Историята на турбокомпресора: Как турбините промениха автомобилния свят

Вероятно сте забелязвали малка емблема „турбо” на иначе напълно обикновено изглеждащ автомобил. Производителите обикновено я поставят скромно — малка по размер, на незабележими места. За неосведомените е лесно да минат покрай нея. Но за тези, които са в течение, това е сигнал, заслужаващ внимание. И така, за какво всъщност се вдига шум? Ето пълната история зад турбокомпресирането — откъде произхожда, как работи и защо е важно.

Защо инженерите се нуждаеха от повече мощност от същия двигател

От най-ранните дни на автомобилното инженерство конструкторите са обсебени от един въпрос: как да извлекат повече мощност от двигателя? Законите на физиката дават ясен отговор — мощността на двигателя е правопропорционална на количеството гориво, изгорено във всеки работен цикъл. Повече изгорено гориво означава повече мощност. Достатъчно просто на теория. Но на практика е далеч по-сложно.

Ключното ограничение е кислородът. Горивото не гори само по себе си — то гори като част от горивно-въздушна смес. И тази смес трябва да е прецизно балансирана, а не приблизително оценена. За бензинов двигател идеалното съотношение е приблизително:

• 1 част гориво към 14–15 части въздух, в зависимост от режима на работа, състава на горивото и други фактори

Това означава, че ако искате да изгорите повече гориво, трябва да осигурите и значително повече въздух. Конвенционалните атмосферни двигатели всмукват въздух чрез разликата в налягането между цилиндъра и атмосферата. Резултатът е твърдо ограничение: колкото по-голям е обемът на цилиндъра, толкова повече кислород влиза за цикъл. Американските производители от средата на 20-ти век доведоха това до крайност, произвеждайки двигатели с огромен работен обем и гигантски разход на гориво. Но имаше ли по-умен начин да се вкара повече въздух в същия обем на цилиндъра?

Изобретяването на компресора: Пробивът на Готлиб Даймлер

Отговорът дойде от познато име — Готлиб Вилхелм Даймлер, същият немски инженер, стоящ зад наследството на DaimlerChrysler. През 1885 г. Даймлер разработва метод за нагнетяване на повече въздух в цилиндрите на двигателя с помощта на механично задвижван компресор — по същество компресор (вентилатор), задвижван директно от колянчатия вал на двигателя, който нагнетявал компресиран въздух в цилиндрите.

Работеше. Но имаше един съществен недостатък: компресорът директно отнемаше енергия от двигателя, за да се задвижва. Инженерите знаеха, че трябва да съществува по-добро решение.

Алфред Бюхи и раждането на турбокомпресора (1905)

На сцената излиза Алфред Й. Бюхи, швейцарски инженер и изобретател, работещ в Sulzer Brothers, където ръководи разработката на дизелови двигатели. Бюхи изпитваше неудовлетворение на два фронта:

• Дизеловите двигатели от онази епоха бяха големи, тежки и слабомощни
• Механичните компресори отнемаха от двигателя енергията, необходима за неговото задвижване

През 1905 г. Бюхи патентова радикално решение: нагнетателно устройство, задвижвано не от колянчатия вал на двигателя, а от собствените му отработили газове. Това беше първият турбокомпресор в света.

Как работи турбокомпресорът

Концепцията зад турбокомпресирането е елегантно проста. Ето основния принцип, стъпка по стъпка:

1. Горещите отработили газове излизат от двигателя и постъпват в корпуса на турбината
2. Тези газове завъртат облопатено колело — ротора на турбината — подобно на вятър, завъртащ вятърна мелница, но при изключителни скорости
3. Роторът на турбината е монтиран на същия вал като компресорното колело
4. Докато турбината се върти, тя задвижва компресора, който нагнетява компресиран въздух в цилиндрите
5. Повече въздух в цилиндрите означава, че може да се изгори повече гориво — което води до по-голяма изходна мощност

Самата дума „турбокомпресор” произлиза от латинските корени turbo (вихър) и compressio (компресия) — подходящо описание на процесите, случващи се вътре.

Ролята на интеркулера

Съществува още едно важно звено. Тъй като въздухът преминава през компресора и се загрява от горещите компоненти на турбокомпресора, той се разширява — което означава, че по-малко кислород се побира в същия обем. За да се противодейства на това, двигателите с турбокомпресор използват интеркулер: радиатор, поставен в пътя на въздуха между компресора и цилиндрите на двигателя.

