Turboülelaadimise ajalugu: Kuidas turbod muutsid autotööstuse maailma

Olete tõenäoliselt mingil hetkel märganud väikest “turbo” märki muidu tavalise välimusega autol. Tootjad kipuvad neid embleeme tagasihoidlikult paigutama — väikesed, peidetud märkamatutesse kohtadesse. Mitteasjatundjatele on lihtne neist mööda kõndida. Kuid asjatundjatele on see signaal, mille juures tasub peatuda. Milles siis kogu suur asi seisneb? Siin on täielik lugu turboülelaadimise kohta — kust see tuli, kuidas see töötab ja miks see loeb.

Miks insenerid vajasid samalt mootorit rohkem võimsust

Autoehituse kõige varasematest päevadest alates on disainerid olnud kinnisideega ühe küsimusega: kuidas saada mootorist rohkem võimsust? Füüsikaseadused annavad selge vastuse — mootori võimsus on otseselt proportsionaalne iga töötsükli jooksul põletatud kütuse kogusega. Rohkem põletatud kütust võrdub rohkem võimsusega. Teoorias piisavalt lihtne. Kuid praktikas on see palju keerulisem.

Peamine piirang on hapnik. Kütus ei põle iseenesest — see põleb kütuse-õhu segu osana. Ja see segu peab olema täpselt tasakaalustatud, mitte silma järgi hinnatud. Bensiinimootori jaoks on ideaalne suhe ligikaudu:

• 1 osa kütust 14–15 osa õhu kohta, sõltuvalt töörežiimist, kütuse koostisest ja muudest muutujatest

See tähendab, et kui soovite põletada rohkem kütust, peate varustama ka märkimisväärselt rohkem õhku. Tavalised atmosfäärimootoriid imevad õhku silindri ja atmosfääri vahelise rõhuerinevuse kaudu. Tulemuseks on kõva piir: mida suurem on silindri maht, seda rohkem hapnikku siseneb tsükli kohta. Ameerika tootjad 20. sajandi keskel viisid selle äärmusesse, tootes hiiglaslike töömahtuvustega mootoreid tohutu kütuseisuga. Kuid kas oli targem viis suruda rohkem õhku samasse silindrimahtu?

Ülelaadija leiutamine: Gottlieb Daimleri läbimurre

Vastus tuli tuttavalt nimelt — Gottlieb Wilhelm Daimlerilt, samalt Saksa insenerilt, kes on DaimlerChrysler’i pärandi taga. 1885. aastal töötas Daimler välja meetodi, kuidas suruda rohkem õhku mootorisilindritesse, kasutades mehaaniliselt juhitavat ülelaadijat — sisuliselt kompressorit (ventilaatorit), mida tõukab otse mootori väntvõll, mis pumpas suruõhku silindritesse.

See toimis. Kuid sellel oli üks oluline puudus: kompressor varastas otse mootorist energiat, et ise töötada. Insenerid teadsid, et peab olema parem viis.

Alfred Büchi ja turboülelaadija sünd (1905)

Astub sisse Alfred J. Büchi, Šveitsi insener ja leiutaja, kes töötas Sulzer Brothersi juures, kus ta juhtis diiselmootorite arendust. Büchi oli pettunud kahel rindel:

• Tolleaegsed diiselmootoriid olid suured, rasked ja alavõimsad
• Mehaanilised ülelaadijad röövlisid mootorist energiat, mida see vajas enda käitamiseks

1905. aastal patenteeris Büchi radikaalse lahenduse: laadimisseade, mida ei toitanud mootori väntvõll, vaid selle enda heitgaasid. See oli maailma esimene turboülelaadija.

Kuidas turboülelaadija töötab

Turboülelaadimise kontseptsioon on elegantselt lihtne. Siin on põhiprintsiip samm-sammult:

1. Kuumad heitgaasid väljuvad mootorist ja voolavad turbiinikorpusesse
2. Need gaasid pööravad labadega ratast — turbiinirootorit — sarnaselt nagu tuul pöörab tuuleveskit, kuid äärmise kiirusega
3. Turbiinirootor on paigaldatud samale võllile kui kompressori ratas
4. Kui turbiin pöörleb, juhib see kompressorit, mis surub survetud õhku silindritesse
5. Rohkem õhku silindrites tähendab, et põletada saab rohkem kütust — mis toob kaasa suurema võimsusväljundi

Sõna “turboülelaadija” ise tuleneb ladina juurtest turbo (keeris) ja compressio (kokkusurumine) — asjakohane kirjeldus sellest, mis seest toimub.

Vahejahuti roll

Mõistatusele on veel üks tükk. Kuna õhk läbib kompressorit ja kuumade turboülelaadija komponentide poolt soojendatuna paisub — tähendab see, et samasse mahtu mahub vähem hapnikku. Selle vastu võitlemiseks kasutavad turboülelaadimisega mootoriid vahejahutit: radiaatorit, mis on paigutatud õhuteele kompressori ja mootorisilindrite vahele.

