Տուրբոլիցքավորման պատմությունը. ինչպես տուրբոները փոխեցին ավտոմոբիլային աշխարհը

Դուք հավանաբար ինչ-որ պահի նկատել եք փոքրիկ «turbo» զինանշանը այլապես սովորական տեսք ունեցող ավտոմեքենայի վրա։ Արտադրողները հակված են այս նշանները տեղադրել համեստորեն՝ փոքր չափսերով, աննկատ տեղերում թաքցրած։ Անտեղյակ մարդու համար հեշտ է ուղղակի կողքով անցնել։ Բայց նրանց համար, ովքեր տեղյակ են, դա ազդանշան է, որի համար արժե կանգ առնել։ Ուրեմն ինչի՞ շուրջ է այս ամբողջ աղմուկը։ Ահա տուրբոլիցքավորման ամբողջական պատմությունը՝ որտեղից է այն եկել, ինչպես է աշխատում և ինչու է կարևոր։

Ինչու ինժեներներին ավելի շատ հզորություն էր պետք նույն շարժիչից

Ավտոմոբիլային ինժեներիայի ամենավաղ օրերից ի վեր կոնստրուկտորները տարված էին մեկ հարցով՝ ինչպե՞ս շարժիչից ավելի շատ հզորություն ստանալ։ Ֆիզիկայի օրենքները հստակ պատասխան են տալիս՝ շարժիչի հզորությունն ուղիղ համեմատական է յուրաքանչյուր աշխատանքային ցիկլում այրվող վառելիքի քանակին։ Ավելի շատ այրված վառելիք՝ ավելի շատ հզորություն։ Տեսականորեն բավական պարզ է։ Բայց գործնականում ամեն ինչ շատ ավելի բարդ է։

Հիմնական սահմանափակումը թթվածինն է։ Վառելիքն ինքնուրույն չի այրվում՝ այն այրվում է որպես վառելիք-օդ խառնուրդի մաս։ Եվ այդ խառնուրդը պետք է հստակ հավասարակշռված լինի, ոչ թե աչքաչափով գնահատվի։ Բենզինային շարժիչի համար իդեալական հարաբերակցությունը մոտավորապես հետևյալն է.

• 1 մաս վառելիք՝ 14–15 մաս օդի նկատմամբ՝ կախված աշխատանքային ռեժիմից, վառելիքի բաղադրությունից և այլ փոփոխականներից

Սա նշանակում է, որ եթե ուզում եք ավելի շատ վառելիք այրել, պետք է նաև զգալիորեն ավելի շատ օդ մատակարարեք։ Սովորական, բնականոն ներծծմամբ շարժիչներն օդը ներս են քաշում մխոցախցիկի և մթնոլորտի միջև ճնշման տարբերության շնորհիվ։ Արդյունքում առաջանում է կոշտ սահման՝ որքան մեծ է մխոցախցիկի ծավալը, այնքան ավելի շատ թթվածին է ներս մտնում յուրաքանչյուր ցիկլում։ 20-րդ դարի կեսերի ամերիկյան արտադրողները սա հասցրին ծայրահեղության՝ թողարկելով հսկայական աշխատանքային ծավալով շարժիչներ՝ վառելիքի վիթխարի ախորժակով։ Բայց արդյո՞ք կար ավելի խելացի միջոց՝ նույն մխոցախցիկի ծավալ ավելի շատ օդ մղելու համար։

Մեխանիկական լիցքավորիչի գյուտը. Գոթլիբ Դայմլերի բեկումը

Պատասխանը եկավ ծանոթ անունից՝ Գոթլիբ Վիլհելմ Դայմլեր, նույն գերմանացի ինժեները, ով կանգնած էր DaimlerChrysler-ի ժառանգության հետևում։ Դեռ 1885 թվականին Դայմլերը մշակեց շարժիչի մխոցախցիկներ ավելի շատ օդ մղելու մեթոդ՝ օգտագործելով մեխանիկորեն շարժվող լիցքավորիչ՝ ըստ էության կոմպրեսոր (օդափոխիչ), որն ուղղակիորեն սնվում էր շարժիչի ծնկաձև լիսեռից և սեղմված օդ էր մղում մխոցախցիկներ։

