Турбонаддоонун тарыхы: Турболор автомобиль дүйнөсүн кантип өзгөрттү

Сиз кадимки эле көрүнгөн машинада кичинекей “turbo” белгисин качандыр бир убакта байкаган болушуңуз ыктымал. Өндүрүүчүлөр бул эмблемаларды жөнөкөй жайгаштырууга ыктайт — өлчөмү кичине, көзгө анча урунбаган жерлерге катылган. Билбеген адам үчүн анын жанынан өтүп кетүү оңой. Бирок билгендер үчүн бул токтоп карашка арзыган белги. Ошентип, бул эмнеге мынчалык көңүл бурулат? Турбонаддоонун артындагы толук окуя ушул жерде — ал кайдан пайда болгон, кантип иштейт жана эмне үчүн маанилүү.

Эмне үчүн инженерлерге ошол эле кыймылдаткычтан көбүрөөк кубаттуулук керек болгон

Автомобиль инженериясынын эң алгачкы күндөрүнөн тартып, конструкторлор бир суроого арбалган: кыймылдаткычтан кантип көбүрөөк кубаттуулук алса болот? Физиканын мыйзамдары так жооп берет — кыймылдаткычтын кубаттуулугу ар бир жумушчу циклде күйгөн отундун өлчөмүнө түз пропорционалдуу. Көбүрөөк отун күйсө, көбүрөөк кубаттуулук. Теорияда жетишерлик жөнөкөй. Бирок практикада бул алда канча татаалыраак.

Негизги чектөө — кычкылтек. Отун өзү эле күйбөйт — ал отун-аба аралашмасынын бир бөлүгү катары күйөт. Ал эми ал аралашма так теңдештирилген болушу керек, көзмөлчөп болжолдонбостон. Бензиндик кыймылдаткыч үчүн идеалдуу катыш болжол менен:

• 1 бөлүк отунга карата 14–15 бөлүк аба, иштөө режимине, отундун курамына жана башка өзгөрмөлүүлөргө жараша

Бул дегени, эгер сиз көбүрөөк отун күйгүзгүңүз келсе, кыйла көбүрөөк аба да жеткирүүгө тийишсиз. Кадимки атмосфералык (naturally aspirated) кыймылдаткычтар абаны цилиндр менен атмосферанын ортосундагы басымдын айырмасы аркылуу соруп алышат. Натыйжада катуу чек пайда болот: цилиндрдин көлөмү канчалык чоң болсо, ар бир циклде ошончолук көп кычкылтек кирет. 20-кылымдын ортосундагы америкалык өндүрүүчүлөр муну өтө чегине жеткиришкен, чоң көлөмдүү жана отунду абдан көп жей турган кыймылдаткычтарды чыгарышкан. Бирок ошол эле цилиндр көлөмүнө көбүрөөк абаны айдоонун акылдуураак жолу бар беле?

Суперчарджердин ойлоп табылышы: Готлиб Даймлердин жетишкендиги

Жооп тааныш ысымдан келди — DaimlerChrysler мурасынын артында турган ошол эле немис инженери Готлиб Вильгельм Даймлерден. 1885-жылы Даймлер цилиндрлерге көбүрөөк абаны мажбурлап киргизүүнүн ыкмасын механикалык айдалуучу суперчарджер жардамы менен иштеп чыккан — негизинен бул кыймылдаткычтын ийнивалынан түз кубат алган компрессор (желдеткич), ал кысылган абаны цилиндрлерге айдаган.

Ал иштеди. Бирок анын бир олуттуу кемчилиги бар эле: компрессор өзүн кубаттандыруу үчүн кыймылдаткычтан түз энергия уурдаган. Инженерлер мындан жакшыраак жол болуш керек экенин билишкен.

Альфред Бюхи жана турбонаддоонун жаралышы (1905)

Эми кезек Альфред Й. Бюхиге — Sulzer Brothers компаниясында иштеген швейцариялык инженер жана ойлоп табуучу, ал жерде ал дизелдик кыймылдаткычтарды иштеп чыгууну жетектеген. Бюхи эки жагынан нааразы болгон:

• Ошол доордогу дизелдик кыймылдаткычтар чоң, оор жана кубаттуулугу төмөн болгон
• Механикалык суперчарджерлер кыймылдаткычтан энергияны уурдашкан, ал энергия өзүн айдоо үчүн керек болгон

1905-жылы Бюхи радикалдуу чечимди патенттеген: кыймылдаткычтын ийнивалынан эмес, өзүнүн чыгуучу газдары (exhaust gases) аркылуу кубат алган толтуруучу түзүлүш. Бул дүйнөдөгү биринчи турбонаддоо болгон.

