Гісторыя турбанадзуву: як турбіны змянілі аўтамабільны свет

Напэўна, вы калі-небудзь заўважалі невялікі значок «turbo» на звычайным з выгляду аўтамабілі. Вытворцы звычайна размяшчаюць гэтыя эмблемы сціпла — невялікага памеру, у непрыкметных месцах. Для недасведчанага чалавека прайсці міма іх лёгка. Але для тых, хто разбіраецца, гэта сігнал, дзеля якога варта спыніцца. Дык чаму ж усе так хвалююцца? Вось поўная гісторыя турбанадзуву — адкуль ён узяўся, як працуе і чаму гэта важна.

Чаму інжынерам спатрэбілася больш магутнасці ад таго самага рухавіка

З самых першых дзён аўтамабілебудавання канструктары былі апантаныя адным пытаннем: як атрымаць больш магутнасці ад рухавіка? Законы фізікі даюць выразны адказ — магутнасць рухавіка прама прапарцыйная колькасці паліва, спаленага за кожны рабочы цыкл. Больш спаленага паліва — больш магутнасці. У тэорыі дастаткова проста. Але на практыцы ўсё нашмат складаней.

Галоўнае абмежаванне — кісларод. Паліва не гарыць само па сабе — яно гарыць як частка паліўна-паветранай сумесі. І гэтая сумесь павінна быць збалансаваная дакладна, а не вызначана на вока. Для бензінавага рухавіка ідэальная прапорцыя прыкладна такая:

• 1 частка паліва на 14–15 частак паветра, у залежнасці ад рэжыму работы, складу паліва і іншых зменных

Гэта азначае, што калі вы хочаце спаліць больш паліва, вам трэба таксама падаваць значна больш паветра. Звычайныя атмасферныя рухавікі засмоктваюць паветра дзякуючы рознасці ціску паміж цыліндрам і атмасферай. Вынік — жорсткае абмежаванне: чым большы аб’ём цыліндра, тым больш кіслароду паступае за цыкл. Амерыканскія вытворцы сярэдзіны XX стагоддзя давялі гэта да крайнасці, выпускаючы рухавікі велізарнага аб’ёму з велізарным апетытам да паліва. Але ці быў разумнейшы спосаб уціснуць больш паветра ў той самы аб’ём цыліндра?

Вынаходства прыводнага нагнятальніка: прарыў Готліба Даймлера

Адказ прыйшоў ад знаёмага імя — Готліба Вільгельма Даймлера, таго самага нямецкага інжынера, які стаіць за спадчынай DaimlerChrysler. Яшчэ ў 1885 годзе Даймлер распрацаваў метад прымусовай падачы большай колькасці паветра ў цыліндры рухавіка з дапамогай механічна прыводнага нагнятальніка — па сутнасці кампрэсара (вентылятара), які прыводзіўся ў дзеянне непасрэдна каленчатым валам рухавіка і нагнятаў сціснутае паветра ў цыліндры.

Гэта працавала. Але меўся адзін значны недахоп: кампрэсар забіраў энергію непасрэдна ад рухавіка, каб сілкаваць самога сябе. Інжынеры разумелі, што павінен быць лепшы спосаб.

Альфрэд Бюхі і нараджэнне турбакампрэсара (1905)

На сцэну выходзіць Альфрэд Й. Бюхі, швейцарскі інжынер і вынаходнік, які працаваў у кампаніі Sulzer Brothers, дзе ўзначальваў распрацоўку дызельных рухавікоў. Бюхі расчароўвалі дзве рэчы:

• Дызельныя рухавікі той эпохі былі вялікімі, цяжкімі і маламагутнымі
• Механічныя нагнятальнікі адбіралі ў рухавіка энергію, неабходную яму для ўласнай работы

У 1905 годзе Бюхі запатэнтаваў радыкальнае рашэнне: надзіманую прыладу, якая прыводзілася ў дзеянне не каленчатым валам рухавіка, а яго ўласнымі выхлапнымі газамі. Гэта быў першы ў свеце турбакампрэсар.

