የተርቦቻርጂንግ ታሪክ፦ ተርቦዎች የመኪና ዓለምን እንዴት እንደቀየሩት

ምናልባት አንድ ጊዜ ተራ በሚመስል መኪና ላይ ትንሽ “turbo” የሚል ምልክት አስተውለህ ይሆናል። አምራቾች እነዚህን ምልክቶች በትህትና ለማስቀመጥ ይዘነብላሉ — በመጠን ትንሽ፣ ብዙም በማይታዩ ቦታዎች የተደበቁ። ለማያውቀው ሰው ሳያስተውለው ማለፍ ቀላል ነው። ለሚያውቁት ግን ለማቆም የሚገባ ምልክት ነው። ታዲያ ሁሉም ጩኸት ስለ ምንድነው? ከተርቦቻርጂንግ ጀርባ ያለው ሙሉ ታሪክ ይኸውና — ከየት እንደመጣ፣ እንዴት እንደሚሰራ፣ እና ለምን አስፈላጊ እንደሆነ።

ምህንድስናዎች ከተመሳሳዩ ሞተር ተጨማሪ ኃይል ለምን አስፈለጋቸው

ከመኪና ምህንድስና የመጀመሪያ ቀናት ጀምሮ፣ ዲዛይነሮች በአንድ ጥያቄ ላይ ተጠምደው ቆይተዋል፦ ከአንድ ሞተር ተጨማሪ ኃይል እንዴት ማውጣት ይቻላል? የፊዚክስ ህጎች ግልጽ መልስ ይሰጣሉ — የሞተር ኃይል በእያንዳንዱ የሥራ ዑደት ውስጥ ከሚቃጠለው ነዳጅ መጠን ጋር በቀጥታ ተመጣጣኝ ነው። የበለጠ ነዳጅ መቃጠል የበለጠ ኃይል ማለት ነው። በንድፈ ሐሳብ ቀላል ነው። በተግባር ግን ብዙ የተወሳሰበ ነው።

ዋናው ገደብ ኦክስጅን ነው። ነዳጅ በራሱ አይቃጠልም — እንደ ነዳጅ-አየር ድብልቅ አካል ሆኖ ይቃጠላል። ይህ ድብልቅም በትክክል ሚዛናዊ መሆን አለበት፣ በዓይን የሚገመት መሆን የለበትም። ለቤንዚን ሞተር ተስማሚው ጥምርታ በግምት፦

• 1 ክፍል ነዳጅ ለ 14–15 ክፍል አየር፣ እንደ የሥራ ሁኔታ፣ የነዳጅ ስብጥር እና ሌሎች ተለዋዋጮች ይወሰናል

ይህ ማለት የበለጠ ነዳጅ ማቃጠል ከፈለግህ፣ በከፍተኛ ሁኔታ የበለጠ አየርም ማቅረብ አለብህ ማለት ነው። ተራ በተፈጥሮ የሚተነፍሱ ሞተሮች አየርን በሲሊንደሩ እና በከባቢ አየር መካከል ባለው የግፊት ልዩነት አማካኝነት ይስባሉ። ውጤቱም ጠንካራ ገደብ ነው፦ የሲሊንደሩ መጠን ሲጨምር፣ በዑደት ውስጥ የሚገባው ኦክስጅን ይጨምራል። የ20ኛው ክፍለ ዘመን አጋማሽ አሜሪካዊ አምራቾች ይህንን እስከ ጽንፍ ድረስ ወስደው፣ ግዙፍ የሲሊንደር መጠን ያላቸውና እጅግ የነዳጅ ፍላጎት ያላቸውን ሞተሮች አምርተዋል። ነገር ግን ወደ ተመሳሳዩ የሲሊንደር መጠን የበለጠ አየር ለመግፋት የበለጠ ብልህ መንገድ ነበር?

የሱፐርቻርጀር ፈጠራ፦ የGottlieb Daimler ግኝት

መልሱ ከታወቀ ስም መጣ — Gottlieb Wilhelm Daimler፣ ከDaimlerChrysler ቅርስ ጀርባ ያለው ያው ጀርመናዊ ምህንድስ። ገና በ1885፣ Daimler በሜካኒካል የሚነዳ ሱፐርቻርጀር በመጠቀም ወደ ሞተር ሲሊንደሮች የበለጠ አየር በኃይል የሚገፋበትን ዘዴ አዘጋጀ — በመሰረቱ በቀጥታ በሞተሩ ክራንክሻፍት የሚነዳ ኮምፕረሰር (ማራገቢያ) ሲሆን፣ የተጨመቀ አየርን ወደ ሲሊንደሮች ይገፋ ነበር።

ሰራ። ግን አንድ ጉልህ ጉድለት ነበረው፦ ኮምፕረሰሩ ራሱን ለማንቀሳቀስ ኃይልን በቀጥታ ከሞተሩ ይሰርቅ ነበር። ምህንድሶች የተሻለ መንገድ መኖር እንዳለበት ያውቁ ነበር።

