Saga forþjöppunar: Hvernig túrbínur breyttu bílaheiminum

Þú hefur líklega tekið eftir litlu „turbo“-merki á annars venjulegum bíl einhvern tímann. Framleiðendur hafa tilhneigingu til að setja þessi merki hógværlega — lítil að stærð og falin á lítt áberandi stöðum. Fyrir þá sem ekki þekkja til er auðvelt að ganga framhjá þeim. En fyrir þá sem vita betur er þetta merki sem vert er að staldra við. Svo um hvað snýst allt írafárið? Hér er öll sagan á bak við forþjöppun — hvaðan hún kom, hvernig hún virkar og hvers vegna hún skiptir máli.

Hvers vegna verkfræðingar þurftu meira afl úr sömu vélinni

Allt frá fyrstu dögum bílaverkfræðinnar hafa hönnuðir verið heltjáðir af einni spurningu: hvernig nær maður meira afli úr vél? Eðlisfræðilögmálin gefa skýrt svar — afl vélar er í beinu hlutfalli við magn eldsneytis sem brennur í hverri vinnulotu. Meira brennt eldsneyti jafngildir meira afli. Nógu einfalt í kenningu. En í framkvæmd er það mun flóknara.

Lykiltakmörkunin er súrefni. Eldsneyti brennur ekki af sjálfu sér — það brennur sem hluti af eldsneytis- og loftblöndu. Og sú blanda verður að vera nákvæmlega rétt, ekki metin með auganu. Fyrir bensínvél er kjörhlutfallið um það bil:

• 1 hluti eldsneyti á móti 14–15 hlutum lofts, eftir vinnsluham, samsetningu eldsneytis og öðrum breytum

Þetta þýðir að ef þú vilt brenna meira eldsneyti verður þú einnig að útvega umtalsvert meira loft. Hefðbundnar vélar með náttúrulegu innsogi draga loft inn með þrýstingsmun milli strokksins og andrúmsloftsins. Niðurstaðan er ófrávíkjanleg takmörkun: því stærra sem rúmmál strokksins er, því meira súrefni kemst inn í hverri lotu. Bandarískir framleiðendur um miðja 20. öld tóku þetta út í öfgar og framleiddu vélar með gríðarlegu slagrými og ógurlegri eldsneytisþörf. En var til snjallari leið til að þrýsta meira lofti inn í sama strokkrúmmál?

Uppfinning vélrænu forþjöppunnar: Bylting Gottlieb Daimler

Svarið kom frá kunnuglegu nafni — Gottlieb Wilhelm Daimler, sama þýska verkfræðingnum sem stóð að baki arfleifð DaimlerChrysler. Árið 1885 þróaði Daimler aðferð til að þvinga meira loft inn í strokka vélar með vélrænt knúinni forþjöppu — í raun þjöppu (viftu) sem var knúin beint af sveifarási vélarinnar og þrýsti þjöppuðu lofti inn í strokkana.

Þetta virkaði. En það hafði einn umtalsverðan galla: þjappan stal orku beint frá vélinni til að knýja sig sjálfa. Verkfræðingar vissu að það hlyti að vera betri leið.

Alfred Büchi og fæðing túrbínunnar (1905)

Þá kemur Alfred J. Büchi til sögunnar, svissneskur verkfræðingur og uppfinningamaður sem starfaði hjá Sulzer Brothers, þar sem hann stýrði þróun dísilvéla. Büchi var ósáttur á tveimur vígstöðvum:

• Dísilvélar þess tíma voru stórar, þungar og afllitlar
• Vélrænar forþjöppur rændu vélina orku sem hún þurfti til að knýja sjálfa sig

Árið 1905 fékk Büchi einkaleyfi á róttækri lausn: hleðslubúnaði sem var ekki knúinn af sveifarási vélarinnar, heldur af hennar eigin útblásturslofti. Þetta var fyrsta túrbína heims.

Hvernig túrbína virkar

Hugmyndin að baki forþjöppun er afar einföld og snotur. Hér er grunnreglan, skref fyrir skref:

1. Heitt útblástursloft fer úr vélinni og streymir inn í túrbínuhúsið
2. Þetta loft snýr blaðahjóli — túrbínusnúðnum — líkt og vindur snýr vindmyllu, en á ofsahraða
3. Túrbínusnúðurinn er festur á sama ás og þjöppuhjól
4. Þegar túrbínan snýst knýr hún þjöppuna, sem þrýstir þjöppuðu lofti inn í strokkana
5. Meira loft í strokkunum þýðir að hægt er að brenna meira eldsneyti — sem skilar meira afli

Orðið „turbocharger“ sjálft er dregið af latnesku rótunum turbo (hringiða) og compressio (þjöppun) — réttnefni á því sem á sér stað innandyra.

Hlutverk millikælisins

Það er einn hluti enn í púslinu. Þegar loft fer í gegnum þjöppuna og hitnar af heitum hlutum túrbínunnar þenst það út — sem þýðir að minna súrefni kemst fyrir í sama rúmmáli. Til að vinna gegn þessu nota forþjappaðar vélar millikæli: ofn sem komið er fyrir í loftleiðinni milli þjöppunnar og strokka vélarinnar.

