Historia ya Turbocharging: Jinsi Turbo Zilivyobadilisha Ulimwengu wa Magari

Pengine umewahi kuona alama ndogo ya “turbo” kwenye gari linaloonekana la kawaida wakati fulani. Watengenezaji huwa wanaweka alama hizi kwa unyenyekevu — ndogo kwa ukubwa, zikiwa zimefichwa sehemu zisizoonekana kwa urahisi. Kwa asiyezijua, ni rahisi kuzipita bila kuzitambua. Lakini kwa wanaozijua, ni ishara inayostahili kusimama kwa ajili yake. Basi ni nini kinachofanya kelele zote hizi? Hii hapa hadithi kamili nyuma ya turbocharging — ilikotoka, jinsi inavyofanya kazi, na kwa nini ni muhimu.

Kwa Nini Wahandisi Walihitaji Nguvu Zaidi Kutoka kwa Injini Ile Ile

Tangu siku za awali za uhandisi wa magari, wabunifu wamekuwa na shauku kuhusu swali moja: unapataje nguvu zaidi kutoka kwa injini? Sheria za fizikia zinatoa jibu wazi — nguvu ya injini ni sawia moja kwa moja na kiasi cha mafuta yanayochomwa katika kila mzunguko wa kazi. Mafuta mengi yanayochomwa sawa na nguvu zaidi. Rahisi kinadharia. Lakini kivitendo, ni ngumu zaidi.

Kizuizi kikuu ni oksijeni. Mafuta hayachomi peke yake — yanachomwa kama sehemu ya mchanganyiko wa mafuta na hewa. Na mchanganyiko huo lazima usawazishwe kwa usahihi, si kwa kukadiria kwa macho. Kwa injini ya petroli, uwiano bora ni takriban:

• Sehemu 1 ya mafuta kwa sehemu 14–15 za hewa, kutegemea hali ya uendeshaji, muundo wa mafuta, na vigezo vingine

Hii ina maana kwamba ukitaka kuchoma mafuta zaidi, lazima pia utoe hewa nyingi zaidi kwa kiasi kikubwa. Injini za kawaida zinazovuta hewa kiasili huvuta hewa ndani kupitia tofauti ya shinikizo kati ya silinda na anga. Matokeo yake ni kikomo kigumu: kadiri ujazo wa silinda unavyokuwa mkubwa, ndivyo oksijeni nyingi inavyoingia kwa kila mzunguko. Watengenezaji wa Amerika wa katikati ya karne ya 20 walipeleka jambo hili kupita kiasi, wakitengeneza injini za ujazo mkubwa zenye njaa kubwa ya mafuta. Lakini je, kulikuwa na njia bora zaidi ya kusukuma hewa nyingi ndani ya ujazo ule ule wa silinda?

Uvumbuzi wa Supercharger: Mafanikio ya Gottlieb Daimler

Jibu lilitoka kwa jina linalojulikana — Gottlieb Wilhelm Daimler, mhandisi yule yule wa Kijerumani aliyekuwa nyuma ya urithi wa DaimlerChrysler. Huko mwaka 1885, Daimler alibuni mbinu ya kulazimisha hewa zaidi kuingia kwenye silinda za injini kwa kutumia supercharger inayoendeshwa kwa mitambo — kimsingi kompresa (feni) inayoendeshwa moja kwa moja na crankshaft ya injini, ambayo ilisukuma hewa iliyobanwa ndani ya silinda.

Ilifanya kazi. Lakini ilikuwa na dosari moja kubwa: kompresa iliiba nishati moja kwa moja kutoka kwa injini ili kujiendesha yenyewe. Wahandisi walijua lazima kuwe na njia bora zaidi.

Alfred Büchi na Kuzaliwa kwa Turbocharger (1905)

Hapa anaingia Alfred J. Büchi, mhandisi na mvumbuzi wa Kiswisi aliyekuwa akifanya kazi katika Sulzer Brothers, ambako aliongoza utengenezaji wa injini za dizeli. Büchi alikuwa amechukizwa kwa pande mbili:

• Injini za dizeli za wakati huo zilikuwa kubwa, nzito, na zenye nguvu kidogo
• Supercharger za mitambo ziliibia injini nishati iliyohitaji kujiendesha yenyewe

Mwaka 1905, Büchi alisajili hati miliki ya suluhisho la kimapinduzi: kifaa cha kushtaki kisichoendeshwa na crankshaft ya injini, bali na gesi zake za moshi zenyewe. Hii ilikuwa turbocharger ya kwanza duniani.

