Турбонаддау тарихы: Турбиналар автомобиль әлемін қалай өзгертті

Сіз кәдімгі көрінетін автокөліктен кішкентай «turbo» белгісін бір кездері байқаған боларсыз. Өндірушілер мұндай эмблемаларды әдетте қарапайым етіп орналастырады — өлшемі шағын, көзге түспейтін жерлерге жасырынған. Білмейтін адам үшін оны байқамай өтіп кету оңай. Ал білетіндер үшін бұл — тоқтап тұруға тұрарлық белгі. Сонда мұнша әбігердің себебі неде? Міне, турбонаддаудың толық тарихы — ол қайдан шыққаны, қалай жұмыс істейтіні және неге маңызды екені туралы.

Инженерлерге сол бір қозғалтқыштан көбірек қуат не үшін қажет болды

Автомобиль инженериясының ең алғашқы күндерінен бастап конструкторлар бір сұрақпен әуестенді: қозғалтқыштан көбірек қуатты қалай алуға болады? Физика заңдары айқын жауап береді — қозғалтқыш қуаты әрбір жұмыс циклінде жанатын отын мөлшеріне тікелей пропорционал. Көбірек отын жанса — көбірек қуат. Теория жүзінде қарапайым. Бірақ іс жүзінде бұл әлдеқайда күрделі.

Басты шектеу — оттегі. Отын өздігінен жанбайды — ол отын-ауа қоспасының бөлігі ретінде жанады. Әрі бұл қоспа дәл теңгерілуі тиіс, көзбен мөлшерленбейді. Бензиндік қозғалтқыш үшін идеал қатынас шамамен мынадай:

• 1 бөлік отын және 14–15 бөлік ауа, жұмыс режиміне, отын құрамына және басқа айнымалыларға байланысты

Бұл дегеніміз — егер сіз көбірек отын жаққыңыз келсе, ауаны да едәуір көбірек беруіңіз керек. Кәдімгі атмосфералық (табиғи сорумен жұмыс істейтін) қозғалтқыштар ауаны цилиндр мен атмосфера арасындағы қысым айырмашылығы арқылы сорып алады. Нәтижесінде қатаң шек пайда болады: цилиндр көлемі неғұрлым үлкен болса, әр циклде соғұрлым көп оттегі кіреді. ХХ ғасырдың ортасындағы америкалық өндірушілер мұны шегіне жеткізіп, отынды көп жейтін орасан зор көлемді қозғалтқыштар шығарды. Бірақ сол бір цилиндр көлеміне көбірек ауа айдаудың ақылдырақ жолы бар ма еді?

Компрессордың (нагнетательдің) ойлап табылуы: Готлиб Даймлердің жетістігі

Жауап таныс есімнен шықты — Готлиб Вильгельм Даймлер, DaimlerChrysler мұрасының артында тұрған сол неміс инженері. 1885 жылы Даймлер қозғалтқыш цилиндрлеріне ауаны көбірек айдаудың әдісін жасады — ол механикалық жетекті компрессорды (нагнетательді) қолданды, яғни цилиндрлерге сығылған ауаны итеретін, қозғалтқыштың иінді білігінен тікелей қозғалысқа келетін компрессор (желдеткіш).

Бұл жұмыс істеді. Бірақ бір елеулі кемшілігі болды: компрессор өзін қозғалысқа келтіру үшін энергияны тікелей қозғалтқыштан тартып алды. Инженерлер мұнан да жақсы жол болуы тиіс екенін білді.

Альфред Бюхи және турбокомпрессордың дүниеге келуі (1905)

Міне, Sulzer Brothers компаниясында дизель қозғалтқыштарын дамытуды басқарған швейцариялық инженер әрі өнертапқыш Альфред Й. Бюхи көрінеді. Бюхиді екі нәрсе ренжітті:

• Сол дәуірдің дизель қозғалтқыштары үлкен, ауыр әрі қуаты әлсіз болды
• Механикалық компрессорлар қозғалтқыштың өзін қозғалысқа келтіруге қажет энергиясын тартып алды

1905 жылы Бюхи түбегейлі шешімді патенттеді: қозғалтқыштың иінді білігінен емес, өзінің пайдаланылған газдарынан қозғалысқа келетін айдау құрылғысы. Бұл әлемдегі алғашқы турбокомпрессор еді.

