Как работи байпасният клапан на турбокопресора

През последните 25 години турбокомпресорите са се превърнали от относителна рядкост в неотменна част от новите коли. Докато през 2000 г. само 1% от новите автомобили са имали тази технология, през 2023 г. процентът скача на 35, показват данните от проучване в САЩ. Въпреки че концепцията за турбокомпресор съществува от началото на ХХ век, напредъкът в металургията и технологиите позволи на това, което преди беше кошмар по отношение на надеждността, да стане основен елемент от автомобилната екосистема с приложения от семейни седани до състезателни автомобили от Формула 1.

Турбокомпресорите работят, като използват отработените газове, за да завъртят компресор, който вкарва въздух в горивните камери под по-високо налягане. Автомобилните производители са осъзнали, че турбокомпресорите позволяват на по-малките двигатели да произвеждат същата мощност като по-големите си атмосферни събратя, спестявайки тегло и следователно подобрявайки разхода на гориво.

Ключово развитие в последните 20 години обаче е способността на инженерите внимателно да управляват скоростта на въртене на турбокомпресора. Твърде бързо въртящите се части могат да се деформират и да заприличат на портокалова кора поради прекомерна центробежна сила. Твърде бавно въртене не носи никакви ползи, докато турбокомпресорът не се завърти - феномен, известен като турбо закъснение или турбо дупка. Тъй като водачът иска повече мощност и повече отработени газове завъртат турбокомпресора, един механизъм - байпасен клапан (познат и като уейстгейт), може да позволи на излишния газ да обикаля самия турбокомпресор, карайки го да се върти с идеалната си работна скорост.

Байпасният клапан е сравнително проста част - само клапан и пружина. Пружината е калибрирана така, че да позволи на клапана да се отвори, когато налягането надвиши определен праг. Тези стойности са внимателно подбрани от инженерите според вида и размера на използвания турбокомпресор, за да се избегне прекомерното натоварване на вътрешните му части.

Има два вида байпасни клапани: външни, при които той е отдалечен от турбокомпресора, и вътрешни, при които е директно интегриран в корпуса на турбокомпресора. Вътрешната система е по-вероятна при по-ниски налягания и когато прилягането в двигателя е по-плътно. Външните уейстгейтове са по-големи и могат да бъдат поставени далеч от турбокомпресора, което ги прави по-гъвкави и по-лесни за обслужване и настройка.

Така или иначе, ключовата функция на байпасния клапан е да управлява скоростта на турбината, а появата на електронни образци позволява още по-прецизен контрол. Електронните се отварят и затварят чрез малък сервомотор в отговор на команди от компютъра на автомобила. В комбинация с електронното измерване скоростта на турбото, това може да му позволи да се върти в рамките на 2% до 3% от максималната си скорост и да поддържа надеждност.

Ако байпасният клапан се заклещи затворен или частично блокира, обикновено не отнема много време, за да станат очевидни проблемите. Без тази част, която да освобождава излишните газове, турбото ще произвежда твърде много тяга, като се върти прекалено бързо. Тъй като тези части вече работят близо до проектните си граници, страната на турбото, която обработва отработените газове, може да прегрее и да се стопи или, по-вероятно, да се деформира. Като се има предвид скоростта на въртене, поддържането на ротационен баланс е от съществено значение и всяко малко огъване на вала, свързващ изпускателната и всмукателната страна, може бързо да причини умора и повреди.

Тези проблеми могат да се проявят с относително леки симптоми в началото, като най-често се наблюдава намалена мощност или опушен ауспух. След това обаче вероятно се появява виене на турбото при ускорение и син ауспух при стартиране на двигателя, както и спешни признаци, че е необходимо да се обърне внимание. След това двигателят ще има значително по-ниска мощност, подобно на усещането за турбо дупка, но дори да увеличите оборотите това няма да реши нищо. Всеки период на продължително пълно или почти пълно подаване на газ ще направи симптомите очевидни.

Въпреки това, автомобилните производители ясно са решили, че ползите от турбокомпресора надвишават тези потенциални проблеми и няма признаци, че един добре поддържан двигател с турбокомпресор не може да бъде толкова надежден, колкото е и един атмосферен, стига байпасният клапан да работи както е замислен.