A turbófeltöltés története: Hogyan változtatták meg a turbók az autóipari világot

Valószínűleg már feltűnt Önnek egy apró „turbo” felirat egy egyébként hétköznapinak tűnő autón. A gyártók általában szerényen helyezik el ezeket az emblémákat – kis méretben, nem feltűnő helyen. Az avatatlanak könnyű elsiklani mellettük. De aki érti a dolgát, az megáll és odafigyel. Szóval mi is ez az egész felhajtás? Íme a turbófeltöltés teljes története – honnan ered, hogyan működik, és miért fontos.

Miért volt szükségük a mérnököknek több teljesítményre ugyanabból a motorból?

A gépjárműmérnökség legkorábbi napjaitól fogva a tervezők egyetlen kérdésre összpontosítottak: hogyan lehet több teljesítményt kihozni egy motorból? A fizika törvényei egyértelmű választ adnak – a motor teljesítménye közvetlenül arányos az egyes munkaciklusokban elégetett üzemanyag mennyiségével. Több elégetett üzemanyag egyenlő több teljesítménnyel. Elméletben egyszerű. De a gyakorlatban sokkal bonyolultabb.

A legfontosabb korlátozó tényező az oxigén. Az üzemanyag önmagában nem ég el – üzemanyag-levegő keverék részeként ég. És ezt a keveréket pontosan kell beállítani, nem szemre. Egy benzinmotor esetében az ideális arány nagyjából a következő:

• 1 rész üzemanyag 14–15 rész levegőre, az üzemmódtól, az üzemanyag összetételétől és egyéb változóktól függően

Ez azt jelenti, hogy ha több üzemanyagot szeretne elégetni, jelentősen több levegőt is kell biztosítani. A hagyományos, szívólevegős motorok a hengerben és a légkör között fennálló nyomáskülönbséggel szívják be a levegőt. Ez egy kemény korlátot jelent: minél nagyobb a hengerűrtartalom, annál több oxigén kerül be ciklusonként. A 20. század közepének amerikai gyártói ezt a végsőkig vitték, hatalmas hengerűrtartalmú motorokat gyártottak hatalmas üzemanyag-étvággyal. De létezik-e okosabb módszer arra, hogy több levegőt tömjenek ugyanakkora hengerbe?

A kompresszor feltalálása: Gottlieb Daimler áttörése

A választ egy ismerős névhez kötjük – Gottlieb Wilhelm Daimlerhez, ugyanahhoz a német mérnökhöz, aki a DaimlerChrysler örökség mögött áll. 1885-ben Daimler kidolgozott egy módszert arra, hogy mechanikusan hajtott kompresszorral – lényegében a motor főtengelye által közvetlenül meghajtott ventilátorral – több levegőt préseljen a motorhengerekbe.

Működött. De volt egy jelentős hátránya: a kompresszor közvetlenül a motortól vett el energiát a saját meghajtásához. A mérnökök tudták, hogy kell lennie jobb megoldásnak is.

Alfred Büchi és a turbófeltöltő születése (1905)

Következzen Alfred J. Büchi, svájci mérnök és feltaláló, aki a Sulzer Brothers cégnél dolgozott, ahol a dízelmotor-fejlesztést vezette. Büchit két fronton bosszantotta a helyzet:

• A kor dízelmotor-jai nagyok, nehezek és gyenge teljesítményűek voltak
• A mechanikus kompresszorok elvonták a motor energiáját, amelyre a hajtáshoz szüksége volt

1905-ben Büchi szabadalmaztatott egy radikális megoldást: egy feltöltőberendezést, amelyet nem a motor főtengelye, hanem saját kipufogógázai hajtottak. Ez volt a világ első turbófeltöltője.

Hogyan működik a turbófeltöltő?

A turbófeltöltés mögötti koncepció elegánsan egyszerű. Íme az alapelv, lépésről lépésre:

1. A forró kipufogógázok elhagyják a motort és beáramlanak a turbóházba
2. Ezek a gázok megpörgetnek egy lapátos kereket – a turbórotort – hasonlóan ahhoz, ahogy a szél mozgatja a szélmalmot, de extrém sebességgel
3. A turbórotor ugyanazon a tengelyen ül, mint a kompresszorkerék
4. Ahogy a turbina forog, hajtja a kompresszort, amely sűrített levegőt présel a hengerekbe
5. Több levegő a hengerekben több üzemanyag elégetését teszi lehetővé – ami nagyobb teljesítményt eredményez

Maga a „turbófeltöltő” szó a latin turbo (örvény) és compressio (tömörítés) gyökökből ered – találó leírása annak, ami belül történik.

A töltőlevegő-hűtő szerepe

Van még egy utolsó darabja a kirakósnak. Ahogy a levegő áthalad a kompresszorон és a forró turbófeltöltő-alkatrészek felmelegítik, kitágul – vagyis ugyanakkora térfogatba kevesebb oxigén fér. Ennek ellensúlyozására a turbófeltöltős motorok töltőlevegő-hűtőt alkalmaznak: egy hűtőt, amelyet a kompresszor és a motorhengerek közötti levegőútba helyeznek.