Турбокомпрессор қалай жұмыс істейді

Турбонаддаудың негізіндегі идея таңғажайып қарапайым. Міне, негізгі қағида, қадам-қадаммен:

1. Ыстық пайдаланылған газдар қозғалтқыштан шығып, турбина корпусына ағады
2. Бұл газдар қалақшалы дөңгелекті — турбина роторын — жел диірменді айналдырғандай, бірақ өте жоғары жылдамдықпен айналдырады
3. Турбина роторы компрессор дөңгелегімен бір білікке орнатылған
4. Турбина айналған сайын компрессорды қозғалысқа келтіреді, ал ол сығылған ауаны цилиндрлерге айдайды
5. Цилиндрлердегі ауаның көбеюі көбірек отынның жануына мүмкіндік береді — нәтижесінде қуат шығымы артады

«Турбокомпрессор» сөзінің өзі латынның turbo (құйын) және compressio (сығу) түбірлерінен шыққан — ішінде болып жатқан үдерістің дәл сипаттамасы.

Интеркулердің рөлі

Жұмбақтың тағы бір бөлігі бар. Ауа компрессор арқылы өтіп, турбокомпрессордың ыстық бөлшектерінен қызған кезде ұлғаяды — яғни сол көлемге аз оттегі сыяды. Бұған қарсы тұру үшін турбонаддаулы қозғалтқыштар интеркулерді қолданады: ол компрессор мен қозғалтқыш цилиндрлерінің арасындағы ауа жолына орнатылған радиатор.

Интеркулердің міндеті қарапайым, бірақ маңызды:

• Ол сығылған ауаны цилиндрлерге кіргенге дейін салқындатады
• Салқынырақ ауа тығызырақ, яғни сол кеңістікке көбірек оттегі молекуласы сыяды
• Бұл одан да жоғары үрлеу қысымына — әрі одан да үлкен қуат қосымшасына мүмкіндік береді
• Сондай-ақ ол қозғалтқыш детонациясының (мерзімінен бұрын тұтанудың) алдын алуға көмектеседі, әсіресе жоғары өнімді қолданыстарда

Турбонаддаудың табиғи сорумен салыстырғандағы негізгі артықшылықтары

Турбонаддаудан түсетін тиімділік едәуір зор. Жұмыс істеу үшін қозғалтқыш қуатын жұмсайтын механикалық жетекті компрессордан айырмашылығы — турбокомпрессор әйтпесе босқа кететін пайдаланылған газдардан энергия алады. Маңыздысы, турбина бұл газдарды елеулі түрде баяулатпайды; оның орнына оларды салқындатады әрі осы үдерісте энергияны қалпына келтіреді. Басты артықшылықтары мыналар:

• Турбокомпрессордың өзін-өзі ұстап тұруына қозғалтқыш энергиясының тек ~1,5%-ы ғана жұмсалады
• Көлемі кішірек қозғалтқыштан жоғары қуат шығымы
• Жеңілірек әрі ықшамырақ қозғалтқыштың арқасында үйкеліс шығындарының азаюы
• Қуаты тең табиғи сорумен жұмыс істейтін қозғалтқышпен салыстырғанда отын үнемділігінің жақсаруы
• Тазарақ пайдаланылған газ, әсіресе заманауи дизель қозғалтқыштары үшін өзекті

Бұл мінсіз шешім сияқты естіледі — бірақ турбонаддаудың ауқымды қолданысқа енуін ондаған жылға кешіктірген елеулі инженерлік қиындықтары болды.

Қиындықтар: шектен тыс ыстық, жылдамдық және турбо саңылауы (turbo lag)

Турбокомпрессорлар аса қатал жағдайларда жұмыс істейді:

• Турбина роторлары 200 000 айн/мин жылдамдыққа дейін айнала алады
• Пайдаланылған газдың температурасы 1000°C (1832°F) жетуі мүмкін
• Бөлшектер үздіксіз жылулық және механикалық жүктеме жағдайында құрылымдық тұтастығы мен дәл рұқсатнамаларын сақтауы тиіс

Сол себепті турбонаддау тек Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде ғана кең тарады — әрі алғашында тек авиацияда, мұнда инженерлік шығынның ақталуы заңды еді. 1950 жылдары Caterpillar бұл технологияны өз тракторларына сәтті бейімдеді, ал Cummins алғашқы турбодизельді жүк көлігі қозғалтқыштарын жасады. Турбонаддаулы жеңіл автокөліктер 1962 жылға дейін шықпады, сол кезде Oldsmobile Jetfire мен Chevrolet Corvair Monza бір мезгілге жуық шығарылды.

