Turbopūšanas vēsture: Kā turbokompresori mainīja automobiļu pasauli

Iespējams, kādreiz esat pamanījuši nelielu “turbo” emblēmu uz parasta izskata automobiļa. Ražotāji parasti ievieto šīs emblēmas neuzkrītoši — mazas un novietotas diskrētās vietās. Neiesvētītajam ir viegli paiet garām. Bet tam, kurš orientējas, tā ir zīme, pie kuras ir vērts apstāties. Tātad par ko ir visa šī satraukums? Šeit ir pilns stāsts par turbopūšanu — no kurienes tā nāk, kā tā darbojas un kāpēc tā ir svarīga.

Kāpēc inženieriem vajadzēja vairāk jaudas no tā paša dzinēja

Kopš automobiļu inženierijas pirmsākumiem konstruktori ir bijuši apsēsti ar vienu jautājumu: kā iegūt vairāk jaudas no dzinēja? Fizikas likumi sniedz skaidru atbildi — dzinēja jauda ir tieši proporcionāla katras darba takts laikā sadedzinātā degvielas daudzumam. Vairāk sadedzinātas degvielas — vairāk jaudas. Teorijā tas ir vienkārši. Bet praksē tas ir daudz sarežģītāk.

Galvenais ierobežojums ir skābeklis. Degviela nedeg pati par sevi — tā deg degvielas-gaisa maisījuma veidā. Un šim maisījumam jābūt precīzi sabalansētam, nevis aptuveni novērtētam ar aci. Benzīna dzinējam ideālā attiecība ir aptuveni:

• 1 daļa degvielas uz 14–15 daļām gaisa, atkarībā no darbības režīma, degvielas sastāva un citiem mainīgajiem

Tas nozīmē, ka, vēloties sadedzināt vairāk degvielas, jāpiegādā arī ievērojami vairāk gaisa. Parastas dabiskās aspirācijas dzinēji ievelk gaisu, izmantojot spiediena starpību starp cilindru un atmosfēru. Rezultātā rodas stingrs ierobežojums: jo lielāks cilindra tilpums, jo vairāk skābekļa iekļūst katrā taktī. 20. gadsimta vidus Amerikas Savienoto Valstu ražotāji šo pieeju noveda līdz galējībai, radot milzīgus dzinējus ar lielu izspiešanu. Bet vai bija gudrāks veids, kā iesūknēt vairāk gaisa tajā pašā cilindra tilpumā?

Kompresora izgudrojums: Gothlieba Daimlera atklājums

Atbilde nāca no pazīstama vārda — Gothlieba Vilhelma Daimlera, tā paša vācu inženiera, kas stāv aiz DaimlerChrysler mantojuma. 1885. gadā Daimlers izstrādāja metodi, kā iesūknēt vairāk gaisa dzinēja cilindros, izmantojot mehāniski darbināmu kompresoru — būtībā kompresoru (ventilatoru), ko tieši darbina dzinēja kloķvārpsta un kas spieda saspiestu gaisu cilindros.

Tas darbojās. Bet tam bija viens būtisks trūkums: kompresors tieši atņēma enerģiju no dzinēja, lai darbotos. Inženieri zināja, ka jābūt labākam veidam.

Alfrēds Büchi un turbokompresora dzimšana (1905. gads)

Ienāca Alfrēds J. Büchi — šveiciešu inženieris un izgudrotājs, kas strādāja Sulzer Brothers uzņēmumā, kur vadīja dīzeļdzinēju izstrādi. Büchi bija neapmierināts ar divām lietām:

• Tā laika dīzeļdzinēji bija lieli, smagi un ar nepietiekamu jaudu
• Mehāniskie kompresori atņēma dzinējam enerģiju, kas tam bija nepieciešama pašdarbībai

1905. gadā Büchi patentēja radikālu risinājumu: pūšanas ierīci, ko darbina nevis dzinēja kloķvārpsta, bet pašas izplūdes gāzes. Tā bija pasaulē pirmā turboiekārta.