Задачата на интеркулера е проста, но критична:

• Охлажда компресирания въздух преди да постъпи в цилиндрите
• По-студеният въздух е по-плътен, което означава, че повече молекули кислород се побират в същото пространство
• Това позволява още по-висока мощност на наддуване — и още по-голямо увеличение на мощността
• Помага и за предотвратяване на детонация (преждевременно запалване), особено при високоефективни приложения

Ключови предимства на турбокомпресирането пред естественото засмукване

Ефективността, постигана чрез турбокомпресиране, е значителна. За разлика от механично задвижвания компресор — който изразходва мощността на двигателя за работа — турбокомпресорът извлича енергия от отработилите газове, която иначе би се загубила. Важното е, че турбината не забавя значително тези газове; вместо това ги охлажда, оползотворявайки енергията в процеса. Основните предимства включват:

• Само ~1,5% от енергията на двигателя се изразходва от турбокомпресора за собственото му поддържане
• По-висока изходна мощност от двигател с по-малък работен обем
• Намалени загуби от триене поради по-лек и компактен двигател
• По-добра горивна ефективност в сравнение с атмосферен двигател с еквивалентна мощност
• По-чисти отработили газове, особено актуално за съвременните дизелови двигатели

Звучи като идеалното решение — но турбокомпресирането идваше с сериозни инженерни предизвикателства, забавили широкото му разпространение с десетилетия.

Предизвикателствата: Екстремни температури, скорости и турбозакъснение

Турбокомпресорите работят при тежки условия:

• Роторите на турбините могат да се въртят до 200 000 об/мин
• Температурите на отработилите газове могат да достигнат 1 000°C (1 832°F)
• Компонентите трябва да запазват структурната си цялост и прецизни допуски при постоянно топлинно и механично натоварване

Поради това турбокомпресирането стана широко разпространено едва по времето на Втората световна война — и първоначално само в авиацията, където инженерните инвестиции бяха оправдани. През 50-те години Caterpillar успешно адаптира технологията за тракторите си, докато Cummins разработи първите турбодизелови двигатели за камиони. Турбокомпресираните леки автомобили не се появиха до 1962 г., когато Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza бяха пуснати почти едновременно.

Освен издръжливостта, съществуваше още едно предизвикателство, характерно за автомобилите: турбозакъснението. При ниски обороти на двигателя обемът на отработилите газове е ограничен, така че турбината се върти бавно и компресорът едва изгражда налягане. Двигателят може да се усети бавен под 3 000 об/мин, след което изведнъж да нахлуе с мощност над 4 000–5 000 об/мин. Колкото по-голяма е турбината, толкова по-изразено е закъснението. По-малките турбини намаляват закъснението, но жертват пиковата мощност.

Съвременни решения: Как инженерите победиха турбозакъснението

В продължение на десетилетия инженерите разработиха няколко интелигентни подхода за минимизиране на турбозакъснението при запазване на мощностните придобивки:

• Последователна двойна турбина (Sequential twin-turbo): Малка турбина с ниска инерция управлява ниски обороти, докато по-голяма единица се включва при високи обороти. Използвана в легендарния Porsche 959, а днес се среща в турбодизелите на BMW и Land Rover. Бензиновите двигатели на Volkswagen използват ремъчно задвижван компресор вместо малката турбина за още по-бърз отклик при ниски обороти.
• Двупроходна турбина (Twin-scroll turbocharger): Единична турбина с два отделни изхода за отработили газове (волюта), всеки захранван от различна група цилиндри. Това поддържа ефективното въртене на турбината при ниски и при високи обороти, намалявайки закъснението без добавяне на втора турбинна единица. Разпространена в редни шест- и четирицилиндрови двигатели.
• Паралелна двойна турбина (Parallel twin-turbo): Два идентични турбокомпресора, обслужващи отделни редове цилиндри. Стандартно за двигатели с V-образно разположение, при които всеки ред получава своя собствена единица. M отделението на BMW отиде по-далеч с напречен изпускателен колектор на X5 M и X6 M, позволявайки на двупроходния компресор да извлича газове от противоположни редове цилиндри в противоположни фази на запалване.
• Турбокомпресор с променлива геометрия (VGT): Регулируеми лопатки вътре в корпуса на турбината променят пътя на отработилите газове в зависимост от оборотите на двигателя — ефективно давайки на турбината правилния „размер” при всеки режим. Първо приет при дизеловите двигатели (където по-ниските температури на отработилите газове улесняват изпълнението), и в крайна сметка пренесен към бензиновите двигатели от Porsche с модела 911 Turbo.

Турбокомпресирането днес: От ефективност до икономичност

Това, което започна като авиационно инженерно предизвикателство, се превърна в доминиращата технология в съвременните автомобилни силови агрегати. Днес турбокомпресирането вече не е само въпрос на мощност — то е от ключово значение за горивната икономичност и стандартите за емисии. Почти всеки дизелов двигател на пазара носи префикса „турбо” като нещо само по себе си разбиращо се. А в бензиновия свят турбокомпресираните двигатели с малък работен обем до голяма степен са заменили по-големите атмосферни агрегати в масовия, луксозния и спортния сегмент.

Скромната малка емблема на задната страна на иначе напълно обикновен автомобил разказва история, обхващаща повече от век — от патента на Бюхи от 1905 г. до двупроходните системи с променлива геометрия на днешния ден. И тази история все още не е приключила.

Това е превод. Оригиналът можете да прочетете тук: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html