Беріктіктен бөлек, автокөліктерге тән тағы бір қиындық болды: турбо саңылауы (turbo lag). Қозғалтқыштың төмен айналымдарында пайдаланылған газ көлемі шектеулі, сондықтан турбина баяу айналады әрі компрессор қысымды әрең жинайды. Қозғалтқыш 3000 айн/мин-ге дейін бос әрі әлсіз сезілуі мүмкін, содан соң 4000–5000 айн/мин-нен жоғарыда кенет қуатпен лықсиды. Турбина неғұрлым үлкен болса, саңылау соғұрлым айқынырақ. Кішірек турбиналар саңылауды азайтады, бірақ шыңдық қуатты құрбан етеді.

Заманауи шешімдер: инженерлер турбо саңылауын қалай жеңді

Ондаған жыл бойы инженерлер қуат қосымшасын сақтай отырып, турбо саңылауын барынша азайтудың бірнеше тапқыр тәсілін жасап шығарды:

• Тізбекті қос турбина (sequential twin-turbo): Инерциясы аз кішкентай турбокомпрессор төмен айналымдарды атқарады, ал жоғары айналымда үлкенірек құрылғы іске қосылады. Аты аңызға айналған Porsche 959-да қолданылған, ал бүгінде BMW мен Land Rover турбодизельдерінде кездеседі. Volkswagen бензиндік қозғалтқыштары төмендегі жауапты одан да тездету үшін кішкентай турбинаның орнына белдікті жетекті компрессорды қолданады.
• Қос ұлуша турбокомпрессор (twin-scroll): Әрқайсысын әртүрлі цилиндр тобы қоректендіретін екі бөлек шығару кірісі (ұлушасы) бар жалғыз турбина. Бұл турбинаны төмен де, жоғары да айналымда тиімді айналдырып тұрады, екінші турбина құрылғысын қоспай-ақ саңылауды азайтады. Қатарлас алты цилиндрлі әрі төрт цилиндрлі қозғалтқыштарда кең таралған.
• Қатарлас қос турбина (parallel twin-turbo): Бөлек цилиндр блоктарын қызмет ететін екі бірдей турбокомпрессор. V тәріздес қозғалтқыштарда стандарт, мұнда әр блок өз құрылғысын алады. BMW-дің M бөлімі мұны одан әрі дамытып, X5 M мен X6 M-да блоктар арасын кесіп өтетін шығару коллекторын қолданды, бұл қос ұлуша компрессорға қарама-қарсы тұтану фазаларында қарама-қарсы цилиндр блоктарынан газ тартуға мүмкіндік берді.
• Өзгермелі геометриялы турбокомпрессор (VGT): Турбина корпусының ішіндегі реттелетін қалақшалар қозғалтқыш жылдамдығына байланысты пайдаланылған газдардың ағу жолын өзгертеді — іс жүзінде турбинаға әр айналымда дұрыс «өлшем» береді. Алдымен дизель қозғалтқыштарында қолданысқа енді (мұнда шығару температурасының төмендеуі жүзеге асыруды жеңілдетті), сосын Porsche оны 911 Turbo арқылы бензиндік қозғалтқыштарға әкелді.

Бүгінгі турбонаддау: өнімділіктен үнемділікке

Авиациялық инженерлік қиындық ретінде басталған нәрсе заманауи автомобиль трансмиссияларындағы үстем технологияға айналды. Бүгінде турбонаддау тек өнімділік туралы ғана емес — ол отын үнемділігі мен шығарынды стандарттарының өзегі. Нарықтағы кез келген дизель қозғалтқышы дерлік «турбо» алдыжұрнағын әдеттегідей иеленеді. Ал бензин әлемінде турбонаддаулы шағын көлемді қозғалтқыштар жаппай, премиум және өнімді сегменттердің бәрінде дерлік үлкенірек табиғи сорулы құрылғыларды алмастырды.

Кәдімгі көрінетін автокөліктің артындағы әлгі қарапайым шағын белгі бір ғасырдан астам уақытты қамтитын тарихты баяндайды — Бюхидің 1905 жылғы патентінен бастап бүгінгі қос ұлуша, өзгермелі геометриялы жүйелерге дейін. Әрі бұл тарих әлі аяқталған жоқ.

Бұл — аударма. Түпнұсқаны мына жерден оқи аласыз: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html