Kā darbojas turbokompresors

Turbopūšanas koncepcija ir eleganti vienkārša. Šeit ir pamatprincips, soli pa solim:

1. Karstās izplūdes gāzes iziet no dzinēja un plūst turbīnas korpusā
2. Šīs gāzes griež ar asmeņiem aprīkotu riteni — turbīnas rotoru — tāpat kā vējš groza dzirnavas, bet ar ārkārtēju ātrumu
3. Turbīnas rotors ir uzstādīts uz tās pašas vārpstas kā kompresora ritenis
4. Kad turbīna griežas, tā dzen kompresoru, kas piespiež saspiestu gaisu cilindros
5. Vairāk gaisa cilindros nozīmē, ka var sadedzināt vairāk degvielas — iegūstot lielāku jaudu

Vārds “turbokompresors” cēlies no latīņu saknēm turbo (virpulis) un compressio (saspiešana) — precīzs apraksts tam, kas notiek iekšā.

Starpdzesētāja loma

Ir vēl viens puzles gabals. Tā kā gaiss iziet cauri kompresoram un tiek sildīts no karstajām turbokompresora daļām, tas izplešas — tas nozīmē, ka tajā pašā tilpumā ietilpst mazāk skābekļa. Lai to kompensētu, turbopūstie dzinēji izmanto starpdzesētāju: radiatoru, kas novietots gaisa ceļā starp kompresoru un dzinēja cilindriem.

Starpdzesētāja uzdevums ir vienkāršs, bet kritisks:

• Tas atdzesē saspiestu gaisu pirms tā iekļūšanas cilindros
• Vēsāks gaiss ir blīvāks, kas nozīmē, ka tajā pašā telpā ietilpst vairāk skābekļa molekulu
• Tas ļauj panākt vēl lielāku pūšanas spiedienu — un vēl lielākus jaudas pieaugumus
• Tas arī palīdz novērst dzinēja dūkoņu (priekšlaicīgu detonāciju), īpaši augstas veiktspējas lietojumos

Turbopūšanas galvenās priekšrocības salīdzinājumā ar dabisko aspirāciju

Efektivitātes ieguvumi no turbopūšanas ir būtiski. Atšķirībā no mehāniski darbināma kompresora — kas patērē dzinēja jaudu darbībai — turbokompresors iegūst enerģiju no izplūdes gāzēm, kas citādi tiktu izniekota. Svarīgi, ka turbīna šīs gāzes būtiski nepalēnina; tā tās atdzesē, šajā procesā atgūstot enerģiju. Galvenās priekšrocības ir šādas:

• Turbokompresora pašuzturēšanai tiek patērēts tikai aptuveni 1,5% dzinēja enerģijas
• Lielāka jauda no mazāka izspiešanas dzinēja
• Mazāki berzes zudumi vieglāka un kompaktāka dzinēja dēļ
• Labāks degvielas patēriņš salīdzinājumā ar dabiskās aspirācijas dzinēju ar līdzvērtīgu jaudu
• Tīrākas izplūdes gāzes, kas īpaši svarīgi mūsdienu dīzeļdzinējiem

Tas izklausās kā ideāls risinājums — bet turbopūšanai bija nopietni inženiertehniskie izaicinājumi, kas aizkavēja tās plašu ieviešanu gadu desmitiem.

Izaicinājumi: Ārkārtējs karstums, ātrums un turbokompresora nobīde

Turbokompresori darbojas smagos apstākļos:

• Turbīnu rotori var griezties ar ātrumu līdz 200 000 apgr./min.
• Izplūdes gāzu temperatūra var sasniegt 1 000°C (1 832°F)
• Sastāvdaļām jāsaglabā strukturālā integritāte un precīzas tolerances nepārtraukta termiskā un mehāniskā sprieguma apstākļos

Tāpēc turbopūšana kļuva plaši izmantota tikai Otrā pasaules kara laikā — un sākumā tikai aviācijā, kur inženiertehniskie ieguldījumi bija pamatoti. 1950. gados Caterpillar veiksmīgi pielāgoja tehnoloģiju saviem traktoriem, savukārt Cummins izstrādāja pirmos turbodīzeļa kravas automobiļu dzinējus. Turbopūstie vieglautomobiļi neparādījās līdz 1962. gadam, kad Oldsmobile Jetfire un Chevrolet Corvair Monza tika izlaisti gandrīz vienlaicīgi.