Այն աշխատում էր։ Բայց ուներ մեկ էական թերություն՝ կոմպրեսորն իրեն սնելու համար էներգիա էր գողանում անմիջապես շարժիչից։ Ինժեներները գիտեին, որ պետք է ավելի լավ լուծում լիներ։

Ալֆրեդ Բյուխին և տուրբոլիցքավորիչի ծնունդը (1905)

Ասպարեզ մտավ Ալֆրեդ Յ. Բյուխին՝ շվեյցարացի ինժեներ և գյուտարար, ով աշխատում էր Sulzer Brothers ընկերությունում, որտեղ ղեկավարում էր դիզելային շարժիչների մշակումը։ Բյուխին հիասթափված էր երկու ուղղությամբ.

• Այդ ժամանակաշրջանի դիզելային շարժիչները մեծ էին, ծանր և թերհզոր
• Մեխանիկական լիցքավորիչները շարժիչից խլում էին այն էներգիան, որն իրեն շարժելու համար անհրաժեշտ էր

1905 թվականին Բյուխին արտոնագրեց արմատական լուծում՝ լիցքավորող սարք, որը սնվում էր ոչ թե շարժիչի ծնկաձև լիսեռից, այլ իր սեփական արտանետվող գազերից։ Սա աշխարհի առաջին տուրբոլիցքավորիչն էր։

Ինչպես է աշխատում տուրբոլիցքավորիչը

Տուրբոլիցքավորման հիմքում ընկած գաղափարը նրբագեղ պարզ է։ Ահա հիմնական սկզբունքը՝ քայլ առ քայլ.

1. Տաք արտանետվող գազերը դուրս են գալիս շարժիչից և հոսում տուրբինի պատյան
2. Այս գազերը պտտեցնում են թիավոր անիվը՝ տուրբինի ռոտորը՝ ճիշտ ինչպես քամին է պտտեցնում հողմաղացը, բայց ծայրահեղ արագությամբ
3. Տուրբինի ռոտորը տեղադրված է նույն լիսեռի վրա, ինչ կոմպրեսորի անիվը
4. Պտտվելիս տուրբինը շարժում է կոմպրեսորը, որը սեղմված օդ է մղում մխոցախցիկներ
5. Մխոցախցիկներում ավելի շատ օդը նշանակում է, որ կարելի է ավելի շատ վառելիք այրել՝ արդյունքում տալով ավելի մեծ հզորություն

Հենց «տուրբոլիցքավորիչ» բառը գալիս է լատիներեն turbo (հորձանուտ) և compressio (սեղմում) արմատներից՝ տեղին նկարագրություն այն ամենի, ինչ տեղի է ունենում ներսում։

Ինտերկուլերի դերը

Հանելուկի մեջ կա ևս մեկ կտոր։ Երբ օդն անցնում է կոմպրեսորի միջով և տաքանում տուրբոլիցքավորիչի տաք բաղադրիչներից, այն ընդարձակվում է՝ նշանակում է, որ նույն ծավալում ավելի քիչ թթվածին է տեղավորվում։ Սրան հակազդելու համար տուրբոլիցքավորմամբ շարժիչներն օգտագործում են ինտերկուլեր՝ ռադիատոր, որը տեղադրված է օդի անցումի ճանապարհին՝ կոմպրեսորի և շարժիչի մխոցախցիկների միջև։

Ինտերկուլերի աշխատանքը պարզ է, բայց կարևորագույն.

• Այն սառեցնում է սեղմված օդը մինչև մխոցախցիկներ մտնելը
• Ավելի սառը օդն ավելի խիտ է, ինչը նշանակում է, որ նույն տարածքում ավելի շատ թթվածնի մոլեկուլներ են տեղավորվում
• Սա թույլ է տալիս ստանալ էլ ավելի բարձր լիցքավորման ճնշում և էլ ավելի մեծ հզորության ավելացում
• Այն նաև օգնում է կանխել շարժիչի դետոնացիան (վաղաժամ պայթյունը), հատկապես բարձր արտադրողականության կիրառություններում

Տուրբոլիցքավորման հիմնական առավելությունները բնականոն ներծծման նկատմամբ

Տուրբոլիցքավորման արդյունավետության շահույթը զգալի է։ Ի տարբերություն մեխանիկորեն շարժվող լիցքավորիչի, որն աշխատելու համար սպառում է շարժիչի հզորությունը, տուրբոլիցքավորիչը էներգիա է կորզում արտանետվող գազերից, որոնք այլապես կվատնվեին։ Կարևորն այն է, որ տուրբինը զգալիորեն չի դանդաղեցնում այդ գազերը, այլ սառեցնում է դրանք՝ ընթացքում վերականգնելով էներգիան։ Հիմնական առավելություններն են.

