelep hiba jelet is tapasztaljuk, azonnal forduljunk szerelőhöz, mert komolyabb károsodáshoz is vezethet, ha a bajok forrását nem tárjuk fel időben, illetve nem orvosoljuk azokat.
Tuning és egyedi megoldások: Golf 3 AAZ esetében
Adott volt a probléma, az autón szerettem volna töltőnyomást emelni. Többféle megoldás létezik, szett, én azonban szerettem volna az itthon lévő alkatrészekből megoldani a problémát. Itt egy egyszerű kamrás dízelmotor volt a célpont. Nyomásmérővel megállapítva 0.6-0.7 bar-nál avatkozott be a waste gate szelep. A cél, hogy becsapjuk a rendszert, azaz egy olyan eszköz előállítása a cél, amely pl. 1.2 bar bemenetre 0.7 bar kimenet ad tovább. Így a waste gate szelepünk valójában 1.2 barnál mozdul be.
Egyszerű nyomásszabályzó nem jó, mert az a beállított nyomásig arányosan változik a bemenő nyomással. Sok esetben láttam olyat, hogy térfogatáram szabályzóval (fojtó) egészen egyszerűen sorba kötötték a labdát, de ez nem megoldás, mert a kívánt nyomás ugyanúgy kialakul, csak kellően megfojtva lassabban éri el, addig nagyobb nyomás is kialakulhat.
Én egy egyszerű két fojtós, veszteséges nyomásszabályzót hoztam létre, az állítható fojtó segítségével. A szerelvényezés nem éppen a legkiforrottabb, de hétvégén erre futotta, acél rézzel történő összehegesztésével. Természetesen hosszútávon rendes szerelvényekkel próbálom kiváltani a mostani megoldást.
Az elve villamos analógiát tekintve a feszültségosztóéhoz hasonló. A rendszer alulról kapja a tápnyomást, a légköri nyomás fenn van (motortér). A középen jövő ág pedig megy a waste gate fele. Ha két azonos fojtásunk van egy rendszerben sorba kötve, egyik oldal légköri nyomáson, vegyük ezt az értéket 0-nak, másik ehhez képest 1 bar nyomással magasabban, akkor a kettő között fél tápnyomást, azaz 0.5 bart mérünk. Természetesen ehhez folyamatos átfolyásra van szükségünk, azaz valamekkora veszteségünk mindig lesz, de pont ezért van fojtó a kimeneti ágon is, hogy ezt a veszteséget csökkentsük. A felső, alsó folyatások mértékének változtatásával a középen mérhető nyomásunk is változik.
Tehát a tagok állítgatásával beállíthatjuk a rendszert úgy, hogy viszonylag kis veszteség mellett középen a bemenethez képest alacsonyabb nyomást érjünk el. Tény, hogy a fojtás miatt a rendszer beállási ideje növekszik, lassabban reagál, de gyakorlati tapasztalatok szerint nem számottevő. Sőt a gyári rendszer 0.7 baros beállása nyomóágon mérve pillanatra az 1 bar nyomást is elérte, majd onnan állt be. Ez a szabályzó beiktatásával megszűnt.
A beállítás roppant egyszerű. A tápnyomás felöli, azaz alsó szelepet teljesen kinyitjuk, majd pedig a felsőt zárva tartjuk (ekkor a rendszer inaktív). A felső szeleppel menet közben játszva megnyitjuk addig, amíg egy viszonylag kis, még elfogadható kifújást érzékelünk a motortérbe. Ezt követően pedig a nyomásértéket mérve elkezdjük fojtani a bemenetet az alsó szeleppel egészen a kívánt tápnyomásig.
Fontos, hogy mindenképpen rendelkezzünk nyomásmérő órával. Habár a dízelmotor légfelesleggel működik, waste gate szabályzás nélkül komoly nyomások is kialakulhatnak, esetemben rámérve 1.7-2.0 bar körüli értéket is nyomhat. A régi nagy kompresszióval bíró dízelmotorok, tdi-k, főleg kamrás td-k pedig tartósan ezt a nyomást nem képesek elviselni. Rövid idő alatt a motor károsodását érhetjük el.
Természetesen a fenti átalakítás közúti forgalomban nem megengedett, ahogy semmilyen más teljesítménynövelő megoldás sem.