Turbodoldurmanın tarixi: turbolar avtomobil dünyasını necə dəyişdi

Yəqin ki, nə vaxtsa adi görünüşlü bir avtomobilin üzərində kiçik «turbo» nişanını görmüsünüz. İstehsalçılar bu emblemləri təvazökarcasına yerləşdirməyə meyllidirlər — ölçüsü kiçik, nəzərə çarpmayan yerlərdə gizlədilmiş. Məlumatsız adam üçün onun yanından sadəcə keçmək asandır. Lakin bilənlər üçün bu, dayanıb diqqət etməyə dəyər bir siqnaldır. Bəs bütün bu hay-küy nə üçündür? Budur turbodoldurmanın tam hekayəsi — o, haradan gəlib, necə işləyir və nə üçün əhəmiyyətlidir.

Mühəndislər nə üçün eyni mühərrikdən daha çox güc istəyirdilər

Avtomobil mühəndisliyinin ən erkən günlərindən bəri konstruktorlar bir sualla məşğul olublar: mühərrikdən necə daha çox güc almaq olar? Fizika qanunları aydın cavab verir — mühərrikin gücü hər iş dövründə yandırılan yanacağın miqdarı ilə düz mütənasibdir. Daha çox yandırılan yanacaq daha çox güc deməkdir. Nəzəri olaraq kifayət qədər sadədir. Lakin praktikada bu, daha mürəkkəbdir.

Əsas məhdudiyyət oksigendir. Yanacaq öz-özünə yanmır — o, yanacaq-hava qarışığının bir hissəsi kimi yanır. Və bu qarışıq göz qərarı ilə deyil, dəqiq balanslaşdırılmalıdır. Benzin mühərriki üçün ideal nisbət təxminən belədir:

• 1 hissə yanacaq — 14–15 hissə hava, iş rejimindən, yanacağın tərkibindən və digər dəyişənlərdən asılı olaraq

Bu o deməkdir ki, daha çox yanacaq yandırmaq istəyirsinizsə, əhəmiyyətli dərəcədə daha çox hava da təmin etməlisiniz. Adi, təbii sovurmalı mühərriklər havanı silindr ilə atmosfer arasındakı təzyiq fərqi vasitəsilə içəri çəkir. Nəticədə sərt bir hədd yaranır: silindrin həcmi nə qədər böyükdürsə, hər dövrdə bir o qədər çox oksigen daxil olur. XX əsrin ortalarının Amerika istehsalçıları bunu həddə çatdırdılar — yanacağa çox böyük iştahı olan nəhəng iş həcmli mühərriklər istehsal etdilər. Bəs eyni silindr həcminə daha çox hava ötürməyin daha ağıllı yolu var idimi?

Mexaniki kompressorun ixtirası: Qotlib Daymlerin nailiyyəti

Cavab tanış bir addan gəldi — Qotlib Vilhelm Daymler, DaimlerChrysler irsinin arxasında dayanan həmin alman mühəndis. Hələ 1885-ci ildə Daymler mexaniki ötürücülü kompressor istifadə edərək mühərrik silindrlərinə daha çox hava ötürmək üsulu hazırladı — mahiyyətcə bu, birbaşa mühərrikin dirsəkli valından güc alan və sıxılmış havanı silindrlərə ötürən bir kompressor (ventilyator) idi.

O işlədi. Lakin bir əhəmiyyətli çatışmazlığı var idi: kompressor özünü işə salmaq üçün enerjini birbaşa mühərrikdən oğurlayırdı. Mühəndislər bilirdilər ki, daha yaxşı bir yol olmalıdır.

Alfred Büxi və turbokompressorun doğulması (1905)

Səhnəyə Alfred Y. Büxi çıxdı — Sulzer Brothers şirkətində çalışan və orada dizel mühərriklərinin işləmələrinə rəhbərlik edən isveçrəli mühəndis və ixtiraçı. Büxi iki cəbhədə narazı idi:

• O dövrün dizel mühərrikləri böyük, ağır və az güclü idi
• Mexaniki kompressorlar mühərrikin özünü hərəkətə gətirmək üçün ehtiyac duyduğu enerjini ondan alırdı

1905-ci ildə Büxi radikal bir həll patentləşdirdi: mühərrikin dirsəkli valından deyil, öz işlənmiş qazları ilə işə salınan doldurucu qurğu. Bu, dünyanın ilk turbokompressoru idi.

