ალბათ ოდესმე შეგიმჩნევიათ პატარა „turbo“ ემბლემა ერთი შეხედვით სავსებით ჩვეულებრივ ავტომობილზე. მწარმოებლები ამ ნიშნებს, როგორც წესი, თავმდაბლად ათავსებენ — პატარა ზომის, შეუმჩნეველ ადგილებში. გაუთვითცნობიერებლისთვის ადვილია მათ გვერდით უბრალოდ ჩაიაროს. მაგრამ მცოდნეთათვის ეს არის სიგნალი, რომლის გამოც ღირს გაჩერება. მაშ, რა არის ამდენი აჟიოტაჟის მიზეზი? აქ არის სრული ამბავი ტურბოდამუხტვის შესახებ — საიდან მოვიდა, როგორ მუშაობს და რატომ აქვს მნიშვნელობა.
რატომ დასჭირდათ ინჟინრებს მეტი სიმძლავრე იმავე ძრავიდან
საავტომობილო ინჟინერიის ადრეული დღეებიდანვე დიზაინერებს ერთი კითხვა ეპყრობოდათ აკვიატებად: როგორ მიიღო მეტი სიმძლავრე ძრავიდან? ფიზიკის კანონები ნათელ პასუხს იძლევა — ძრავის სიმძლავრე პირდაპირპროპორციულია თითოეულ სამუშაო ციკლში დაწვული საწვავის რაოდენობისა. მეტი დაწვული საწვავი ნიშნავს მეტ სიმძლავრეს. თეორიულად საკმაოდ მარტივია. მაგრამ პრაქტიკაში გაცილებით რთულია.
მთავარი შემზღუდველი ფაქტორი ჟანგბადია. საწვავი თავისით არ იწვის — ის იწვის როგორც საწვავ-ჰაერის ნარევის ნაწილი. და ეს ნარევი ზუსტად უნდა იყოს დაბალანსებული, და არა თვალით შეფასებული. ბენზინის ძრავისთვის იდეალური თანაფარდობა დაახლოებით ასეთია:
- 1 ნაწილი საწვავი — 14–15 ნაწილ ჰაერთან, რაც დამოკიდებულია მუშაობის რეჟიმზე, საწვავის შემადგენლობასა და სხვა ცვლადებზე
ეს ნიშნავს, რომ თუ გსურთ მეტი საწვავის დაწვა, ასევე მნიშვნელოვნად მეტი ჰაერი უნდა მიაწოდოთ. ჩვეულებრივი ბუნებრივად ასპირირებული ძრავები ჰაერს ცილინდრსა და ატმოსფეროს შორის წნევის სხვაობის ხარჯზე ისრუტავენ. შედეგი მკაცრი ზღვარია: რაც უფრო დიდია ცილინდრის მოცულობა, მით მეტი ჟანგბადი შედის ციკლზე. მე-20 საუკუნის შუა ხანების ამერიკელმა მწარმოებლებმა ეს უკიდურესობამდე მიიყვანეს და გამოუშვეს უზარმაზარი მუშა მოცულობის ძრავები უზარმაზარი საწვავის მადით. მაგრამ ხომ არ არსებობდა უფრო ჭკვიანი გზა, რომ მეტი ჰაერი შესულიყო იმავე ცილინდრის მოცულობაში?
ზემქუჩავის გამოგონება: გოტლიბ დაიმლერის გარღვევა
პასუხი ნაცნობი სახელიდან მოვიდა — გოტლიბ ვილჰელმ დაიმლერი, იგივე გერმანელი ინჟინერი, რომელიც DaimlerChrysler-ის მემკვიდრეობის უკან დგას. ჯერ კიდევ 1885 წელს დაიმლერმა შეიმუშავა მეთოდი, რომლითაც ძრავის ცილინდრებში მეტი ჰაერის შეძალება შეიძლებოდა მექანიკურად ამოქმედებული ზემქუჩავის საშუალებით — არსებითად, კომპრესორი (ვენტილატორი), რომელსაც უშუალოდ ძრავის მუხლა ლილვი ამოძრავებდა და რომელიც შეკუმშულ ჰაერს ცილინდრებში აგზავნიდა.