Vahejahuti ülesanne on sirgjooneline, kuid kriitiline:

• See jahutab survetud õhku enne silindritesse sisenemist
• Jahedam õhk on tihedam, tähendades et samasse ruumi mahub rohkem hapnikumolekule
• See võimaldab veelgi kõrgemat laadimisrõhku — ja veelgi suuremaid võimsuskasusid
• See aitab ka vältida mootori koputamist (enneaegne süütimine), eriti suorituslikel rakendustel

Turboülelaadimise peamised eelised loomuliku imemise ees

Turboülelaadimisest saadavad efektiivsuskasvud on märkimisväärsed. Erinevalt mehaaniliselt juhitavast ülelaadijast — mis tarbib töötamiseks mootori võimsust — ammutab turboülelaadija energiat heitgaasidest, mis muidu raisataks. Oluline on see, et turbiin ei aeglusta neid gaase märkimisväärselt; see jahutab neid hoopis, taastades protsessis energiat. Peamised eelised hõlmavad:

• Turboülelaadija enesehaldus tarbib ainult ~1,5% mootori energiast
• Suurem võimsusväljund väiksema töömahtuvusega mootorist
• Vähendatud hõõrdekadud tänu kergele, kompaktsemale mootorile
• Parem kütusesäästlikkus võrreldes samaväärse võimsusega atmosfäärimootoriga
• Puhtam heitgaas, mis on eriti oluline kaasaegsete diiselmootorite puhul

See kõlab nagu täiuslik lahendus — kuid turboülelaadimisega kaasnesid tõsised inseneritehnilised väljakutsed, mis viibistasid selle laialdast kasutuselevõttu aastakümneid.

Väljakutsed: äärmuslik kuumus, kiirus ja turboviivitus

Turboülelaadijad töötavad brutaalsetes tingimustes:

• Turbiinirootoriid võivad pöörelda kuni 200 000 p/min
• Heitgaaside temperatuurid võivad ulatuda 1 000°C-ni (1 832°F)
• Komponendid peavad säilitama struktuurse terviklikkuse ja täpsed tolerantsid pideva termilise ja mehaanilise pinge all

Seetõttu muutus turboülelaadimine laialt levinuks alles Teise maailmasõja ajal — ja algul ainult lennunduses, kus inseneritehnilised investeeringud olid põhjendatud. 1950. aastatel kohandas Caterpillar edukalt seda tehnoloogiat oma traktorite jaoks, samas kui Cummins arendas esimesed turbodiisel-veoautomootoriid. Turboülelaadimisega sõiduautod ei ilmunud kuni 1962. aastani, mil Oldsmobile Jetfire ja Chevrolet Corvair Monza vabastati peaaegu samaaegselt.

Lisaks vastupidavusele oli autode puhul veel üks ainulaadne väljakutse: turboviivitus. Madalatel mootori pöördetel on heitgaaside maht piiratud, seega pöörleb turbiin aeglaselt ja kompressor ehitab vaevalt rõhku. Mootor võib alla 3 000 p/min end loid tunda, seejärel äkki üle 4 000–5 000 p/min võimsusega paisuda. Mida suurem turbiin, seda selgem viivitus. Väiksemad turbiinid vähendavad viivitust, kuid ohverdavad tipu võimsuse.

Kaasaegsed lahendused: kuidas insenerid turboviivituse ületasid

Aastakümnete jooksul töötasid insenerid välja mitu nutikat lähenemist turboviivituse minimeerimiseks, säilitades samal ajal võimsuskasud:

• Järjestikune kaksikturbo: Väike, madala inertsiaga turboülelaadija käsitleb madalaid pöördeid, samas kui suurem üksus lülitub sisse kõrgetel pöördetel. Kasutatakse legendaarses Porsche 959-s ja tänapäeval BMW ja Land Roveri turbodiiselmootorites. Volkswageni bensiinimootorid kasutavad väikese turbo asemel rihm-juhitavat ülelaadijat veelgi kiiremaks madalmomendi vastuseks.
• Kaksikkeermeline turboülelaadija: Üks turbo kahe eraldi heitgaasisissepääsuga (keeristega), mida toidavad erinevad silindrigrupid. See hoiab turbiini efektiivselt nii madalatel kui kõrgetel pöördetel pöörlevana, vähendades viivitust ilma teist turbo-üksust lisamata. Levinud sirgete kuue- ja nelisilindriliste mootorite puhul.
• Paralleelne kaksikturbo: Kaks identset turboülelaadijat, mis teenindavad eraldi silindripankasid. Standard V-konfiguratsiooniga mootorites, kus iga pank saab oma üksuse. BMW M-divisjon viis selle edasi BMW X5 M-il ja X6 M-il ristpanga heitgaasi kollektori abil, võimaldades kaksikkeermekompressoril tõmmata gaase vastaspoolsetest silindripankadest vastaspoolsetes süütamisfaasides.
• Muutuva geomeetriaga turboülelaadija (VGT): Turbiinikorpuse sees olevad reguleeritavad labakesed muudavad heitgaaside voolamissuunda sõltuvalt mootori kiirusest — andes turbole efektiivselt õige “suuruse” iga pöördekiiruse juures. Esimesena kasutusele võetud diiselmootorites (kus madalamad heitgaaside temperatuurid muutsid juurutamise lihtsamaks) ja lõpuks Porsche poolt bensiinimootorites 911 Turbo-ga.

Turboülelaadimine täna: jõudlusest efektiivsuseni

Mis algas lennunduse inseneriväljakutsena, on saanud kaasaegsete autojõuülekannete domineerivaks tehnoloogiaks. Tänapäeval ei ole turboülelaadimine enam ainult jõudlusest — see on keskseks kütusesäästlikkusele ja heitenormidele. Peaaegu iga turul olev diiselmootor kannab “turbo” eesliidet iseenesestmõistetavalt. Ja bensiinimaailmas on turboülelaadimisega väikese töömahtuvusega mootoriid suuremad atmosfäärimootoriid suuresti asendanud nii tavaklassi, luksus- kui spordisegmendis.

Muidu tavalise auto tagaküljel olev tagasihoidlik väike märk räägib üle sajandi pikkust lugu — Büchi 1905. aasta patendist tänapäeva kaksikkeermestatud, muutuva geomeetriaga süsteemideni. Ja see lugu pole veel lõppenud.

See on tõlge. Originaali saate lugeda siit: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html