Turbokompressor necə işləyir

Turbodoldurmanın arxasındakı anlayış zərif dərəcədə sadədir. Budur əsas prinsip, addım-addım:

1. İsti işlənmiş qazlar mühərrikdən çıxır və turbin korpusuna axır
2. Bu qazlar pərli çarxı — turbin rotorunu — küləyin yel dəyirmanını fırlatdığı kimi, lakin həddindən artıq sürətlə fırladır
3. Turbin rotoru kompressor çarxı ilə eyni val üzərində quraşdırılıb
4. Turbin fırlandıqca kompressoru hərəkətə gətirir və bu da sıxılmış havanı silindrlərə ötürür
5. Silindrlərdə daha çox hava daha çox yanacağın yandırıla bilməsi deməkdir — nəticədə daha böyük güc verir

«Turbokompressor» sözünün özü latın turbo (burulğan) və compressio (sıxılma) köklərindən gəlir — içəridə baş verənlərin yerinə düşən təsviri.

İnterkulerin rolu

Tapmacanın bir parçası da var. Hava kompressordan keçərkən və turbokompressorun isti hissələri tərəfindən qızdırıldıqca genişlənir — yəni eyni həcmə daha az oksigen sığır. Buna qarşı durmaq üçün turbodoldurmalı mühərriklər interkuler istifadə edir: kompressor ilə mühərrik silindrləri arasındakı hava yolunda yerləşdirilmiş radiator.

İnterkulerin işi sadə, lakin həlledicidir:

• O, sıxılmış havanı silindrlərə daxil olmazdan əvvəl soyudur
• Daha soyuq hava daha sıxdır, yəni eyni sahəyə daha çox oksigen molekulu sığır
• Bu, daha yüksək doldurma təzyiqinə — və daha böyük güc artımına imkan verir
• O, həmçinin mühərrikin detonasiyasının (vaxtından əvvəl partlamanın) qarşısını almağa kömək edir, xüsusən yüksək məhsuldarlıqlı tətbiqlərdə

Turbodoldurmanın təbii sovurmaya nisbətən əsas üstünlükləri

Turbodoldurmadan əldə edilən səmərəlilik artımı əhəmiyyətlidir. İşləmək üçün mühərrik gücünü sərf edən mexaniki kompressordan fərqli olaraq, turbokompressor başqa halda boşa gedəcək işlənmiş qazlardan enerji çıxarır. Ən vacibi, turbin həmin qazları əhəmiyyətli dərəcədə yavaşıtmır; əksinə, onları soyudur və bu prosesdə enerjini bərpa edir. Əsas üstünlüklərə bunlar daxildir:

• Mühərrik enerjisinin yalnız ~1,5%-i turbokompressorun öz-özünə xidmət göstərməsinə sərf olunur
• Daha kiçik iş həcmli mühərrikdən daha yüksək güc
• Daha yüngül, daha yığcam mühərrik sayəsində sürtünmə itkilərinin azalması
• Eyni güclü təbii sovurmalı mühərriklə müqayisədə daha yaxşı yanacaq qənaəti
• Daha təmiz işlənmiş qazlar, xüsusən müasir dizel mühərrikləri üçün aktualdır

Mükəmməl bir həll kimi səslənir — lakin turbodoldurma onun geniş tətbiqini onilliklərlə gecikdirən ciddi mühəndislik problemləri ilə müşayiət olunurdu.

Problemlər: həddindən artıq istilik, sürət və turbo gecikmə

Turbokompressorlar amansız şəraitdə işləyir:

• Turbin rotorları dəqiqədə 200,000 dövrəyə qədər fırlana bilər
• İşlənmiş qazların temperaturu 1,000°C-yə (1,832°F) çata bilər
• Hissələr fasiləsiz istilik və mexaniki gərginlik altında struktur bütövlüyünü və dəqiq tolerantlığı qoruyub saxlamalıdır

Buna görə də turbodoldurma yalnız İkinci Dünya Müharibəsi dövründə geniş yayıldı — və əvvəlcə yalnız mühəndislik investisiyasının özünü doğrultduğu aviasiyada. 1950-ci illərdə Caterpillar texnologiyanı öz traktorları üçün uğurla uyğunlaşdırdı, Cummins isə ilk turbodizel yük maşını mühərriklərini hazırladı. Turbodoldurmalı minik avtomobilləri 1962-ci ilə qədər ortaya çıxmadı — həmin il Oldsmobile Jetfire və Chevrolet Corvair Monza demək olar ki, eyni vaxtda təqdim edildi.

