Η Ιστορία του Turbocharging: Πώς τα Turbo Άλλαξαν τον Κόσμο της Αυτοκίνησης

Πιθανόν να έχετε παρατηρήσει κάποια στιγμή ένα μικρό σήμα «turbo» σε ένα κατά τα άλλα συνηθισμένο αυτοκίνητο. Οι κατασκευαστές τείνουν να τοποθετούν αυτά τα εμβλήματα διακριτικά — μικρά σε μέγεθος, κρυμμένα σε αφανή σημεία. Για τους αμύητους, είναι εύκολο να περάσουν δίπλα χωρίς να τα προσέξουν. Αλλά για τους γνώστες, είναι ένα σήμα που αξίζει να σταματήσουν. Τι είναι λοιπόν αυτός ο αναβρασμός; Εδώ είναι η πλήρης ιστορία πίσω από το turbocharging — από πού προήλθε, πώς λειτουργεί και γιατί έχει σημασία.

Γιατί οι Μηχανικοί Χρειάζονταν Περισσότερη Ισχύ από τον Ίδιο Κινητήρα

Από τις πρώτες μέρες της αυτοκινητιστικής μηχανικής, οι σχεδιαστές ήταν εμμονικοί με ένα ερώτημα: πώς αντλείτε περισσότερη ισχύ από έναν κινητήρα; Οι νόμοι της φυσικής δίνουν μια σαφή απάντηση — η ισχύς του κινητήρα είναι ευθέως ανάλογη της ποσότητας καυσίμου που καίγεται σε κάθε κύκλο λειτουργίας. Περισσότερο καύσιμο που καίγεται ισούται με περισσότερη ισχύ. Απλό στη θεωρία. Στην πράξη, όμως, είναι πολύ πιο περίπλοκο.

Ο βασικός περιορισμός είναι το οξυγόνο. Το καύσιμο δεν καίγεται από μόνο του — καίγεται ως μέρος ενός μείγματος καυσίμου-αέρα. Και αυτό το μείγμα πρέπει να είναι ακριβώς ισορροπημένο, όχι εκτιμημένο στο μάτι. Για έναν βενζινοκινητήρα, η ιδανική αναλογία είναι περίπου:

• 1 μέρος καυσίμου σε 14–15 μέρη αέρα, ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας, τη σύσταση του καυσίμου και άλλες μεταβλητές

Αυτό σημαίνει ότι αν θέλετε να κάψετε περισσότερο καύσιμο, πρέπει επίσης να παρέχετε σημαντικά περισσότερο αέρα. Οι συμβατικοί ατμοσφαιρικοί κινητήρες αναρροφούν αέρα μέσω της διαφοράς πίεσης μεταξύ του κυλίνδρου και της ατμόσφαιρας. Το αποτέλεσμα είναι ένα σκληρό όριο: όσο μεγαλύτερος ο κυβισμός, τόσο περισσότερο οξυγόνο εισέρχεται ανά κύκλο. Οι Αμερικανοί κατασκευαστές της μέσης του 20ού αιώνα το έφεραν στα άκρα, παράγοντας κινητήρες τεράστιου κυβισμού με ανάλογη κατανάλωση καυσίμου. Αλλά υπήρχε πιο έξυπνος τρόπος να ωθήσουμε περισσότερο αέρα στον ίδιο κυβισμό;

Η Εφεύρεση του Υπερσυμπιεστή: Η Ανακάλυψη του Gottlieb Daimler

Η απάντηση ήρθε από ένα γνώριμο όνομα — τον Gottlieb Wilhelm Daimler, τον ίδιο Γερμανό μηχανικό πίσω από την κληρονομιά της DaimlerChrysler. Το 1885, ο Daimler ανέπτυξε μια μέθοδο για να εισάγει περισσότερο αέρα στους κυλίνδρους του κινητήρα χρησιμοποιώντας έναν μηχανικά κινούμενο υπερσυμπιεστή — ουσιαστικά έναν συμπιεστή (ανεμιστήρα) που τροφοδοτείται απευθείας από τον στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα, ο οποίος ωθούσε συμπιεσμένο αέρα στους κυλίνδρους.