Jinsi Turbocharger Inavyofanya Kazi

Dhana iliyo nyuma ya turbocharging ni rahisi kwa ustadi. Hii hapa kanuni ya msingi, hatua kwa hatua:

1. Gesi za moshi za moto hutoka kwenye injini na kuingia kwenye nyumba ya turbine
2. Gesi hizi huzungusha gurudumu lenye mabawa — rotor ya turbine — kama vile upepo unavyozungusha kinu cha upepo, lakini kwa kasi kubwa mno
3. Rotor ya turbine imewekwa kwenye mhimili mmoja na gurudumu la kompresa
4. Turbine inapozunguka, huendesha kompresa, ambayo hulazimisha hewa iliyobanwa kuingia kwenye silinda
5. Hewa nyingi zaidi kwenye silinda ina maana mafuta mengi zaidi yanaweza kuchomwa — na kusababisha nguvu kubwa zaidi

Neno “turbocharger” lenyewe linatokana na mizizi ya Kilatini turbo (kimbunga) na compressio (mgandamizo) — maelezo yanayofaa ya kile kinachotokea ndani.

Jukumu la Intercooler

Kuna kipande kimoja zaidi cha fumbo. Hewa inapopita kwenye kompresa na kupashwa moto na vipengele vya moto vya turbocharger, hupanuka — ikimaanisha oksijeni kidogo inatoshea katika ujazo ule ule. Ili kukabiliana na hili, injini za turbocharged hutumia intercooler: redieta iliyowekwa kwenye njia ya hewa kati ya kompresa na silinda za injini.

Kazi ya intercooler ni rahisi lakini muhimu sana:

• Hupooza hewa iliyobanwa kabla haijaingia kwenye silinda
• Hewa baridi ni nzito zaidi, ikimaanisha molekuli nyingi zaidi za oksijeni hutoshea katika nafasi ile ile
• Hili huruhusu shinikizo kubwa zaidi la boost — na ongezeko kubwa zaidi la nguvu
• Pia husaidia kuzuia mgongano wa injini (mlipuko wa mapema), hasa katika matumizi ya utendaji wa juu

Faida Kuu za Turbocharging Dhidi ya Uvutaji wa Hewa wa Kiasili

Ongezeko la ufanisi kutokana na turbocharging ni kubwa. Tofauti na supercharger inayoendeshwa kwa mitambo — ambayo hutumia nguvu ya injini ili kufanya kazi — turbocharger huchota nishati kutoka kwa gesi za moshi ambazo vinginevyo zingepotea. Muhimu zaidi, turbine haipunguzi kasi ya gesi hizo kwa kiasi kikubwa; badala yake huzipooza, ikirejesha nishati katika mchakato huo. Faida kuu ni pamoja na:

• Takriban ~1.5% tu ya nishati ya injini hutumiwa na ujiendeshaji wa turbocharger
• Nguvu kubwa zaidi kutoka kwa injini ya ujazo mdogo
• Hasara ndogo za msuguano kutokana na injini nyepesi na ndogo zaidi
• Ufanisi bora wa mafuta ikilinganishwa na injini inayovuta hewa kiasili yenye nguvu sawa
• Moshi safi zaidi, hasa kwa injini za kisasa za dizeli

Inasikika kama suluhisho kamili — lakini turbocharging ilikuja na changamoto kubwa za kiuhandisi zilizochelewesha kuenea kwake kwa miongo kadhaa.