Турбонаддоо кантип иштейт

Турбонаддоонун артындагы түшүнүк кооздук менен жөнөкөй. Негизги принцип, кадам-кадамы менен мындай:

1. Ысык чыгуучу газдар кыймылдаткычтан чыгып, турбина корпусуна агат
2. Бул газдар калактуу дөңгөлөктү — турбина роторун — шамал тегирменди айлантканга окшоп, бирок өтө жогорку ылдамдыкта айлантат
3. Турбина ротору компрессор дөңгөлөгү менен бир валга орнотулган
4. Турбина айланганда, ал компрессорду айдайт, ал кысылган абаны цилиндрлерге мажбурлап киргизет
5. Цилиндрлердеги аба көбүрөөк болсо, көбүрөөк отун күйгүзсө болот — натыйжада кубаттуулук чыгаруу жогорулайт

“turbocharger” деген сөздүн өзү латын тамырларынан келип чыккан: turbo (куюн) жана compressio (кысуу) — ичинде эмне болуп жатканынын так сүрөттөмөсү.

Интеркулердин ролу

Табышмактын дагы бир бөлүгү бар. Аба компрессордон өтүп, ысык турбонаддоо тетиктери менен ысыганда, ал кеңейет — бул дегени ошол эле көлөмгө азыраак кычкылтек батат. Буга каршы аракеттенүү үчүн турбонаддоолуу кыймылдаткычтар интеркулерди колдонушат: бул компрессор менен кыймылдаткыч цилиндрлеринин ортосундагы аба жолуна жайгаштырылган радиатор.

Интеркулердин иши жөнөкөй, бирок чечүүчү:

• Ал кысылган абаны цилиндрлерге киргенге чейин муздатат
• Муздак аба тыгызыраак, бул дегени ошол эле мейкиндикке көбүрөөк кычкылтек молекулалары батат
• Бул андан да жогорку наддоо басымына — жана андан да чоң кубаттуулук кошумчасына мүмкүндүк берет
• Ал ошондой эле кыймылдаткычтын детонациясын (мөөнөтүнөн мурда жарылууну) алдын алууга жардам берет, өзгөчө жогорку өндүрүмдүү колдонууларда

Турбонаддоонун атмосфералык соруп алууга караганда негизги артыкчылыктары

Турбонаддоодон келип чыккан натыйжалуулуктун өсүшү олуттуу. Иштөө үчүн кыймылдаткычтын кубатын керектеген механикалык суперчарджерден айырмаланып, турбонаддоо болбосо ысырап болуп кете турган чыгуучу газдардан энергия алат. Эң негизгиси, турбина ал газдарды олуттуу жайлатпайт; анын ордуна аларды муздатат, ошол процессте энергияны калыбына келтирет. Негизги пайдалары төмөнкүлөр:

• Турбонаддоонун өзүн-өзү тейлөөсүнө кыймылдаткыч энергиясынын ~1,5% гана кетет
• Кичирээк көлөмдөгү кыймылдаткычтан жогорку кубаттуулук чыгаруу
• Жеңилирээк, ыкчамыраак кыймылдаткычтын аркасында үйкөлүштөн болгон жоготуулардын азайышы
• Бирдей кубаттуулуктагы атмосфералык кыймылдаткыч менен салыштырганда отунду үнөмдөөнүн жакшырышы
• Тазараак чыгуучу газ, өзгөчө заманбап дизелдик кыймылдаткычтар үчүн актуалдуу

Бул идеалдуу чечимдей угулат — бирок турбонаддоо олуттуу инженердик кыйынчылыктар менен келген, алар анын кеңири колдонулушун ондогон жылдарга кечиктирген.

Кыйынчылыктар: өтө жогорку ысык, ылдамдык жана турболаг

Турбонаддоолор аёосуз шарттарда иштешет:

• Турбина роторлору 200 000 айл/мүн (RPM) чейин айлана алат
• Чыгуучу газдын температурасы 1000°C (1832°F) чейин жетиши мүмкүн
• Тетиктер тынымсыз жылуулук жана механикалык чыңалуу астында структуралык бүтүндүгүн жана так толеранттыктарды сактоого тийиш

Ушундан улам турбонаддоо Экинчи дүйнөлүк согуш учурунда гана кеңири жайылган — жана адегенде инженердик инвестиция актала турган авиацияда гана. 1950-жылдары Caterpillar бул технологияны өзүнүн тракторлоруна ийгиликтүү ыңгайлаштырган, ал эми Cummins биринчи турбодизелдик жүк ташуучу кыймылдаткычтарды иштеп чыккан. Турбонаддоолуу жеңил автомобилдер 1962-жылга чейин пайда болгон эмес, ошол кезде Oldsmobile Jetfire менен Chevrolet Corvair Monza дээрлик бир убакта чыгарылган.