Davamlılıqdan başqa, avtomobillərə xas başqa bir problem də var idi: turbo gecikmə. Mühərrikin aşağı dövrlərində işlənmiş qazların həcmi məhduddur, ona görə də turbin yavaş fırlanır və kompressor çətinliklə təzyiq yaradır. Mühərrik dəqiqədə 3,000 dövrdən aşağıda ləng hiss oluna, sonra isə dəqiqədə 4,000–5,000 dövrdən yuxarıda qəfildən güclə coşa bilər. Turbin nə qədər böyükdürsə, gecikmə bir o qədər nəzərə çarpır. Daha kiçik turbinlər gecikməni azaldır, lakin pik gücdən güzəştə gedir.

Müasir həllər: mühəndislər turbo gecikməni necə dəf etdilər

Onilliklər ərzində mühəndislər güc artımını qoruyub saxlamaqla turbo gecikməni minimuma endirmək üçün bir neçə ağıllı yanaşma hazırladılar:

• Ardıcıl ikiqat turbo (sequential twin-turbo): Kiçik, aşağı ətalətli turbokompressor aşağı dövrləri idarə edir, daha böyük qurğu isə yüksək dövrlərdə işə düşür. Əfsanəvi Porsche 959-da istifadə olunub, bu gün isə BMW və Land Rover turbodizellərində rast gəlinir. Volkswagen-in benzin mühərrikləri aşağı dövrlərdə daha sürətli reaksiya üçün kiçik turbinin əvəzinə qayışla işləyən mexaniki kompressor istifadə edir.
• İkiqat spiralvari turbokompressor (twin-scroll): Hər biri fərqli silindr qrupundan qidalanan iki ayrı işlənmiş qaz girişi (spiral kanal) olan tək turbo. Bu, turbini həm aşağı, həm də yüksək dövrlərdə səmərəli fırlanan saxlayır, ikinci turbo qurğusu əlavə etmədən gecikməni azaldır. Sıralı altı silindrli və dörd silindrli mühərriklərdə geniş yayılıb.
• Paralel ikiqat turbo (parallel twin-turbo): Ayrı silindr sıralarına xidmət edən iki eyni turbokompressor. Hər sıranın öz qurğusunu aldığı V-formalı mühərriklərdə standartdır. BMW-nin M bölməsi bunu X5 M və X6 M-də sıralararası işlənmiş qaz kollektoru ilə daha da irəli apardı və beləliklə ikiqat spiralvari kompressora əks alışma fazalarında əks silindr sıralarından qaz çəkməyə imkan verdi.
• Dəyişən həndəsəli turbokompressor (VGT): Turbin korpusunun içindəki tənzimlənən pərlər mühərrikin sürətindən asılı olaraq işlənmiş qazların axın yolunu dəyişir — beləliklə hər dövrdə turboya düzgün «ölçü» verir. İlk dəfə dizel mühərriklərində tətbiq olundu (burada işlənmiş qazların daha aşağı temperaturu tətbiqi asanlaşdırırdı), nəhayət Porsche tərəfindən 911 Turbo ilə benzin mühərriklərinə gətirildi.

Bu gün turbodoldurma: məhsuldarlıqdan səmərəliliyə

Aviasiya mühəndisliyi problemi kimi başlayan şey müasir avtomobil güc aqreqatlarında hökmran texnologiyaya çevrildi. Bu gün turbodoldurma artıq yalnız məhsuldarlıq haqqında deyil — o, yanacaq qənaəti və emissiya standartları üçün mərkəzi əhəmiyyət daşıyır. Bazardakı demək olar ki, hər dizel mühərriki «turbo» önşəkilçisini olduğu kimi qəbul edilən bir şey kimi daşıyır. Benzin dünyasında isə turbodoldurmalı kiçik iş həcmli mühərriklər kütləvi, lüks və sport seqmentlərinin hamısında daha böyük təbii sovurmalı qurğuları əsasən əvəz etdi.

Adi görünüşlü bir avtomobilin arxasındakı təvazökar kiçik nişan bir əsrdən çox müddəti əhatə edən hekayəni danışır — Büxinin 1905-ci il patentindən bu günün ikiqat spiralvari, dəyişən həndəsəli sistemlərinə qədər. Və bu hekayə hələ bitməyib.

Bu, tərcümədir. Orijinalı burada oxuya bilərsiniz: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html