• Շարժիչի էներգիայի միայն ~1,5%-ն է սպառվում տուրբոլիցքավորիչի ինքնասպասարկման համար
• Ավելի փոքր աշխատանքային ծավալով շարժիչից ավելի բարձր հզորություն
• Ավելի թեթև, ավելի կոմպակտ շարժիչի շնորհիվ շփման կորուստների նվազեցում
• Համարժեք հզորության բնականոն ներծծմամբ շարժիչի համեմատ վառելիքի ավելի լավ տնտեսում
• Ավելի մաքուր արտանետումներ՝ հատկապես արդիական ժամանակակից դիզելային շարժիչների համար

Թվում է կատարյալ լուծում, բայց տուրբոլիցքավորումն ուղեկցվում էր լուրջ ինժեներական մարտահրավերներով, որոնք տասնամյակներով հետաձգեցին դրա համատարած կիրառումը։

Մարտահրավերները. ծայրահեղ ջերմություն, արագություն և տուրբոհապաղում

Տուրբոլիցքավորիչներն աշխատում են դաժան պայմաններում.

• Տուրբինի ռոտորները կարող են պտտվել մինչև 200,000 պտույտ/րոպե
• Արտանետվող գազերի ջերմաստիճանը կարող է հասնել 1,000°C (1,832°F)
• Բաղադրիչները պետք է պահպանեն կառուցվածքային ամբողջականությունն ու ճշգրիտ հանդուրժողականությունը՝ շարունակական ջերմային և մեխանիկական լարման տակ

Հենց դրա պատճառով տուրբոլիցքավորումը համատարած դարձավ միայն Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի ընթացքում, ընդ որում սկզբում միայն ավիացիայում, որտեղ ինժեներական ներդրումն արդարացված էր։ 1950-ականներին Caterpillar-ը հաջողությամբ հարմարեցրեց տեխնոլոգիան իր տրակտորների համար, իսկ Cummins-ը մշակեց առաջին տուրբոդիզելային բեռնատար շարժիչները։ Տուրբոլիցքավորմամբ մարդատար ավտոմեքենաները չհայտնվեցին մինչև 1962 թվականը, երբ գրեթե միաժամանակ թողարկվեցին Oldsmobile Jetfire-ն ու Chevrolet Corvair Monza-ն։

Ամրությունից բացի, կար ևս մեկ մարտահրավեր՝ եզակի ավտոմեքենաների համար՝ տուրբոհապաղումը։ Շարժիչի ցածր պտույտների դեպքում արտանետվող գազերի ծավալը սահմանափակ է, ուստի տուրբինը դանդաղ է պտտվում, և կոմպրեսորը հազիվ է ճնշում ստեղծում։ Շարժիչը կարող է թվալ դանդաղկոտ 3,000 պտույտ/րոպեից ցածր, ապա հանկարծ բռնկվել հզորությամբ 4,000–5,000 պտույտ/րոպեից բարձր։ Որքան մեծ է տուրբինը, այնքան ավելի ակնառու է հապաղումը։ Ավելի փոքր տուրբինները նվազեցնում են հապաղումը, բայց զոհաբերում են առավելագույն հզորությունը։

Ժամանակակից լուծումներ. ինչպես ինժեներները հաղթահարեցին տուրբոհապաղումը

Տասնամյակների ընթացքում ինժեներները մշակեցին մի քանի հնարամիտ մոտեցումներ՝ տուրբոհապաղումը նվազագույնի հասցնելու համար՝ պահպանելով հզորության ավելացումը.