ის მუშაობდა. მაგრამ ერთი მნიშვნელოვანი ნაკლი ჰქონდა: კომპრესორი ენერგიას უშუალოდ ძრავიდან იპარავდა საკუთარი თავის ამოსამოძრავებლად. ინჟინრებმა იცოდნენ, რომ უკეთესი გზა უნდა ყოფილიყო.
ალფრედ ბიუხი და ტურბოდამმუხტავის დაბადება (1905)
აქ ჩნდება ალფრედ ჯ. ბიუხი, შვეიცარიელი ინჟინერი და გამომგონებელი, რომელიც კომპანია Sulzer Brothers-ში მუშაობდა და დიზელის ძრავების შემუშავებას ხელმძღვანელობდა. ბიუხი ორი მხრიდან იყო იმედგაცრუებული:
- იმ ეპოქის დიზელის ძრავები იყო დიდი, მძიმე და სუსტი
- მექანიკური ზემქუჩავები ძრავს იმ ენერგიას ართმევდნენ, რომელიც მას საკუთარი თავის ამოსამოძრავებლად სჭირდებოდა
1905 წელს ბიუხიმ დააპატენტა რადიკალური გადაწყვეტა: დამმუხტავი მოწყობილობა, რომელსაც ამოძრავებდა არა ძრავის მუხლა ლილვი, არამედ მისივე გამონაბოლქვი აირები. ეს იყო მსოფლიოში პირველი ტურბოდამმუხტავი.
როგორ მუშაობს ტურბოდამმუხტავი
ტურბოდამუხტვის უკან მდგარი კონცეფცია მოხდენილად მარტივია. აი, ძირითადი პრინციპი, ნაბიჯ-ნაბიჯ:
- ცხელი გამონაბოლქვი აირები გამოდის ძრავიდან და მიედინება ტურბინის კორპუსში
- ეს აირები ატრიალებენ ფრთებიან ბორბალს — ტურბინის როტორს — ისევე, როგორც ქარი ატრიალებს წისქვილს, ოღონდ უკიდურესად დიდი სიჩქარით
- ტურბინის როტორი დამაგრებულია იმავე ლილვზე, რომელზეც კომპრესორის ბორბალია
- ტურბინის ბრუნვისას ის ამოძრავებს კომპრესორს, რომელიც შეკუმშულ ჰაერს ძალით აწვდის ცილინდრებს
- მეტი ჰაერი ცილინდრებში ნიშნავს, რომ მეტი საწვავის დაწვაა შესაძლებელი — რაც მეტ გამომავალ სიმძლავრეს იძლევა
თავად სიტყვა „turbocharger“ მომდინარეობს ლათინური ფესვებიდან turbo (გრიგალი) და compressio (შეკუმშვა) — ზუსტი აღწერა იმისა, რაც შიგნით ხდება.
ინტერკულერის როლი
თავსატეხს კიდევ ერთი ნაწილი აქვს. როცა ჰაერი კომპრესორში გადის და ტურბოდამმუხტავის ცხელი დეტალებით თბება, ის ფართოვდება — ანუ იმავე მოცულობაში ნაკლები ჟანგბადი ეტევა. ამის საწინააღმდეგოდ ტურბოდამუხტული ძრავები იყენებენ ინტერკულერს: რადიატორს, რომელიც ჰაერის გზაზე, კომპრესორსა და ძრავის ცილინდრებს შორის არის განთავსებული.
