Turboįkrovimo istorija: kaip turbokompresoriaus sukūrimas pakeitė automobilių pasaulį

Tikriausiai esate pastebėję mažą užrašą „turbo” ant kitu atžvilgiu paprastai atrodančio automobilio. Gamintojai paprastai deda šias emblemas kukliai — mažas, paslėptas neišvaizdiose vietose. Neišmanančiam lengva praeiti pro šalį nepastebėjus. Tačiau tiems, kurie žino, tai signalas, ties kuriuo verta sustoti. Taigi kokia čia esmė? Štai visa turboįkrovimo istorija — iš kur ji atsirado, kaip veikia ir kodėl tai svarbu.

Kodėl inžinieriams reikėjo daugiau galios iš to paties variklio

Nuo pačių automobilių inžinerijos pradžių projektavuotojai buvo apsėsti vieno klausimo: kaip išgauti daugiau galios iš variklio? Fizikos dėsniai pateikia aiškų atsakymą — variklio galia tiesiogiai proporcinga kiekvieno darbo ciklo metu sudeginto kuro kiekiui. Daugiau sudeginto kuro reiškia daugiau galios. Teoriškai paprasta. Tačiau praktikoje tai daug sudėtingiau.

Pagrindinis apribojimas yra deguonis. Kuras nedega pats savaime — jis dega kaip kuro ir oro mišinio dalis. Ir tas mišinys turi būti subalansuotas tiksliai, o ne įvertintas akimis. Benzininiams varikliams idealus santykis yra maždaug:

• 1 dalis kuro ir 14–15 dalių oro, priklausomai nuo darbo režimo, kuro sudėties ir kitų kintamųjų

Tai reiškia, kad norint deginti daugiau kuro, reikia tiekti žymiai daugiau oro. Įprastiniai natūralaus įsiurbimo varikliai įtraukia orą per slėgio skirtumą tarp cilindro ir atmosferos. Tai sukuria griežtą ribą: kuo didesnis cilindro tūris, tuo daugiau deguonies patenka per ciklą. XX amžiaus vidurio Amerikos gamintojai tai pakėlė iki kraštutinumo, gamindami milžiniško darbinio tūrio variklius su didžiuliu kuro poreikiu. Bet ar buvo protingesnis būdas pumpuoti daugiau oro į tą patį cilindro tūrį?

Kompresoriaus išradimas: Gottliebo Daimlerio proveržis

Atsakymas atėjo iš pažįstamo vardo — Gottliebo Wilhelmo Daimlerio, to paties vokiečių inžinieriaus, esančio už „DaimlerChrysler” palikimo. 1885 metais Daimleris sukūrė metodą priverstinai tiekti daugiau oro į variklio cilindrus, naudodamas mechaniškai varomą kompresorių — iš esmės kompresorių (ventiliatorių), tiesiogiai varomą variklio alkūniniu velenu, stumiančio suslėgtą orą į cilindrus.

Tai veikė. Tačiau turėjo vieną reikšmingą trūkumą: kompresorius tiesiogiai vogė energiją iš variklio, kad pats maitintųsi. Inžinieriai žinojo, kad turi būti geresnis būdas.

Alfredas Büchi ir turboįkroviklio gimimas (1905 m.)

Įeina Alfredas J. Büchi, šveicarų inžinierius ir išradėjas, dirbęs „Sulzer Brothers” kompanijoje, kur vadovavo dyzelinių variklių kūrimui. Büchi buvo nusivylęs dviem frontais:

• To meto dyzeliniai varikliai buvo dideli, sunkūs ir nepakankamai galingi
• Mechaniniai kompresoriai vogė iš variklio energiją, kurios jam reikėjo pačiam judėti

1905 metais Büchi užpatentavo radikalų sprendimą: įkrovimo įrenginį, varomą ne variklio alkūniniu velenu, o jo paties išmetamosiomis dujomis. Tai buvo pirmasis pasaulyje turboįkroviklis.

