Историјата на турбо-полнење: Како турбините го промениja автомобилскиот свет

Веројатно сте забележале мала ознака „turbo” на инаку обичен автомобил во некој момент. Производителите обично ги поставуваат овие амблеми скромно — мали, сместени на незабележливи места. На неупатениот лесно е да помине покрај нив. Но за оние кои знаат, тоа е сигнал вреден за застанување. Значи, зошто сета таа врева? Еве ја целосната приказна за турбо-полнење — оттаде дошло, како работи и зошто е важно.

Зошто на инженерите им требаше повеќе моќност од ист мотор

Уште од најраните денови на автомобилското инженерство, дизајнерите биле опседнати со едно прашање: како да се извлече повеќе моќност од мотор? Законите на физиката даваат јасен одговор — моќноста на моторот е директно пропорционална со количеството гориво изгорено во секој работен циклус. Повеќе изгорено гориво значи повеќе моќност. Едноставно во теорија. Но на практика, тоа е многу посложено.

Клучното ограничување е кислородот. Горивото не гори само по себе — гори како дел од мешавина на гориво и воздух. И таа мешавина мора да биде прецизно балансирана, а не проценета на око. За бензински мотор, идеалниот сооднос е приближно:

• 1 дел гориво на 14–15 делови воздух, во зависност од режимот на работа, составот на горивото и другите варијабли

Тоа значи дека ако сакате да изгорите повеќе гориво, мора да обезбедите значително повеќе воздух. Конвенционалните мотори со природна аспирација го вовлекуваат воздухот преку разликата во притисок помеѓу цилиндарот и атмосферата. Резултатот е цврста граница: колку е поголема зафатнината на цилиндарот, толку повеќе кислород влегува по циклус. Американските производители од средината на 20 век го претераа со ова, произведувајќи мотори со огромен работен волумен и огромна потрошувачка на гориво. Но дали постоеше попаметен начин за пумпање повеќе воздух во иста зафатнина на цилиндарот?

Пронаоѓањето на компресорот: пробивот на Готлиб Дајмлер

Одговорот дојде од познато ime — Готлиб Вилхелм Дајмлер, истиот германски инженер зад наследството на „DaimlerChrysler”. Во 1885 година, Дајмлер разви метод за принудно внесување повеќе воздух во цилиндрите на моторот користејќи механички погонет компресор — во суштина компресор (вентилатор) директно поттикнат од коленовиот вратило на моторот, кој го туркаше компримираниот воздух во цилиндрите.

Функционираше. Но имаше еден значаен недостаток: компресорот директно крадеше енергија од моторот за да се напојува сам. Инженерите знаеја дека мора да постои подобар начин.

Алфред Бихи и раѓањето на турбокомпресорот (1905)

Влегува Алфред Ј. Бихи, швајцарски инженер и пронаоѓач кој работел во „Sulzer Brothers”, каде раководел со развојот на дизел-мотори. Бихи бил незадоволен на два фронта:

• Дизел-моторите од тоа доба биле големи, тешки и со слаба моќност
• Механичките компресори ја крадеа енергијата на моторот која му беше потребна за да се движи самиот

Во 1905 година, Бихи го патентирал радикалното решение: уред за полнење напоен не од коленовиот вратило на моторот, туку од неговите сопствени издувни гасови. Ова бил првиот турбокомпресор во светот.

Како работи турбокомпресорот

Концептот зад турбо-полнењето е елегантно едноставен. Еве го основниот принцип, чекор по чекор:

1. Топлите издувни гасови излегуваат од моторот и течат во куќиштето на турбината
2. Овие гасови завртуваат лопатично тркало — роторот на турбината — слично на тоа како ветерот врти ветерница, но со екстремна брзина
3. Роторот на турбината е монтиран на иста оска како тркалото на компресорот
4. Додека турбината се врти, го погонува компресорот, кој го турка компримираниот воздух во цилиндрите
5. Повеќе воздух во цилиндрите значи дека може да се изгори повеќе гориво — резултирајќи со поголема излезна моќност

Самиот збор „турбокомпресор” потекнува од латинските корени turbo (вртлог) и compressio (компресија) — соодветен опис на она што се случува внатре.

Улогата на меѓуладилникот

Постои уште еден дел од слагалицата. Додека воздухот поминува низ компресорот и се загрева од жешките компоненти на турбокомпресорот, тој се шири — значи помалку кислород се собира во иста зафатнина. За да се спротивстави на ова, турбо-моторите користат меѓуладилник: радијатор поставен на патот на воздухот помеѓу компресорот и цилиндрите на моторот.