ინტერკულერის ამოცანა მარტივი, მაგრამ კრიტიკულია:
- ის აცივებს შეკუმშულ ჰაერს ცილინდრებში შესვლამდე
- უფრო ცივი ჰაერი უფრო მკვრივია, ანუ იმავე სივრცეში მეტი ჟანგბადის მოლეკულა ეტევა
- ეს იძლევა კიდევ უფრო მაღალ აჭარბების წნევას — და კიდევ უფრო დიდ სიმძლავრის მატებას
- ის ასევე ხელს უწყობს ძრავის დეტონაციის (ნაადრევი აალების) თავიდან აცილებას, განსაკუთრებით მაღალპროდუქტიულ გამოყენებებში
ტურბოდამუხტვის ძირითადი უპირატესობები ბუნებრივ ასპირაციასთან შედარებით
ტურბოდამუხტვით მიღწეული ეფექტურობის მატება მნიშვნელოვანია. მექანიკურად ამოქმედებული ზემქუჩავისგან განსხვავებით — რომელიც მუშაობისთვის ძრავის სიმძლავრეს ხარჯავს — ტურბოდამმუხტავი ენერგიას იღებს გამონაბოლქვი აირებიდან, რომელიც სხვა შემთხვევაში ფუჭად დაიკარგებოდა. რაც მთავარია, ტურბინა ამ აირებს მნიშვნელოვნად არ ანელებს; ის მათ აცივებს და ამ პროცესში ენერგიას იბრუნებს. ძირითადი სარგებელია:
- ტურბოდამმუხტავის თვითმოვლაზე იხარჯება ძრავის ენერგიის მხოლოდ ~1,5%
- უფრო მაღალი გამომავალი სიმძლავრე უფრო მცირე მუშა მოცულობის ძრავიდან
- ხახუნით გამოწვეული დანაკარგების შემცირება უფრო მსუბუქი, უფრო კომპაქტური ძრავის წყალობით
- უკეთესი საწვავის ეკონომიურობა ეკვივალენტური სიმძლავრის ბუნებრივად ასპირირებულ ძრავთან შედარებით
- უფრო სუფთა გამონაბოლქვი, განსაკუთრებით აქტუალური თანამედროვე დიზელის ძრავებისთვის
ჟღერს, როგორც იდეალური გადაწყვეტა — მაგრამ ტურბოდამუხტვას თან ახლდა სერიოზული საინჟინრო გამოწვევები, რომლებმაც მისი ფართო დანერგვა ათწლეულებით გადადო.
გამოწვევები: უკიდურესი სიცხე, სიჩქარე და ტურბო-ჩამორჩენა
ტურბოდამმუხტავები მუშაობენ სასტიკ პირობებში:
- ტურბინის როტორებს შეუძლიათ ბრუნვა 200 000 ბრ/წთ-მდე
- გამონაბოლქვი აირების ტემპერატურამ შეიძლება მიაღწიოს 1 000°C-ს (1 832°F)
- დეტალებმა უნდა შეინარჩუნონ სტრუქტურული მთლიანობა და ზუსტი დაშვებები უწყვეტი თერმული და მექანიკური დატვირთვის ქვეშ
ამის გამო ტურბოდამუხტვა ფართოდ მხოლოდ მეორე მსოფლიო ომის დროს გავრცელდა — და თავიდან მხოლოდ ავიაციაში, სადაც საინჟინრო ინვესტიცია გამართლებული იყო. 1950-იან წლებში Caterpillar-მა ეს ტექნოლოგია წარმატებით მოარგო თავის ტრაქტორებს, ხოლო Cummins-მა შეიმუშავა პირველი ტურბოდიზელის სატვირთო ძრავები. ტურბოდამუხტული მსუბუქი ავტომობილები მხოლოდ 1962 წელს გამოჩნდა, როცა Oldsmobile Jetfire და Chevrolet Corvair Monza თითქმის ერთდროულად გამოვიდა.
გამძლეობის გარდა, ავტომობილებისთვის კიდევ ერთი თავისებური გამოწვევა არსებობდა: ტურბო-ჩამორჩენა. ძრავის დაბალ ბრუნებზე გამონაბოლქვი აირების მოცულობა შეზღუდულია, ამიტომ ტურბინა ნელა ბრუნავს და კომპრესორი წნევას ძლივს ქმნის. ძრავი შეიძლება დუნედ გრძნობდეს თავს 3 000 ბრ/წთ-ს ქვემოთ, შემდეგ კი უცბად სიმძლავრით აიწიოს 4 000–5 000 ბრ/წთ-ს ზემოთ. რაც უფრო დიდია ტურბინა, მით უფრო თვალსაჩინოა ჩამორჩენა. უფრო მცირე ტურბინები ამცირებენ ჩამორჩენას, მაგრამ პიკურ სიმძლავრეს სწირავენ.
თანამედროვე გადაწყვეტები: როგორ დაამარცხეს ინჟინრებმა ტურბო-ჩამორჩენა
ათწლეულების განმავლობაში ინჟინრებმა შეიმუშავეს რამდენიმე ჭკვიანური მიდგომა, რათა ტურბო-ჩამორჩენა მინიმუმამდე დაეყვანათ სიმძლავრის მატების შენარჩუნებით:
- თანმიმდევრული ორმაგი ტურბო (sequential twin-turbo): პატარა, დაბალინერციული ტურბოდამმუხტავი უმკლავდება დაბალ ბრუნვებს, ხოლო უფრო დიდი აგრეგატი ერთვება მაღალ ბრუნვებზე. გამოყენებული იყო ლეგენდარულ Porsche 959-ში, დღეს კი გვხვდება BMW-სა და Land Rover-ის ტურბოდიზელებში. Volkswagen-ის ბენზინის ძრავები პატარა ტურბოს ნაცვლად იყენებენ ღვედით ამოქმედებულ ზემქუჩავს კიდევ უფრო სწრაფი დაბალბრუნებიანი რეაქციისთვის.