A töltőlevegő-hűtő feladata egyszerű, de kritikus:

• Lehűti a sűrített levegőt, mielőtt az belép a hengerekbe
• A hidegebb levegő sűrűbb, ami azt jelenti, hogy több oxigénmolekula fér el ugyanakkora helyen
• Ez még magasabb feltöltési nyomást tesz lehetővé – és még nagyobb teljesítménynövekedést
• Segít megelőzni a motorlökést (korai gyújtást) is, különösen nagy teljesítményű alkalmazásoknál

A turbófeltöltés legfontosabb előnyei a természetes szívással szemben

A turbófeltöltésből eredő hatékonyságnövekedés jelentős. A mechanikusan hajtott kompresszorral ellentétben – amely a saját működéséhez energiát von el a motortól – a turbófeltöltő a kipufogógázokból von ki energiát, amelyek egyébként veszendőbe mennének. Döntő fontosságú, hogy a turbina nem lassítja le jelentősen ezeket a gázokat; ehelyett lehűti őket, miközben visszanyeri az energiát. A főbb előnyök:

• A motor energiájának csupán ~1,5%-a szükséges a turbófeltöltő önnfenntartásához
• Nagyobb teljesítmény kisebb hengerűrtartalmú motorból
• Kisebb súrlódási veszteség a könnyebb, kompaktabb motor miatt
• Jobb üzemanyag-hatékonyság az azonos teljesítményű, természetesen szívó motorhoz képest
• Tisztább kipufogó, különösen a modern dízelmotorok esetében releváns

Tökéletes megoldásnak hangzik – de a turbófeltöltés komoly mérnöki kihívásokkal járt, amelyek évtizedekre késleltették széleskörű elterjedését.

A kihívások: extrém hő, sebesség és turbókésés

A turbófeltöltők brutális körülmények között működnek:

• A turbórótorok akár 200 000 RPM-es sebességre is felpöröghetnek
• A kipufogógáz-hőmérséklet elérheti az 1000°C-ot (1832°F)
• Az alkatrészeknek folyamatos hőmérséklet- és mechanikai igénybevétel mellett is meg kell őrizniük szerkezeti integritásukat és pontos tűréseiket

Ezért a turbófeltöltés csak a második világháború idején terjedt el szélesebb körben – és kezdetben csak a légi közlekedésben, ahol a mérnöki befektetés indokolt volt. Az 1950-es években a Caterpillar sikeresen adaptálta a technológiát traktoraihoz, míg a Cummins kifejlesztette az első turbódízel tehergépjármű-motorokat. A turbófeltöltős személyautók csak 1962-ben jelentek meg, amikor szinte egyidejűleg mutatták be az Oldsmobile Jetfire-t és a Chevrolet Corvair Monzát.

A tartósságon túl volt még egy, az autókra jellemző kihívás: a turbókésés. Alacsony motorfordulatszámon a kipufogógáz mennyisége korlátozott, így a turbina lassan forog, és a kompresszor alig épít fel nyomást. A motor 3000 RPM alatt lustának tűnhet, majd 4000–5000 RPM felett hirtelen lendületes lesz. Minél nagyobb a turbina, annál nagyobb a késés. A kisebb turbinák csökkentik a késést, de feláldozzák a csúcsteljesítményt.

Modern megoldások: Hogyan győzték le a mérnökök a turbókésést?

Az évtizedek során a mérnökök számos ötletes megközelítést dolgoztak ki a turbókésés minimalizálására a teljesítménynövekedés megőrzése mellett:

• Szekvenciális dupla turbó: Egy kis, kis tehetetlenségű turbófeltöltő kezeli az alacsony fordulatszámot, míg egy nagyobb egység nagy fordulatszámon lép be. A legendás Porsche 959-ben alkalmazták, ma a BMW és Land Rover turbódízelesekben is megtalálható. A Volkswagen benzinmotorjai még gyorsabb alacsony fordulatszámú válasz érdekében szíjhajtású kompresszort alkalmaznak a kis turbó helyett.
• Kétcsatornás turbófeltöltő: Egyetlen turbó két különálló kipufogó-bemenőnyílással (spirálházzal), amelyek mindegyikét különböző hengercsoportok táplálják. Ez hatékonyan tartja a turbinát mind alacsony, mind magas fordulatszámon, csökkentve a késést anélkül, hogy második turbóegységet kellene hozzáadni. Jellemző a soros hatos és négyhengeres motorokban.
• Párhuzamos dupla turbó: Két azonos turbófeltöltő, amelyek külön hengersorokat szolgálnak ki. Standard a V-konfigurációs motorokban, ahol minden sor saját egységet kap. A BMW M divíziója ezt tovább vitte az X5 M és X6 M keresztirányú kipufogógyűjtőjével, amely lehetővé teszi, hogy egy kétcsatornás kompresszor az ellentétes gyújtási fázisokban szemközti hengersorokból szívjon gázt.
• Változó geometriájú turbófeltöltő (VGT): A turbóházban állítható lapátok változtatják a kipufogógázok áramlási útját a motorfordulatszámtól függően – lényegében minden fordulatszámon a megfelelő „méretet” adják a turbónak. Először dízelmotorokhoz alkalmazták (ahol az alacsonyabb kipufogógáz-hőmérséklet megkönnyítette a megvalósítást), majd a Porsche a 911 Turbóval benzinmotorokra is áthozta.

A turbófeltöltés ma: a teljesítménytől a hatékonyságig

Ami repülési mérnöki kihívásként kezdődött, mára a modern autóipari hajtáslánc domináns technológiájává vált. Ma a turbófeltöltés már nem csupán a teljesítményről szól – az üzemanyag-hatékonyság és a kibocsátási normák középpontjában is áll. A piacon lévő szinte minden dízelmotor eleve hordozza a „turbo” előtagot. A benzinmotoros világban pedig a kisebb hengerűrtartalmú turbófeltöltős motorok nagyrészt felváltották a nagyobb, természetesen szívó egységeket a mainstream, luxus- és sportszegmensekben egyaránt.

Az egyébként hétköznapinak tűnő autó hátulján lévő szerény kis felirat több mint egy évszázadot átívelő történetet mesél el – Büchi 1905-ös szabadalmától a mai kétcsatornás, változó geometriájú rendszerekig. És ez a történet még nem ért véget.

Ez egy fordítás. Az eredetit itt olvashatja: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html