Alfred Büchi እና የተርቦቻርጀር ልደት (1905)

እነሆ Alfred J. Büchi፣ በSulzer Brothers ይሰራ የነበረ ስዊዘርላንዳዊ ምህንድስና ፈጣሪ፣ የዲዝል ሞተር ልማትን ይመራ የነበረ። Büchi በሁለት ግንባር ተበሳጭቶ ነበር፦

• የዚያ ዘመን የዲዝል ሞተሮች ትልልቅ፣ ከባድ እና ኃይል ያነሳቸው ነበሩ
• ሜካኒካል ሱፐርቻርጀሮች ሞተሩ ራሱን ለማንቀሳቀስ የሚያስፈልገውን ኃይል ይሰርቁ ነበር

በ1905፣ Büchi ሥር-ነቀል መፍትሄ የፈጠራ ባለቤትነት መብት አስመዘገበ፦ በሞተሩ ክራንክሻፍት ሳይሆን በራሱ የጭስ ማውጫ ጋዞች የሚነዳ የመሙያ መሣሪያ። ይህ በዓለም የመጀመሪያው ተርቦቻርጀር ነበር።

ተርቦቻርጀር እንዴት እንደሚሰራ

ከተርቦቻርጂንግ ጀርባ ያለው ጽንሰ-ሐሳብ በሚያምር ሁኔታ ቀላል ነው። መሰረታዊው መርህ ደረጃ በደረጃ ይኸውና፦

1. ሞቃት የጭስ ማውጫ ጋዞች ከሞተሩ ወጥተው ወደ የተርባይን ቤት ይፈሳሉ
2. እነዚህ ጋዞች ቅጠል ያለው ጎማ — የተርባይን ሮተር — ልክ ነፋስ የንፋስ ወፍጮ እንደሚያሽከረክር ያሽከረክራሉ፣ ግን በከፍተኛ ፍጥነት
3. የተርባይን ሮተር ከኮምፕረሰር ጎማ ጋር በተመሳሳይ ዘንግ ላይ ተገጥሟል
4. ተርባይኑ ሲሽከረከር ኮምፕረሰሩን ይነዳዋል፣ ኮምፕረሰሩም የተጨመቀ አየርን ወደ ሲሊንደሮች በኃይል ይገፋል
5. በሲሊንደሮች ውስጥ የበለጠ አየር ማለት የበለጠ ነዳጅ ሊቃጠል ይችላል ማለት ነው — ይህም የበለጠ የኃይል ውጤት ያስገኛል

“turbocharger” የሚለው ቃል ራሱ ከላቲን ስሮች turbo (ሽክርክሪት) እና compressio (ጭመቃ) የመጣ ነው — በውስጡ የሚሆነውን ተገቢ መግለጫ።

የኢንተርኩለር ሚና

አንድ ተጨማሪ የእንቆቅልሹ ቁራጭ አለ። አየር በኮምፕረሰሩ ውስጥ አልፎ በሞቃት የተርቦቻርጀር ክፍሎች ሲሞቅ፣ ይስፋፋል — ይህም ማለት በተመሳሳዩ መጠን ውስጥ ያነሰ ኦክስጅን ይገባል ማለት ነው። ይህንን ለመቋቋም፣ ተርቦቻርጅ የተደረጉ ሞተሮች ኢንተርኩለር ይጠቀማሉ፦ በኮምፕረሰሩ እና በሞተር ሲሊንደሮች መካከል ባለው የአየር መንገድ ላይ የተቀመጠ ራዲያተር።

የኢንተርኩለሩ ሥራ ቀጥተኛ ግን ወሳኝ ነው፦

• የተጨመቀውን አየር ወደ ሲሊንደሮች ከመግባቱ በፊት ያቀዘቅዘዋል
• ቀዝቃዛ አየር ይበልጥ ጥቅጥቅ ያለ ነው፣ ይህም ማለት በተመሳሳዩ ቦታ የበለጠ የኦክስጅን ሞለኪውሎች ይገባሉ ማለት ነው
• ይህ ይበልጥ ከፍ ያለ የመሙያ ግፊት — እና ይበልጥ ትልቅ የኃይል ጭማሪ ይፈቅዳል
• እንዲሁም የሞተር ቀደም ብሎ መፈንዳትን (premature detonation) ለመከላከል ይረዳል፣ በተለይም በከፍተኛ አፈጻጸም መተግበሪያዎች ውስጥ