Kaip veikia turboįkroviklis

Turboįkrovimo koncepcija yra elegantiškai paprasta. Štai pagrindiniai principai, žingsnis po žingsnio:

1. Karštos išmetamosios dujos išeina iš variklio ir teka į turbinos korpusą
2. Šios dujos sukasi mentėtą ratą — turbinos rotorių — panašiai kaip vėjas suka vėjo malūną, bet didžiuliu greičiu
3. Turbinos rotorius montuojamas ant to paties veleno kaip kompresoriaus ratas
4. Kai turbina sukasi, ji varo kompresorių, kuris stumdavo suslėgtą orą į cilindrus
5. Daugiau oro cilindruose reiškia, kad galima sudeginti daugiau kuro — taip gaunama didesnė galia

Pats žodis „turboįkroviklis” kilęs iš lotyniškų šaknų turbo (sūkurys) ir compressio (suspaudimas) — taiklus apibūdinimas to, kas vyksta viduje.

Tarpinio aušintuvo vaidmuo

Yra dar vienas dėlionės gabalas. Kai oras praeina pro kompresorių ir yra kaitinamas karštų turboįkroviklio komponentų, jis plečiasi — tai reiškia, kad tame pačiame tūryje telpa mažiau deguonies. Kad tai kompensuotų, turboįkroviklių varikliai naudoja tarpinį aušintuvą: radiatorių, patalpintą oro kelyje tarp kompresoriaus ir variklio cilindrų.

Tarpinio aušintuvo užduotis yra paprasta, bet svarbi:

• Jis aušina suslėgtą orą prieš jam patenkant į cilindrus
• Šaltesnis oras yra tankesnis, tai reiškia, kad tame pačiame erdvėje telpa daugiau deguonies molekulių
• Tai leidžia dar aukštesnį pūtimo slėgį — ir dar didesnius galios padidėjimus
• Tai taip pat padeda išvengti variklio detonacijos (ankstyvo uždegimo), ypač didelio našumo taikyme

Pagrindiniai turboįkrovimo pranašumai prieš natūralų įsiurbimą

Turboįkrovimo efektyvumo padidėjimas yra didelis. Skirtingai nuo mechaniškai varomo kompresoriaus — kuris sunaudoja variklio galią veikimui — turboįkroviklis išgauna energiją iš išmetamųjų dujų, kurios kitaip būtų švaistamos. Svarbiausia, kad turbina reikšmingai nesulėtina tų dujų; vietoj to ji jas aušina, tuo pačiu atgaudama energiją. Pagrindinė nauda apima:

• Tik ~1,5% variklio energijos sunaudoja turboįkroviklio savaiminė priežiūra
• Didesnė galia iš mažesnio darbinio tūrio variklio
• Sumažinti trinties nuostoliai dėl lengvesnio, kompaktiškesnio variklio
• Geresnis kuro efektyvumas, palyginti su natūralaus įsiurbimo varikliu ekvivalentinės galios
• Švaresnis išmetimas, ypač aktualus šiuolaikiniams dyzeliniams varikliams

Tai skamba kaip tobulas sprendimas — tačiau turboįkrovimas atėjo su rimtais inžineriniais iššūkiais, dėl kurių jo plačiai paplitimas buvo atidėtas dešimtmečiams.

Iššūkiai: ekstremalus karštis, greitis ir turbo delsimas

Turboįkrovikliai veikia žiauriomis sąlygomis:

• Turbinos rotoriai gali suktis iki 200 000 aps./min.
• Išmetamųjų dujų temperatūra gali siekti 1 000°C (1 832°F)
• Komponentai turi išlaikyti struktūrinį vientisumą ir tikslius leistinus nuokrypius esant nuolatiniam šiluminiam ir mechaniniam stresui

Dėl šios priežasties turboįkrovimas plačiai paplito tik Antrojo pasaulinio karo metu — ir iš pradžių tik aviacijoje, kur inžinerinės investicijos buvo pagrįstos. Šeštajame dešimtmetyje „Caterpillar” sėkmingai pritaikė technologiją savo traktoriams, o „Cummins” sukūrė pirmuosius turbodyzelines sunkvežimių variklius. Turboįkrovikliais varomų keleivinių automobilių turėjome laukti iki 1962 m., kai beveik vienu metu buvo išleisti „Oldsmobile Jetfire” ir „Chevrolet Corvair Monza”.