Λειτούργησε. Αλλά είχε ένα σημαντικό μειονέκτημα: ο συμπιεστής έκλεβε ενέργεια απευθείας από τον κινητήρα για να τροφοδοτήσει τον εαυτό του. Οι μηχανικοί ήξεραν ότι έπρεπε να υπάρχει καλύτερος τρόπος.

Ο Alfred Büchi και η Γέννηση του Turbocharger (1905)

Ο Alfred J. Büchi, ένας Ελβετός μηχανικός και εφευρέτης που εργαζόταν στην εταιρεία Sulzer Brothers, ηγείτο της ανάπτυξης ντιζελοκινητήρων. Ο Büchi ήταν απογοητευμένος σε δύο επίπεδα:

• Οι ντιζελοκινητήρες της εποχής ήταν μεγάλοι, βαρείς και αδύναμοι
• Οι μηχανικοί υπερσυμπιεστές έκλεβαν ενέργεια από τον κινητήρα που χρειαζόταν για να κινεί τον εαυτό του

Το 1905, ο Büchi κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μια ριζοσπαστική λύση: μια συσκευή φόρτισης που τροφοδοτείται όχι από τον στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα, αλλά από τα δικά του καυσαέρια. Αυτός ήταν ο πρώτος turbocharger στον κόσμο.

Πώς Λειτουργεί ένας Turbocharger

Η ιδέα πίσω από το turbocharging είναι κομψά απλή. Εδώ είναι η βασική αρχή, βήμα προς βήμα:

1. Τα καυτά καυσαέρια εξέρχονται από τον κινητήρα και ρέουν μέσα στο κέλυφος της στροβιλίδας
2. Αυτά τα αέρια περιστρέφουν ένα φτερωτό τροχό — τον ρότορα της στροβιλίδας — όπως ο άνεμος γυρίζει έναν ανεμόμυλο, αλλά σε ακραία ταχύτητα
3. Ο ρότορας της στροβιλίδας είναι τοποθετημένος στον ίδιο άξονα με έναν τροχό συμπιεστή
4. Καθώς η στροβιλίδα περιστρέφεται, κινεί τον συμπιεστή, ο οποίος ωθεί συμπιεσμένο αέρα στους κυλίνδρους
5. Περισσότερος αέρας στους κυλίνδρους σημαίνει ότι μπορεί να καεί περισσότερο καύσιμο — με αποτέλεσμα μεγαλύτερη παραγωγή ισχύος

Η λέξη «turbocharger» προέρχεται από τις λατινικές ρίζες turbo (δίνη) και compressio (συμπίεση) — μια εύστοχη περιγραφή αυτού που συμβαίνει στο εσωτερικό.

Ο Ρόλος του Ψυγείου Αέρα Υπερπλήρωσης (Intercooler)

Υπάρχει ένα ακόμη κομμάτι στο παζλ. Καθώς ο αέρας διέρχεται από τον συμπιεστή και θερμαίνεται από τα καυτά εξαρτήματα του turbocharger, διαστέλλεται — πράγμα που σημαίνει ότι λιγότερο οξυγόνο χωράει στον ίδιο όγκο. Για να αντισταθμιστεί αυτό, οι turbo κινητήρες χρησιμοποιούν ένα ψυγείο αέρα υπερπλήρωσης (intercooler): ένα ψυγείο τοποθετημένο στη διαδρομή του αέρα μεταξύ του συμπιεστή και των κυλίνδρων του κινητήρα.

Ο ρόλος του intercooler είναι απλός αλλά κρίσιμος:

• Ψύχει τον συμπιεσμένο αέρα πριν εισέλθει στους κυλίνδρους
• Ο ψυχρότερος αέρας είναι πυκνότερος, δηλαδή περισσότερα μόρια οξυγόνου χωράνε στον ίδιο χώρο
• Αυτό επιτρέπει ακόμη υψηλότερη πίεση υπερπλήρωσης — και ακόμη μεγαλύτερα κέρδη ισχύος
• Βοηθά επίσης στην αποφυγή κρουσμάτων κινητήρα (πρόωρη ανάφλεξη), ιδιαίτερα σε εφαρμογές υψηλών επιδόσεων