የተርቦቻርጂንግ ዋና ጥቅሞች ከተፈጥሮ ትንፋሽ ጋር ሲነጻጸር

ከተርቦቻርጂንግ የሚገኘው የብቃት ጭማሪ ጉልህ ነው። ለመስራት የሞተሩን ኃይል ከሚበላ በሜካኒካል ከሚነዳ ሱፐርቻርጀር በተለየ — ተርቦቻርጀር አለበለዚያ ይባክን ከነበረ የጭስ ማውጫ ጋዞች ኃይል ያወጣል። ከሁሉም በላይ፣ ተርባይኑ እነዚያን ጋዞች በከፍተኛ ሁኔታ አያቀዘቅዛቸውም፤ ይልቁንም ያቀዘቅዛቸዋል፣ በሂደቱም ኃይል ይመልሳል። ዋና ጥቅሞቹ የሚከተሉትን ያካትታሉ፦

• የሞተር ኃይል ~1.5% ብቻ በተርቦቻርጀሩ ራስ-አስተዳደር ይበላል
• የበለጠ የኃይል ውጤት ከትንሽ የሲሊንደር መጠን ሞተር
• የቀነሰ የግጭት ኪሳራ በቀለለ እና ይበልጥ የተጠቃለለ ሞተር ምክንያት
• የተሻለ የነዳጅ ብቃት ከተመጣጣኝ ኃይል ካለው በተፈጥሮ የሚተነፍስ ሞተር ጋር ሲነጻጸር
• ይበልጥ ንጹህ የጭስ ማውጫ፣ በተለይም ለዘመናዊ የዲዝል ሞተሮች ተገቢ

ፍጹም መፍትሄ ይመስላል — ግን ተርቦቻርጂንግ ሰፊ ተቀባይነቱን ለአስርት ዓመታት ያዘገዩ ከባድ የምህንድስና ፈተናዎች ይዞ መጥቷል።

ፈተናዎቹ፦ ከፍተኛ ሙቀት፣ ፍጥነት እና የተርቦ መዘግየት

ተርቦቻርጀሮች በጭካኔ በተሞላ ሁኔታ ይሰራሉ፦

• የተርባይን ሮተሮች እስከ 200,000 RPM ድረስ ሊሽከረከሩ ይችላሉ
• የጭስ ማውጫ ጋዝ ሙቀት እስከ 1,000°C (1,832°F) ሊደርስ ይችላል
• ክፍሎች በቀጣይ የሙቀትና የሜካኒካል ጫና ሥር መዋቅራዊ ጥንካሬና ትክክለኛ ልኬቶችን ማስጠበቅ አለባቸው

በዚህ ምክንያት፣ ተርቦቻርጂንግ ሰፊ ተቀባይነት ያገኘው በሁለተኛው የዓለም ጦርነት ጊዜ ብቻ ነው — እና መጀመሪያ የምህንድስና ኢንቨስትመንቱ ትክክለኛ በነበረበት በአቪዬሽን ብቻ። በ1950ዎቹ፣ Caterpillar ቴክኖሎጂውን ለትራክተሮቹ በተሳካ ሁኔታ አስማማ፣ Cummins ደግሞ የመጀመሪያዎቹን የተርቦዲዝል የጭነት መኪና ሞተሮች አዘጋጀ። ተርቦቻርጅ የተደረጉ የተሳፋሪ መኪኖች እስከ 1962 ድረስ አልመጡም፣ Oldsmobile Jetfire እና Chevrolet Corvair Monza ከሞላ ጎደል በተመሳሳይ ጊዜ ሲለቀቁ።

ከዘላቂነት ባሻገር፣ ለመኪኖች ልዩ የሆነ ሌላ ፈተና ነበር፦ የተርቦ መዘግየት። በዝቅተኛ የሞተር ፍጥነት፣ የጭስ ማውጫ ጋዝ መጠን ውስን ስለሆነ፣ ተርባይኑ ቀስ ብሎ ይሽከረከራል፣ ኮምፕረሰሩም ግፊትን ለማመንጨት ይታገላል። ሞተሩ ከ3,000 RPM በታች የዛለ ሊሰማ ይችላል፣ ከዚያ ድንገት ከ4,000–5,000 RPM በላይ በኃይል ይነሳል። ተርባይኑ ሲበልጥ፣ መዘግየቱ ይበልጥ ጎልቶ ይታያል። ትንንሽ ተርባይኖች መዘግየትን ይቀንሳሉ ግን ከፍተኛውን ኃይል ይሰዋሉ።