Papildus izturībai bija vēl viens izaicinājums, kas raksturīgs tikai automobiļiem: turbokompresora nobīde. Zemā dzinēja apgriezienu skaitā izplūdes gāzu daudzums ir ierobežots, tāpēc turbīna griežas lēni un kompresors tikpat kā neveido spiedienu. Dzinējs var šķist lēns zem 3 000 apgr./min., bet pēkšņi uzlabot jaudu virs 4 000–5 000 apgr./min. Jo lielāka turbīna, jo izteiktāka nobīde. Mazākas turbīnas samazina nobīdi, bet upurē maksimālo jaudu.

Mūsdienu risinājumi: Kā inženieri pārvarēja turbokompresora nobīdi

Gadu desmitu laikā inženieri izstrādāja vairākas gudras pieejas, lai samazinātu turbokompresora nobīdi, saglabājot jaudas pieaugumus:

• Secīgs divkāršais turbokompresors: Mazs, zemas inerces turbokompresors apstrādā zemu apgriezienu skaitu, bet lielāka vienība ieslēdzas pie liela apgriezienu skaita. Izmantots leģendārajā Porsche 959, un mūsdienās atrodams BMW un Land Rover turbodīzeļos. Volkswagen benzīna dzinēji izmanto ar jostu darbināmu kompresoru mazā turbokompresora vietā, nodrošinot vēl ātrāku zema ātruma reakciju.
• Divgliemeža turbokompresors: Vienots turbokompresors ar diviem atsevišķiem izplūdes ieplūdēm (volutām), no kurām katru baro dažādas cilindru grupas. Tas ļauj turbīnai efektīvi griezties gan zemā, gan augstā apgriezienu skaitā, samazinot nobīdi bez otrā turbokompresora vienības pievienošanas. Bieži sastopams taisnos sešcilindru un četrcilindru dzinējos.
• Paralēls divkāršais turbokompresors: Divi identiski turbokompresori apkalpo atsevišķas cilindru rindas. Standarts V formas dzinējos, kur katrai rindai ir savs agregāts. BMW M divīzija to vēl vairāk pilnveidoja ar krustenisku izplūdes kolektoru X5 M un X6 M modeļiem, ļaujot divgliemeža kompresoram iegūt gāzes no pretējām cilindru rindām pretējos aizdedzes fāzēs.
• Mainīgas ģeometrijas turbokompresors (VGT): Regulējamas lāpstiņas turbīnas korpusā maina izplūdes gāzu plūsmas ceļu atkarībā no dzinēja apgriezienu skaita — faktiski piešķirot turbokompresoram piemērotu “izmēru” pie katra apgriezienu skaita. Vispirms ieviests dīzeļdzinējos (kur zemākas izplūdes gāzu temperatūras atviegloja ieviešanu), un galu galā Porsche to ieviesa benzīna dzinējos ar 911 Turbo.

Turbopūšana mūsdienās: No veiktspējas līdz efektivitātei

Kas sākās kā aviācijas inženiertehnikas izaicinājums, ir kļuvis par dominējošo tehnoloģiju mūsdienu automobiļu piedziņas sistēmās. Mūsdienās turbopūšana vairs nav tikai par veiktspēju — tā ir centrāla degvielas ekonomijai un emisiju standartiem. Gandrīz katrs tirgū esošais dīzeļdzinējs pēc noklusējuma nes prefiksu “turbo”. Un benzīna pasaulē turbopūstie mazā tilpuma dzinēji lielā mērā ir aizstājuši lielākus dabiskās aspirācijas agregātus visos galvenajos, luksusa un veiktspējas segmentos.

Mazā, pieticīgā emblēma uz citādi parasta automobiļa aizmugures stāsta stāstu, kas aptver vairāk nekā gadsimtu — no Büchi 1905. gada patenta līdz mūsdienu divgliemeža, mainīgas ģeometrijas sistēmām. Un šis stāsts vēl nav beidzies.

Šis ir tulkojums. Oriģinālu varat lasīt šeit: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html