Κύρια Πλεονεκτήματα του Turbocharging Έναντι της Φυσικής Αναρρόφησης

Τα κέρδη αποδοτικότητας από το turbocharging είναι σημαντικά. Σε αντίθεση με έναν μηχανικά κινούμενο υπερσυμπιεστή — που καταναλώνει ισχύ κινητήρα για να λειτουργήσει — ένας turbocharger αντλεί ενέργεια από τα καυσαέρια που διαφορετικά θα χάνονταν. Κρίσιμο είναι ότι η στροβιλίδα δεν επιβραδύνει σημαντικά αυτά τα αέρια· αντίθετα, τα ψύχει, ανακτώντας ενέργεια στη διαδικασία. Τα κύρια οφέλη περιλαμβάνουν:

• Μόνο ~1,5% της ενέργειας του κινητήρα καταναλώνεται από τον turbocharger για τη συντήρησή του
• Υψηλότερη παραγωγή ισχύος από κινητήρα μικρότερου κυβισμού
• Μειωμένες απώλειες τριβής λόγω ελαφρύτερου και πιο συμπαγούς κινητήρα
• Καλύτερη οικονομία καυσίμου σε σύγκριση με ατμοσφαιρικό κινητήρα ισοδύναμης ισχύος
• Καθαρότερα καυσαέρια, ιδιαίτερα σημαντικό για τους σύγχρονους ντιζελοκινητήρες

Ακούγεται σαν η τέλεια λύση — αλλά το turbocharging ήρθε με σοβαρές τεχνικές προκλήσεις που καθυστέρησαν την ευρεία υιοθέτησή του για δεκαετίες.

Οι Προκλήσεις: Ακραία Θερμότητα, Ταχύτητα και Turbo Lag

Οι turbocharger λειτουργούν υπό σκληρές συνθήκες:

• Οι ρότορες των στροβιλίδων μπορούν να περιστρέφονται με έως και 200.000 RPM
• Οι θερμοκρασίες καυσαερίων μπορούν να φτάσουν τους 1.000°C (1.832°F)
• Τα εξαρτήματα πρέπει να διατηρούν τη δομική τους ακεραιότητα και τις ακριβείς ανοχές υπό συνεχή θερμική και μηχανική καταπόνηση

Για αυτόν τον λόγο, το turbocharging έγινε ευρέως διαδεδομένο μόνο κατά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο — και αρχικά μόνο στην αεροπορία, όπου η τεχνική επένδυση ήταν δικαιολογημένη. Τη δεκαετία του 1950, η Caterpillar προσάρμοσε επιτυχώς την τεχνολογία για τα τρακτέρ της, ενώ η Cummins ανέπτυξε τους πρώτους turbodiesel κινητήρες φορτηγών. Τα turbocharged επιβατηγά αυτοκίνητα δεν εμφανίστηκαν παρά μόνο το 1962, όταν το Oldsmobile Jetfire και το Chevrolet Corvair Monza κυκλοφόρησαν σχεδόν ταυτόχρονα.

Πέρα από την ανθεκτικότητα, υπήρχε μια άλλη πρόκληση μοναδική για τα αυτοκίνητα: το turbo lag. Σε χαμηλές στροφές κινητήρα, ο όγκος καυσαερίων είναι περιορισμένος, οπότε η στροβιλίδα περιστρέφεται αργά και ο συμπιεστής μόλις και αναπτύσσει πίεση. Ο κινητήρας μπορεί να αισθάνεται νωχελικός κάτω από 3.000 RPM, και έπειτα να αναπτύσσει ξαφνικά ισχύ πάνω από 4.000–5.000 RPM. Όσο μεγαλύτερη η στροβιλίδα, τόσο πιο έντονο το lag. Μικρότερες στροβιλίδες μειώνουν το lag αλλά θυσιάζουν τη μέγιστη ισχύ.