Задачата на меѓуладилникот е едноставна, но критична:

• Го лади компримираниот воздух пред да влезе во цилиндрите
• Поладниот воздух е погуст, значи повеќе молекули на кислород се собираат во ист простор
• Ова овозможува уште поголем притисок на пунење — и уште поголеми добивки во моќноста
• Исто така помага во спречувањето на детонација на моторот (предвремено палење), особено во апликации со висок учинок

Клучни предности на турбо-полнењето во однос на природната аспирација

Добивките во ефикасноста од турбо-полнење се значителни. За разлика од механички погонет компресор — кој троши моќност на моторот за да работи — турбокомпресорот ја извлекува енергијата од издувните гасови кои инаку би биле расипани. Клучно е тоа дека турбината значително не ги успорува тие гасови; наместо тоа, ги лади, истовремено враќајќи енергија. Главните придобивки вклучуваат:

• Само ~1,5% од енергијата на моторот го троши самоодржувањето на турбокомпресорот
• Поголема излезна моќност од мотор со помала работна зафатнина
• Намалени загуби поради триење благодарение на полесен и покомпактен мотор
• Подобра горивна ефикасност во споредба со природно аспириран мотор со еквивалентна моќност
• Почисти издувни гасови, особено релевантно за современите дизел-мотори

Звучи како совршено решение — но турбо-полнењето дојде со сериозни инженерски предизвици кои го одложија неговото широко прифаќање со децении.

Предизвиците: екстремна топлина, брзина и турбо-задоцнување

Турбокомпресорите работат во жестоки услови:

• Роторите на турбината можат да се вртат до 200.000 вртежи во минута
• Температурата на издувните гасови може да достигне 1.000°C (1.832°F)
• Компонентите мора да ја одржуваат структурната интегритет и прецизните толеранции под постојан термички и механички стрес

Поради ова, турбо-полнењето стана широко распространето дури за време на Втората светска војна — и тоа само во воздухопловството, каде инженерската инвестиција беше оправдана. Во 1950-тите, „Caterpillar” успешно ја прилагоди технологијата за своите трактори, додека „Cummins” разви први турбо-дизел мотори за камиони. Патнички автомобили со турбокомпресор не се појавија сè до 1962 година, кога „Oldsmobile Jetfire” и „Chevrolet Corvair Monza” беа пуштени скоро истовремено.

Освен издржливоста, постоеше уште еден предизвик специфичен за автомобилите: турбо-задоцнување. При ниски брзини на моторот, волуменот на издувните гасови е ограничен, така турбината се врти бавно и компресорот едвај гради притисок. Моторот може да изгледа мрзливо под 3.000 вртежи во минута, а потоа одеднаш да скокне со моќност над 4.000–5.000 вртежи во минута. Колку е поголема турбината, толку е поизразено задоцнувањето. Помалите турбини го намалуваат задоцнувањето, но ја жртвуваат максималната моќност.

Современи решенија: Како инженерите го совладаа турбо-задоцнувањето

Со текот на децениите, инженерите развија неколку паметни пристапи за минимизирање на турбо-задоцнувањето, истовремено зачувувајќи ги добивките во моќноста:

• Секвенцијален двоен турбокомпресор: Мал турбокомпресор со ниска инерција се справува со ниски вртежи, додека поголема единица се вклучува при високи вртежи. Се користи во легендарниот „Porsche 959″, а денес се наоѓа во BMW и „Land Rover” турбо-дизелите. Бензинските мотори на „Volkswagen” користат компресор погонет со ремен наместо малиот турбокомпресор за уште побрз одговор при ниски вртежи.
• Турбокомпресор со двоен спирален канал: Еден турбокомпресор со два одделни издувни влезови (спирали), секој напоен од различна група цилиндри. Ова ја одржува ефикасноста на вртење на турбината и при ниски и при високи вртежи, намалувајќи го задоцнувањето без додавање втора турбо единица. Вообичаено кај редни шестоцилиндарски и четирицилиндарски мотори.
• Паралелен двоен турбокомпресор: Два идентични турбокомпресори служат на одделни блокови цилиндри. Стандард кај V-моторите, каде секој блок добива своја единица. М-дивизијата на BMW го зеде ова чекор понатаму со вкрстениот издувен разводник на X5 M и X6 M, овозможувајќи компресор со двоен спирален канал да извлекува гасови од спротивни блокови цилиндри во спротивни фази на палење.
• Турбокомпресор со променлива геометрија (VGT): Прилагодливи лопатки во куќиштето на турбината го менуваат патот на протокот на издувните гасови во зависност од брзината на моторот — ефективно давајќи му на турбокомпресорот вистинска „големина” при секои вртежи. Прво усвоено на дизел-мотори (каде пониските температури на издувните гасови го направија имплементацијата полесна), а на крајот донесено до бензинските мотори од страна на „Porsche” со „911 Turbo”.

Турбо-полнењето денес: од учинок до ефикасност

Она што започна како инженерски предизвик во воздухопловството стана доминантна технологија во современите автомобилски погонски системи. Денес, турбо-полнењето не е само за учинок — тоа е централен елемент на стандардите за потрошувачка на гориво и емисии. Скоро секој дизел-мотор на пазарот го носи префиксот „turbo” како подразбирано. И во светот на бензинот, турбо-полнети мотори со мала работна зафатнина во голема мера ги заменија поголемите природно аспирирани единици низ масовните, луксузните и спортските сегменти.

Скромната мала ознака на задната страна на инаку обичен автомобил раскажува приказна која опфаќа повеќе од еден век — од патентот на Бихи од 1905 година до денешните системи со двоен спирален канал и променлива геометрија. И таа приказна сè уште не е завршена.

Ова е превод. Оригиналот можете да го прочитате тука: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html