• Հաջորդական զույգ տուրբին (sequential twin-turbo). Փոքր, ցածր իներցիայով տուրբոլիցքավորիչը կարգավորում է ցածր պտույտները, մինչդեռ ավելի մեծ միավորը միանում է բարձր պտույտների ժամանակ։ Կիրառվել է լեգենդար Porsche 959-ում, իսկ այսօր հանդիպում է BMW-ի և Land Rover-ի տուրբոդիզելներում։ Volkswagen-ի բենզինային շարժիչներն օգտագործում են փոկով շարժվող մեխանիկական լիցքավորիչ՝ փոքր տուրբինի փոխարեն՝ ստորին միջակայքում էլ ավելի արագ արձագանքի համար։
• Երկխխունչ տուրբոլիցքավորիչ (twin-scroll). Մեկ տուրբին՝ երկու առանձին արտանետման մուտքերով (խխունչներ), որոնցից յուրաքանչյուրը սնվում է մխոցների տարբեր խմբից։ Սա տուրբինը պահում է արդյունավետ պտտվող ինչպես ցածր, այնպես էլ բարձր պտույտներում՝ նվազեցնելով հապաղումն առանց երկրորդ տուրբին ավելացնելու։ Տարածված է վեցգլան շարքային և քառագլան շարժիչներում։
• Զուգահեռ զույգ տուրբին (parallel twin-turbo). Երկու նույնական տուրբոլիցքավորիչներ՝ սպասարկելով մխոցների առանձին շարքեր։ Ստանդարտ է V-աձև շարժիչներում, որտեղ յուրաքանչյուր շարք ստանում է իր սեփական միավորը։ BMW-ի M ստորաբաժանումը սա հասցրեց ավելի հեռու՝ X5 M-ի և X6 M-ի վրա շարքերը հատող արտանետման կոլեկտորով՝ թույլ տալով երկխխունչ կոմպրեսորին գազեր քաշել մխոցների հակառակ շարքերից՝ բռնկման հակառակ փուլերում։
• Փոփոխական երկրաչափությամբ տուրբոլիցքավորիչ (VGT). Տուրբինի պատյանի ներսում կարգավորվող թիերը փոխում են արտանետվող գազերի հոսքի ուղին՝ կախված շարժիչի պտույտներից՝ ըստ էության տուրբինին տալով ճիշտ «չափսը» յուրաքանչյուր պտույտի դեպքում։ Առաջին անգամ կիրառվել է դիզելային շարժիչներում (որտեղ արտանետումների ավելի ցածր ջերմաստիճանն ավելի հեշտ դարձրեց ներդրումը), իսկ ի վերջո բենզինային շարժիչներ բերվեց Porsche-ի կողմից 911 Turbo-ի հետ։

Տուրբոլիցքավորումն այսօր. արտադրողականությունից դեպի արդյունավետություն

Այն, ինչ սկսվեց որպես ավիացիոն ինժեներական մարտահրավեր, դարձավ գերիշխող տեխնոլոգիա ժամանակակից ավտոմոբիլային ուժային ագրեգատներում։ Այսօր տուրբոլիցքավորումն այլևս միայն արտադրողականության մասին չէ. այն կենտրոնական է վառելիքի տնտեսման և արտանետումների չափանիշների համար։ Շուկայում գրեթե յուրաքանչյուր դիզելային շարժիչ որպես ինքնին հասկանալի բան կրում է «turbo» նախածանցը։ Իսկ բենզինային աշխարհում տուրբոլիցքավորմամբ փոքր աշխատանքային ծավալով շարժիչները հիմնականում փոխարինել են ավելի մեծ բնականոն ներծծմամբ միավորներին՝ թե՛ զանգվածային, թե՛ շքեղ, թե՛ սպորտային հատվածներում։

Այլապես սովորական ավտոմեքենայի հետևի մասում գտնվող համեստ փոքրիկ զինանշանը պատմում է ավելի քան մեկ դար ընդգրկող պատմություն՝ Բյուխիի 1905 թվականի արտոնագրից մինչև այսօրվա երկխխունչ, փոփոխական երկրաչափությամբ համակարգերը։ Եվ այդ պատմությունը դեռ ավարտված չէ։

Սա թարգմանություն է։ Բնագիրը կարող եք կարդալ այստեղ՝ https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html