Σύγχρονες Λύσεις: Πώς οι Μηχανικοί Νίκησαν το Turbo Lag

Στη διάρκεια των δεκαετιών, οι μηχανικοί ανέπτυξαν αρκετές έξυπνες προσεγγίσεις για την ελαχιστοποίηση του turbo lag, διατηρώντας παράλληλα τα κέρδη ισχύος:

• Σειριακό twin-turbo: Ένας μικρός turbocharger χαμηλής αδράνειας χειρίζεται τις χαμηλές στροφές, ενώ μια μεγαλύτερη μονάδα εισέρχεται σε υψηλές στροφές. Χρησιμοποιήθηκε στο θρυλικό Porsche 959 και σήμερα βρίσκεται σε turbodiesel της BMW και της Land Rover. Οι βενζινοκινητήρες της Volkswagen χρησιμοποιούν έναν ιμαντοκίνητο υπερσυμπιεστή στη θέση του μικρού turbo για ακόμη πιο γρήγορη απόκριση στις χαμηλές στροφές.
• Turbocharger twin-scroll: Ένα μονό turbo με δύο ξεχωριστές εισόδους καυσαερίων (σπείρες), καθεμία τροφοδοτούμενη από διαφορετική ομάδα κυλίνδρων. Αυτό διατηρεί τη στροβιλίδα να λειτουργεί αποτελεσματικά τόσο σε χαμηλές όσο και σε υψηλές στροφές, μειώνοντας το lag χωρίς να προσθέτει δεύτερη μονάδα turbo. Κοινό σε κινητήρες ευθύγραμμης διάταξης έξι κυλίνδρων και τεσσάρων κυλίνδρων.
• Παράλληλο twin-turbo: Δύο πανομοιότυποι turbocharger που εξυπηρετούν ξεχωριστές σειρές κυλίνδρων. Τυπικό σε κινητήρες διάταξης V, όπου κάθε σειρά έχει τη δική της μονάδα. Το τμήμα M της BMW το έφτασε ακόμη παραπέρα με διασταυρούμενη εξατμιστική πολλαπλή στο X5 M και X6 M, επιτρέποντας σε έναν συμπιεστή twin-scroll να αντλεί αέρια από αντίθετες σειρές κυλίνδρων σε αντίθετες φάσεις ανάφλεξης.
• Turbocharger μεταβλητής γεωμετρίας (VGT): Ρυθμιζόμενα πτερύγια μέσα στο κέλυφος της στροβιλίδας αλλάζουν τη διαδρομή ροής των καυσαερίων ανάλογα με τις στροφές του κινητήρα — αποδίδοντας ουσιαστικά στο turbo το σωστό «μέγεθος» σε κάθε στροφές. Υιοθετήθηκε πρώτα σε ντιζελοκινητήρες (όπου οι χαμηλότερες θερμοκρασίες καυσαερίων διευκόλυναν την υλοποίηση) και τελικά μεταφέρθηκε σε βενζινοκινητήρες από την Porsche με το 911 Turbo.

Turbocharging Σήμερα: Από την Επίδοση στην Αποδοτικότητα

Αυτό που ξεκίνησε ως αεροπορική τεχνική πρόκληση έχει γίνει η κυρίαρχη τεχνολογία στα σύγχρονα συστήματα μεταφοράς ισχύος. Σήμερα, το turbocharging δεν αφορά πλέον μόνο τις επιδόσεις — είναι κεντρικό για την οικονομία καυσίμου και τα πρότυπα εκπομπών. Σχεδόν κάθε ντιζελοκινητήρας στην αγορά φέρει το πρόθεμα «turbo» ως δεδομένο. Και στον κόσμο της βενζίνης, οι turbocharged κινητήρες μικρού κυβισμού έχουν σε μεγάλο βαθμό αντικαταστήσει μεγαλύτερες ατμοσφαιρικές μονάδες σε όλα τα τμήματα — mainstream, πολυτελείας και επιδόσεων.

Το ταπεινό μικρό σήμα στο πίσω μέρος ενός κατά τα άλλα συνηθισμένου αυτοκινήτου αφηγείται μια ιστορία που εκτείνεται σε περισσότερο από έναν αιώνα — από το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του Büchi το 1905 μέχρι τα σύγχρονα συστήματα twin-scroll και μεταβλητής γεωμετρίας. Και αυτή η ιστορία δεν έχει τελειώσει ακόμη.

Αυτή είναι μια μετάφραση. Μπορείτε να διαβάσετε το πρωτότυπο εδώ: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html