Як працуе турбакампрэсар

Канцэпцыя турбанадзуву на дзіва простая. Вось асноўны прынцып, крок за крокам:

1. Гарачыя выхлапныя газы выходзяць з рухавіка і паступаюць у корпус турбіны
2. Гэтыя газы раскручваюць лопасцевае кола — ротар турбіны — гэтак жа, як вецер круціць ветрак, але на надзвычайнай хуткасці
3. Ротар турбіны замацаваны на тым самым вале, што і кола кампрэсара
4. Калі турбіна круціцца, яна прыводзіць у дзеянне кампрэсар, які нагнятае сціснутае паветра ў цыліндры
5. Больш паветра ў цыліндрах азначае, што можна спаліць больш паліва — што дае большую магутнасць

Само слова «турбакампрэсар» паходзіць ад лацінскіх каранёў turbo (віхор) і compressio (сцісканне) — трапнае апісанне таго, што адбываецца ўнутры.

Роля інтэркулера

Ёсць яшчэ адна частка галаваломкі. Калі паветра праходзіць праз кампрэсар і награваецца гарачымі дэталямі турбакампрэсара, яно пашыраецца — а значыць, у той самы аб’ём змяшчаецца менш кіслароду. Каб гэтаму супрацьдзейнічаць, турбіраваныя рухавікі выкарыстоўваюць інтэркулер: радыятар, размешчаны на шляху паветра паміж кампрэсарам і цыліндрамі рухавіка.

Задача інтэркулера простая, але крытычна важная:

• Ён астуджае сціснутае паветра перад тым, як яно паступіць у цыліндры
• Больш халоднае паветра шчыльнейшае, а значыць, у той самы аб’ём змяшчаецца больш малекул кіслароду
• Гэта дазваляе яшчэ вышэйшы ціск надзуву — і яшчэ большы прырост магутнасці
• Таксама гэта дапамагае прадухіліць дэтанацыю рухавіка (заўчаснае ўзгаранне), асабліва ў высокаэфектыўных прымяненнях

Асноўныя перавагі турбанадзуву ў параўнанні з атмасферным рухавіком

Прырост эфектыўнасці ад турбанадзуву істотны. У адрозненне ад механічна прыводнага нагнятальніка — які спажывае магутнасць рухавіка для сваёй работы — турбакампрэсар здабывае энергію з выхлапных газаў, якая інакш была б страчана. Прынцыпова важна, што турбіна не запавольвае гэтыя газы значна; замест гэтага яна іх астуджае, аднаўляючы энергію ў працэсе. Асноўныя перавагі ўключаюць:

• Толькі каля 1,5% энергіі рухавіка спажываецца на самаабслугоўванне турбакампрэсара
• Большая магутнасць ад рухавіка меншага аб’ёму
• Зніжэнне страт на трэнне дзякуючы больш лёгкаму і кампактнаму рухавіку
• Лепшая паліўная эканомнасць у параўнанні з атмасферным рухавіком эквівалентнай магутнасці
• Чысцейшы выхлап, што асабліва актуальна для сучасных дызельных рухавікоў

Гучыць як ідэальнае рашэнне — але турбанадзуў меў сур’ёзныя інжынерныя праблемы, якія на дзесяцігоддзі затрымалі яго шырокае ўкараненне.

Праблемы: экстрэмальная тэмпература, хуткасць і турбаяма

Турбакампрэсары працуюць у жорсткіх умовах:

• Ротары турбіны могуць круціцца са хуткасцю да 200 000 аб/хв
• Тэмпература выхлапных газаў можа дасягаць 1000 °C (1832 °F)
• Дэталі павінны захоўваць структурную цэласнасць і дакладныя допускі пры пастаянных цеплавых і механічных нагрузках

З-за гэтага турбанадзуў атрымаў шырокае распаўсюджванне толькі падчас Другой сусветнай вайны — і спачатку толькі ў авіяцыі, дзе інжынерныя ўкладанні былі апраўданыя. У 1950-я гады кампанія Caterpillar паспяхова адаптавала тэхналогію для сваіх трактароў, а Cummins распрацавала першыя турбадызельныя рухавікі для грузавікоў. Турбіраваныя легкавыя аўтамабілі з’явіліся толькі ў 1962 годзе, калі амаль адначасова выйшлі Oldsmobile Jetfire і Chevrolet Corvair Monza.