Бышыктыктан тышкары, машиналарга гана таандык дагы бир кыйынчылык бар эле: турболаг. Кыймылдаткычтын төмөнкү айлануу ылдамдыгында чыгуучу газдын көлөмү чектелүү, ошондуктан турбина жай айланат жана компрессор басымды араң түзөт. Кыймылдаткыч 3000 айл/мүн төмөн жай сезилиши мүмкүн, андан кийин 4000–5000 айл/мүн жогору кубат менен капыстан күч алат. Турбина канчалык чоң болсо, лаг ошончолук айкын. Кичирээк турбиналар лагды азайтат, бирок эң жогорку кубаттуулукту курмандыкка чалат.

Заманбап чечимдер: инженерлер турболагды кантип жеңишти

Ондогон жылдар бою инженерлер кубаттуулук кошумчасын сактоо менен турболагды азайтуу үчүн бир нече акылдуу ыкмаларды иштеп чыгышты:

• Удаалаш кош турбина (sequential twin-turbo): Кичинекей, төмөн инерциялуу турбонаддоо төмөнкү айлануу ылдамдыгын тейлейт, ал эми чоңураак бирдик жогорку айлануу ылдамдыгында кошулат. Уламыш болгон Porsche 959’до колдонулган, ал эми бүгүн BMW менен Land Rover турбодизелдеринде кездешет. Volkswagen бензиндик кыймылдаткычтары төмөнкү айлануудагы дагы тездик жооп үчүн кичинекей турбонун ордуна курлуу айдалган суперчарджер колдонушат.
• Кош спираль турбонаддоо (twin-scroll turbocharger): Эки өзүнчө чыгуучу газ киришине (спираль) ээ жалгыз турбина, алардын ар бири ар башка цилиндр тобунан кубаттанат. Бул турбинаны төмөнкү жана жогорку айлануу ылдамдыктарында тең натыйжалуу айланта берет, экинчи турбина бирдигин кошпостон лагды азайтат. Алты цилиндрдүү катар (straight-six) жана төрт цилиндрдүү кыймылдаткычтарда кеңири таралган.
• Параллель кош турбина (parallel twin-turbo): Өзүнчө цилиндр катарларын тейлеген эки бирдей турбонаддоо. V-конфигурациялуу кыймылдаткычтарда стандарт, мында ар бир катар өзүнчө бирдик алат. BMW’нин M бөлүмү муну дагы алыс алып барган: X5 M жана X6 M’де катарлар аралык чыгуучу коллектор колдонуп, кош спираль компрессорго карама-каршы цилиндр катарларынан карама-каршы күйүү фазаларында газ соруп алууга мүмкүндүк берген.
• Өзгөрмөлүү геометриялуу турбонаддоо (VGT): Турбина корпусунун ичиндеги жөнгө салынуучу калактар кыймылдаткычтын ылдамдыгына жараша чыгуучу газдардын агым жолун өзгөртөт — бул турбонаддоого ар бир айлануу ылдамдыгында туура “өлчөмдү” берет. Адегенде дизелдик кыймылдаткычтарда кабыл алынган (мында төмөнкү чыгуучу газ температурасы ишке ашырууну жеңилдеткен), акырында Porsche тарабынан 911 Turbo менен бензиндик кыймылдаткычтарга алынып келинген.

Бүгүнкү турбонаддоо: өндүрүмдүүлүктөн натыйжалуулукка

Авиациялык инженердик кыйынчылык катары башталган нерсе заманбап автомобиль кубат берүү системаларында үстөмдүк кылган технологияга айланды. Бүгүнкү күндө турбонаддоо мындан ары өндүрүмдүүлүк жөнүндө гана эмес — ал отунду үнөмдөө жана зыяндуу заттарды чыгаруу стандарттарына борбордук орунда турат. Рыноктогу дээрлик ар бир дизелдик кыймылдаткыч “turbo” префиксин сөзсүз көтөрөт. Ал эми бензин дүйнөсүндө турбонаддоолуу кичине көлөмдүү кыймылдаткычтар чоңураак атмосфералык бирдиктерди массалык, люкс жана өндүрүмдүү сегменттердин баарында дээрлик алмаштырды.

Кадимки эле машинанын артындагы момун кичинекей белги бир кылымдан ашык созулган окуяны баяндайт — Бюхинин 1905-жылдагы патентинен бүгүнкү кош спираль, өзгөрмөлүү геометриялуу системаларга чейин. Ал эми бул окуя дагы эле бүтө элек.

Бул котормо. Түпнускасын ушул жерден окуй аласыз: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html