- ორხვეულიანი ტურბოდამმუხტავი (twin-scroll turbocharger): ერთი ტურბო ორი ცალკეული გამონაბოლქვი შესასვლელით (ხვეულით), რომელთაგან თითოეულს კვებავს ცილინდრების სხვადასხვა ჯგუფი. ეს ტურბინას ეფექტურად ამუშავებს როგორც დაბალ, ისე მაღალ ბრუნვებზე და ამცირებს ჩამორჩენას მეორე ტურბო-აგრეგატის დამატების გარეშე. გავრცელებულია ექვსცილინდრიან ხაზობრივ და ოთხცილინდრიან ძრავებში.
- პარალელური ორმაგი ტურბო (parallel twin-turbo): ორი იდენტური ტურბოდამმუხტავი, რომლებიც ცალკეულ ცილინდრთა ბლოკებს ემსახურებიან. სტანდარტულია V-ფორმის ძრავებში, სადაც თითოეული ბლოკი საკუთარ აგრეგატს იღებს. BMW-ს M განყოფილებამ ეს კიდევ უფრო შორს წაიყვანა X5 M-სა და X6 M-ზე ჯვარედინი გამონაბოლქვის კოლექტორით, რამაც ორხვეულიან კომპრესორს საშუალება მისცა აირები მოეზიდა მოპირდაპირე ცილინდრთა ბლოკებიდან მოპირდაპირე აალების ფაზებში.
- ცვალებადი გეომეტრიის ტურბოდამმუხტავი (VGT): ტურბინის კორპუსში მოთავსებული რეგულირებადი ფრთები ცვლის გამონაბოლქვი აირების მიმდინარეობის გზას ძრავის ბრუნებიდან გამომდინარე — რაც ფაქტობრივად ტურბოს ყოველ ბრუნზე სწორ „ზომას“ ანიჭებს. პირველად დაინერგა დიზელის ძრავებში (სადაც გამონაბოლქვის დაბალმა ტემპერატურამ დანერგვა გააადვილა), საბოლოოდ კი ბენზინის ძრავებში Porsche-მ შემოიტანა 911 Turbo-ით.
ტურბოდამუხტვა დღეს: პროდუქტიულობიდან ეფექტურობამდე
ის, რაც ავიაციის საინჟინრო გამოწვევად დაიწყო, თანამედროვე საავტომობილო ძალური აგრეგატების დომინანტურ ტექნოლოგიად იქცა. დღეს ტურბოდამუხტვა აღარ ეხება მხოლოდ პროდუქტიულობას — ის ცენტრალურია საწვავის ეკონომიურობისა და გამონაბოლქვის სტანდარტებისთვის. ბაზარზე თითქმის ყველა დიზელის ძრავი თავისთავად ატარებს „turbo“ პრეფიქსს. ბენზინის სამყაროში კი ტურბოდამუხტულმა მცირე მუშა მოცულობის ძრავებმა დიდწილად ჩაანაცვლა უფრო დიდი ბუნებრივად ასპირირებული აგრეგატები როგორც მასობრივ, ისე ლუქს და მაღალპროდუქტიულ სეგმენტებში.
ერთი შეხედვით ჩვეულებრივი ავტომობილის უკან არსებული მოკრძალებული პატარა ემბლემა გვიყვება ამბავს, რომელიც ერთ საუკუნეზე მეტს მოიცავს — ბიუხის 1905 წლის პატენტიდან დღევანდელ ორხვეულიან, ცვალებადი გეომეტრიის სისტემებამდე. და ეს ამბავი ჯერ არ დასრულებულა.
ეს არის თარგმანი. ორიგინალის წაკითხვა შეგიძლიათ აქ: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html
გამოქვეყნდა იანვარი 27, 2022 • 8 წთ. საკითხავი