Акрамя даўгавечнасці, была яшчэ адна праблема, унікальная для аўтамабіляў: турбаяма. На нізкіх абаротах рухавіка аб’ём выхлапных газаў абмежаваны, таму турбіна круціцца павольна, а кампрэсар амаль не стварае ціску. Рухавік можа адчувацца вялым ніжэй за 3000 аб/хв, а потым раптоўна выдаваць магутнасць вышэй за 4000–5000 аб/хв. Чым большая турбіна, тым больш выяўленая яма. Меншыя турбіны памяншаюць яму, але ахвяруюць пікавай магутнасцю.

Сучасныя рашэнні: як інжынеры перамаглі турбаяму

За дзесяцігоддзі інжынеры распрацавалі некалькі дасціпных падыходаў, каб мінімізаваць турбаяму, захаваўшы прырост магутнасці:

• Паслядоўны бітурба: Невялікі турбакампрэсар з нізкай інерцыяй абслугоўвае нізкія абароты, а большы ўключаецца на высокіх абаротах. Выкарыстоўваўся ў легендарным Porsche 959, а сёння сустракаецца ў турбадызелях BMW і Land Rover. Бензінавыя рухавікі Volkswagen выкарыстоўваюць прыводны нагнятальнік з раменным прывадам замест малой турбіны для яшчэ хутчэйшага водгуку на нізах.
• Twin-scroll турбакампрэсар: Адзін турба з двума асобнымі ўпускнымі каналамі (равушкамі), кожны з якіх сілкуецца ад асобнай групы цыліндраў. Гэта дазваляе турбіне эфектыўна круціцца як на нізкіх, так і на высокіх абаротах, памяншаючы яму без дадання другога турба. Распаўсюджаны ў радных шасціцыліндравых і чатырохцыліндравых рухавіках.
• Паралельны бітурба: Два аднолькавыя турбакампрэсары, якія абслугоўваюць асобныя шэрагі цыліндраў. Стандартны для рухавікоў V-вобразнай канфігурацыі, дзе кожны шэраг атрымлівае свой уласны блок. Падраздзяленне M кампаніі BMW пайшло яшчэ далей, усталяваўшы перакрыжаваны выпускны калектар на X5 M і X6 M, што дазволіла twin-scroll кампрэсару забіраць газы з процілеглых шэрагаў цыліндраў у процілеглых фазах запальвання.
• Турбакампрэсар са зменнай геаметрыяй (VGT): Рэгуляваныя лопасці ўнутры корпуса турбіны змяняюць шлях патоку выхлапных газаў у залежнасці ад абаротаў рухавіка — фактычна надаючы турбіне патрэбны «памер» на кожных абаротах. Упершыню прыменены на дызельных рухавіках (дзе ніжэйшыя тэмпературы выхлапу палегчылі рэалізацыю), а ў выніку прынесены на бензінавыя рухавікі кампаніяй Porsche з 911 Turbo.

Турбанадзуў сёння: ад магутнасці да эфектыўнасці

Тое, што пачыналася як выклік авіяцыйнай інжынерыі, стала дамінуючай тэхналогіяй у сучасных аўтамабільных сілавых агрэгатах. Сёння турбанадзуў — гэта ўжо не толькі пра магутнасць, ён цэнтральны для эканоміі паліва і нормаў выкідаў. Амаль кожны дызельны рухавік на рынку нясе прыстаўку «турба» як належнае. А ў свеце бензінавых рухавікоў турбіраваныя рухавікі малога аб’ёму ў значнай ступені выцеснілі большыя атмасферныя агрэгаты ва ўсіх сегментах — масавым, прэміяльным і спартыўным.

Сціплы значок на задняй частцы звычайнага з выгляду аўтамабіля распавядае гісторыю, якая ахоплівае больш за стагоддзе — ад патэнта Бюхі 1905 года да сучасных сістэм twin-scroll са зменнай геаметрыяй. І гэтая гісторыя яшчэ не скончана.

Гэта пераклад. Арыгінал можна прачытаць тут: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html