Be ilgaamžiškumo, automobilių atveju buvo dar vienas unikalus iššūkis: turbo delsimas. Esant mažam variklio sukimosi greičiui, išmetamųjų dujų tūris yra ribotas, todėl turbina sukasi lėtai ir kompresorius vos sukuria slėgį. Variklis gali atrodyti tingiai žemiau 3 000 aps./min., o tada staiga šokteli galia virš 4 000–5 000 aps./min. Kuo didesnė turbina, tuo ryškesnis delsimas. Mažesnės turbinos sumažina delsimą, bet aukojama maksimali galia.

Šiuolaikiniai sprendimai: kaip inžinieriai įveikė turbo delsimą

Bėgant dešimtmečiams, inžinieriai sukūrė keletą išradingų būdų sumažinti turbo delsimą išsaugant galios padidėjimus:

• Nuoseklus dvigubas turboįkroviklis: Mažas, mažos inercijos turboįkroviklis apdoroja mažą sukimosi dažnį, o didesnis įsijungia didelio sukimosi dažnio metu. Naudojamas legendiniame „Porsche 959″ ir šiandien randamas BMW ir „Land Rover” turbodyzeliuose. „Volkswagen” benzininiai varikliai vietoj mažo turboįkroviklio naudoja diržu varomą kompresorių, kad dar greičiau reaguotų mažame sukimosi dažnyje.
• Dvigubos ritės turboįkroviklis: Vienas turboįkroviklis su dviem atskirais išmetimo įleidimais (snailiais), kiekvieną maitina skirtinga cilindrų grupė. Tai palaiko turbinos efektyvų sukimąsi tiek mažo, tiek didelio sukimosi dažnio metu, sumažinant delsimą nepridedant antro turboįkroviklio. Įprasta šešių cilindrų eiliniuose ir keturių cilindrų varikliuose.
• Lygiagretus dvigubas turboįkroviklis: Du identiški turboįkrovikliai aptarnauja atskiras cilindrų eiles. Standartinė V tipo varikliuose, kur kiekviena eilė gauna savo vienetą. BMW M skyrius tai pakėlė toliau su kryžminiu išmetimo kolektoriumi ant X5 M ir X6 M, leidžiančiu dvigubos ritės kompresoriui įsiurbti dujas iš priešingų cilindrų eilių priešingose uždegimo fazėse.
• Kintamos geometrijos turboįkroviklis (KGT): Reguliuojamos mentės turbinos korpuso viduje keičia išmetamųjų dujų srauto kelią priklausomai nuo variklio sukimosi dažnio — efektyviai suteikdamos turboįkrovikliui tinkamą „dydį” kiekvienu momentu. Pirmiausia priimtas dyzeliniuose varikliuose (kur žemesnės išmetimo temperatūros palengvino įgyvendinimą), o galiausiai į benzininius variklius jį atvedė „Porsche” su „911 Turbo”.

Turboįkrovimas šiandien: nuo našumo iki efektyvumo

Tai, kas prasidėjo kaip aviacijos inžinerinis iššūkis, tapo dominuojančia technologija šiuolaikiniuose automobilių pavarymuose. Šiandien turboįkrovimas nėra vien tik apie našumą — jis yra pagrindinis kuro ekonomiškumo ir emisijų standartų elementas. Beveik kiekvienas rinkoje esantis dyzelinis variklis turi „turbo” priešdėlį kaip savaime suprantamą dalyką. O benzininiame pasaulyje mažo darbinio tūrio turboįkroviklių varikliai iš esmės pakeitė didesnius natūralaus įsiurbimo agregatus pagrindinėse, prabangos ir sportinėse segmentuose.

Kuklus mažas ženklelis ant kitu atžvilgiu paprasto automobilio galo pasakoja istoriją, apimančią daugiau nei šimtmetį — nuo Büchi 1905 m. patento iki šiandienės dvigubos ritės, kintamos geometrijos sistemų. Ir ši istorija dar nesibaigė.

Tai yra vertimas. Originalą galite perskaityti čia: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html