ዘመናዊ መፍትሄዎች፦ ምህንድሶች የተርቦ መዘግየትን እንዴት እንዳሸነፉ

በአስርት ዓመታት ውስጥ፣ ምህንድሶች የኃይል ጭማሪውን እየጠበቁ የተርቦ መዘግየትን ለመቀነስ በርካታ ብልህ መንገዶችን አዘጋጁ፦

• ተከታታይ ድርብ-ተርቦ (sequential twin-turbo)፦ ትንሽ፣ ዝቅተኛ ኢነርሺያ ያለው ተርቦቻርጀር ዝቅተኛ RPM ይይዛል፣ ትልቅ ክፍል ደግሞ በከፍተኛ RPM ይነሳል። በታዋቂው Porsche 959 ጥቅም ላይ ውሏል፣ ዛሬም በBMW እና Land Rover ተርቦዲዝሎች ይገኛል። የVolkswagen የቤንዚን ሞተሮች ለይበልጥ ፈጣን የዝቅተኛ ጫፍ ምላሽ ከትንሹ ተርቦ ይልቅ በቀበቶ የሚነዳ ሱፐርቻርጀር ይጠቀማሉ።
• ድርብ-ጥቅል ተርቦቻርጀር (twin-scroll)፦ ሁለት የተለያዩ የጭስ ማውጫ መግቢያዎች (ቮሉቶች) ያሉት አንድ ተርቦ ሲሆን፣ እያንዳንዱ በተለያየ የሲሊንደር ቡድን ይመገባል። ይህ ተርባይኑ በዝቅተኛም በከፍተኛም RPM በብቃት እንዲሽከረከር ያደርጋል፣ ሁለተኛ የተርቦ ክፍል ሳይጨምር መዘግየትን ይቀንሳል። በቀጥታ-ስድስት እና በአራት-ሲሊንደር ሞተሮች ውስጥ የተለመደ ነው።
• ትይዩ ድርብ-ተርቦ (parallel twin-turbo)፦ ሁለት ተመሳሳይ ተርቦቻርጀሮች የተለያዩ የሲሊንደር ብሎኮችን የሚያገለግሉ። በV-ቅርጽ ሞተሮች ውስጥ መደበኛ ነው፣ እያንዳንዱ ብሎክ የራሱ ክፍል ያገኛል። የBMW M ክፍል ይህንን በX5 M እና X6 M ላይ በብሎክ-መሻገሪያ የጭስ ማውጫ ማኒፎልድ የበለጠ ወሰደው፣ ይህም ድርብ-ጥቅል ኮምፕረሰር ከተቃራኒ የሲሊንደር ብሎኮች በተቃራኒ የማቃጠያ ምዕራፎች ጋዞችን እንዲስብ ፈቀደ።
• ተለዋዋጭ ጂኦሜትሪ ተርቦቻርጀር (VGT)፦ በተርባይን ቤት ውስጥ ያሉ ሊስተካከሉ የሚችሉ ቅጠሎች እንደ ሞተር ፍጥነት የጭስ ማውጫ ጋዞችን የፍሰት መንገድ ይቀይራሉ — በመሰረቱ ለተርቦው በእያንዳንዱ RPM ትክክለኛውን “መጠን” ይሰጡታል። መጀመሪያ በዲዝል ሞተሮች ላይ ተቀባይነት አግኝቶ ነበር (ዝቅተኛ የጭስ ማውጫ ሙቀት አተገባበሩን ቀላል ባደረገበት)፣ በመጨረሻም Porsche በ911 Turbo ወደ ቤንዚን ሞተሮች አምጥቶታል።

ተርቦቻርጂንግ ዛሬ፦ ከአፈጻጸም ወደ ብቃት

እንደ አቪዬሽን የምህንድስና ፈተና የጀመረው ነገር በዘመናዊ የመኪና ኃይል ማስተላለፊያ ሥርዓቶች ውስጥ የበላይ ቴክኖሎጂ ሆኗል። ዛሬ ተርቦቻርጂንግ ስለ አፈጻጸም ብቻ አይደለም — ለነዳጅ ኢኮኖሚና ለልቀት መስፈርቶች ማዕከላዊ ነው። በገበያ ላይ ያለ ከሞላ ጎደል እያንዳንዱ የዲዝል ሞተር “turbo” የሚለውን ቅድመ-ቅጥያ እንደተሰጠ ይዟል። በቤንዚን ዓለምም፣ ተርቦቻርጅ የተደረጉ ትንሽ የሲሊንደር መጠን ሞተሮች በዋና፣ በቅንጦትና በአፈጻጸም ክፍሎች ሁሉ ትልልቅ በተፈጥሮ የሚተነፍሱ ክፍሎችን በብዛት ተክተዋል።

ተራ በሚመስል መኪና ጀርባ ላይ ያለው ትንሹና ትሁቱ ምልክት ከአንድ ክፍለ ዘመን በላይ የሚዘልቅ ታሪክ ይነግራል — ከBüchi የ1905 የፈጠራ ባለቤትነት እስከ ዛሬ ድረስ ያሉ ድርብ-ጥቅል፣ ተለዋዋጭ-ጂኦሜትሪ ሥርዓቶች። ያ ታሪክም ገና አላለቀም።

ይህ ትርጉም ነው። ዋናውን እዚህ ማንበብ ይችላሉ፦ https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html