Verkefni millikælisins er einfalt en mikilvægt:

• Hann kælir þjappaða loftið áður en það fer inn í strokkana
• Kaldara loft er þéttara, sem þýðir að fleiri súrefnissameindir komast fyrir í sama rými
• Þetta gerir kleift að nota enn hærri forþrýsting — og ná enn meira afli
• Hann hjálpar einnig til við að koma í veg fyrir bankhögg í vél (ótímabæra sprengingu), sérstaklega í afkastamiklum vélum

Helstu kostir forþjöppunar umfram náttúrulegt innsog

Nýtniávinningurinn af forþjöppun er umtalsverður. Ólíkt vélrænt knúinni forþjöppu — sem notar afl vélarinnar til að starfa — sækir túrbína orku í útblástursloft sem annars færi til spillis. Það sem skiptir mestu máli er að túrbínan hægir ekki verulega á þessu lofti; hún kælir það þess í stað og endurheimtir þannig orku. Helstu kostirnir eru:

• Aðeins um 1,5% af orku vélarinnar fer í að halda túrbínunni gangandi
• Meira afl úr vél með minna slagrými
• Minna núningstap vegna léttari og fyrirferðarminni vélar
• Betri eldsneytisnýting samanborið við vél með náttúrulegu innsogi og sambærilegt afl
• Hreinni útblástur, sem á sérstaklega við um nútíma dísilvélar

Þetta hljómar eins og fullkomin lausn — en forþjöppun fylgdu alvarlegar verkfræðilegar áskoranir sem töfðu almenna upptöku hennar um áratugi.

Áskoranirnar: Mikill hiti, hraði og túrbínutregða

Túrbínur starfa við harðneskjulegar aðstæður:

• Túrbínusnúðar geta snúist allt að 200.000 sn./mín.
• Hitastig útblástursloftsins getur náð 1.000°C (1.832°F)
• Íhlutir verða að halda burðarþoli og nákvæmum vikmörkum undir stöðugu hita- og vélrænu álagi

Þess vegna varð forþjöppun ekki útbreidd fyrr en í seinni heimsstyrjöldinni — og í fyrstu aðeins í flugi, þar sem verkfræðikostnaðurinn var réttlætanlegur. Á sjötta áratugnum aðlagaði Caterpillar tæknina með góðum árangri að dráttarvélum sínum, en Cummins þróaði fyrstu túrbódísilvélarnar fyrir vörubíla. Forþjappaðir fólksbílar komu ekki fram fyrr en 1962, þegar Oldsmobile Jetfire og Chevrolet Corvair Monza komu á markað nánast samtímis.

Auk endingar var önnur áskorun sem var einkennandi fyrir bíla: túrbínutregða. Við lágan snúningshraða vélar er rúmmál útblástursloftsins takmarkað, þannig að túrbínan snýst hægt og þjappan byggir varla upp þrýsting. Vélin getur virst dauf undir 3.000 sn./mín. og fær svo skyndilega afl yfir 4.000–5.000 sn./mín. Því stærri sem túrbínan er, því meira áberandi er tregðan. Minni túrbínur draga úr tregðu en fórna hámarksafli.

Nútímalausnir: Hvernig verkfræðingar sigruðust á túrbínutregðu

Í áranna rás þróuðu verkfræðingar nokkrar snjallar aðferðir til að lágmarka túrbínutregðu á sama tíma og aflávinningi var haldið:

• Raðtengdar tvíburatúrbínur: Lítil túrbína með litla tregðu sér um lágan snúning, en stærri eining tekur við á háum snúningi. Notað í hinni goðsagnakenndu Porsche 959 og finnst í dag í túrbódísilvélum frá BMW og Land Rover. Bensínvélar Volkswagen nota reimdrifna forþjöppu í stað litlu túrbínunnar fyrir enn hraðari viðbrögð á lágum snúningi.
• Tvíhólfa túrbína (twin-scroll): Ein túrbína með tveimur aðskildum útblástursinntökum (hólfum), hvert fyrir sig matað af mismunandi hópi strokka. Þetta heldur túrbínunni snúandi á skilvirkan hátt bæði á lágum og háum snúningi og dregur úr tregðu án þess að bæta við annarri túrbínu. Algengt í beinum sex strokka og fjögurra strokka vélum.
• Samhliða tvíburatúrbínur: Tvær eins túrbínur sem þjóna sínum hvorum strokkabálki. Staðalbúnaður í V-vélum, þar sem hver bálkur fær sína eigin einingu. M-deild BMW gekk lengra með útblásturssogrör sem tengir bálkana saman á X5 M og X6 M, sem gerir tvíhólfa þjöppu kleift að draga loft frá gagnstæðum strokkabálkum á gagnstæðum sprengifösum.
• Túrbína með breytilega rúmfræði (VGT): Stillanleg blöð inni í túrbínuhúsinu breyta flæðisleið útblástursloftsins eftir snúningshraða vélarinnar — sem gefur túrbínunni í raun rétta „stærð“ við hvern snúningshraða. Fyrst tekið upp í dísilvélum (þar sem lægra hitastig útblásturs gerði útfærsluna auðveldari) og loks innleitt í bensínvélar af Porsche með 911 Turbo.

Forþjöppun í dag: Frá afköstum til hagkvæmni

Það sem byrjaði sem verkfræðileg áskorun í flugi er orðið ríkjandi tækni í aflrásum nútímabíla. Í dag snýst forþjöppun ekki lengur aðeins um afköst — hún er lykilatriði í eldsneytisnýtingu og útblásturskröfum. Nánast hver einasta dísilvél á markaðnum ber forskeytið „túrbó“ sem sjálfsagðan hlut. Og í bensínheiminum hafa forþjappaðar vélar með litlu slagrými að mestu leyst af hólmi stærri vélar með náttúrulegu innsogi, jafnt í almennum bílum, lúxusbílum sem og sportbílum.

Litla, hógværa merkið aftan á annars venjulegum bíl segir sögu sem spannar meira en heila öld — frá einkaleyfi Büchi árið 1905 til tvíhólfa kerfanna með breytilegri rúmfræði sem við þekkjum í dag. Og þeirri sögu er ekki enn lokið.

Þetta er þýðing. Þú getur lesið frumtextann hér: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html