Changamoto: Joto Kali, Kasi, na Turbo Lag

Turbocharger hufanya kazi katika hali ngumu mno:

• Rotor za turbine zinaweza kuzunguka hadi RPM 200,000
• Joto la gesi za moshi linaweza kufikia 1,000°C (1,832°F)
• Vipengele lazima vidumishe uimara wa kimuundo na usahihi wa hali ya juu chini ya mkazo wa joto na mitambo unaoendelea

Kwa sababu hii, turbocharging ilienea tu wakati wa Vita vya Pili vya Dunia — na mwanzoni katika usafiri wa anga pekee, ambako uwekezaji wa kiuhandisi ulihalalishwa. Katika miaka ya 1950, Caterpillar ilifanikiwa kuirekebisha teknolojia hiyo kwa matrekta yake, huku Cummins ikitengeneza injini za kwanza za malori za turbodiesel. Magari ya abiria ya turbocharged hayakufika hadi 1962, ambapo Oldsmobile Jetfire na Chevrolet Corvair Monza zilitolewa karibu wakati mmoja.

Zaidi ya udumavu, kulikuwa na changamoto nyingine ya kipekee kwa magari: turbo lag. Katika kasi ndogo za injini, ujazo wa gesi za moshi ni mdogo, kwa hivyo turbine inazunguka taratibu na kompresa haijengi shinikizo kwa shida. Injini inaweza kuhisi kuwa nzito chini ya RPM 3,000, kisha ghafla kuongezeka kwa nguvu juu ya RPM 4,000–5,000. Kadiri turbine inavyokuwa kubwa, ndivyo lag inavyoonekana zaidi. Turbine ndogo hupunguza lag lakini huhasiri nguvu ya kilele.

Suluhisho za Kisasa: Jinsi Wahandisi Walivyoshinda Turbo Lag

Kwa miongo kadhaa, wahandisi walibuni mbinu kadhaa za ujanja za kupunguza turbo lag huku wakihifadhi ongezeko la nguvu:

• Turbo mbili za mfululizo: Turbocharger ndogo, yenye inertia ndogo hushughulikia RPM ndogo, huku kitengo kikubwa kikianza kazi katika RPM kubwa. Ilitumika katika Porsche 959 maarufu, na leo hupatikana katika turbodiesel za BMW na Land Rover. Injini za petroli za Volkswagen hutumia supercharger inayoendeshwa kwa mkanda badala ya turbo ndogo kwa ajili ya mwitikio wa haraka zaidi wa kasi ndogo.
• Turbocharger ya twin-scroll: Turbo moja yenye milango miwili tofauti ya moshi (volute), kila moja ikilishwa na kundi tofauti la silinda. Hii huweka turbine ikizunguka kwa ufanisi katika RPM ndogo na kubwa, ikipunguza lag bila kuongeza kitengo cha pili cha turbo. Ni ya kawaida katika injini za silinda sita za moja kwa moja na silinda nne.
• Turbo mbili sambamba: Turbocharger mbili zinazofanana zinazohudumia benki tofauti za silinda. Ni za kawaida katika injini za muundo wa V, ambapo kila benki hupata kitengo chake. Idara ya M ya BMW ilipeleka jambo hili mbele zaidi kwa kutumia manifold ya moshi inayovuka benki kwenye X5 M na X6 M, ikiruhusu kompresa ya twin-scroll kuvuta gesi kutoka benki za silinda zinazokinzana katika awamu za mwako zinazokinzana.
• Turbocharger yenye jiometri inayobadilika (VGT): Vane zinazoweza kurekebishwa ndani ya nyumba ya turbine hubadilisha njia ya mtiririko wa gesi za moshi kutegemea kasi ya injini — kwa hakika ikiipatia turbo “ukubwa” sahihi katika kila RPM. Ilitumika kwanza kwenye injini za dizeli (ambapo joto la chini la moshi lilirahisisha utekelezaji), na hatimaye ililetwa kwenye injini za petroli na Porsche kupitia 911 Turbo.

Turbocharging Leo: Kutoka Utendaji hadi Ufanisi

Kile kilichoanza kama changamoto ya uhandisi wa anga kimekuwa teknolojia kuu katika mifumo ya nguvu ya magari ya kisasa. Leo, turbocharging si tena suala la utendaji pekee — ni kitovu cha uchumi wa mafuta na viwango vya uchafuzi. Karibu kila injini ya dizeli sokoni hubeba kiambishi awali cha “turbo” kama jambo la kawaida. Na katika ulimwengu wa petroli, injini za turbocharged za ujazo mdogo zimebadilisha kwa kiasi kikubwa vitengo vikubwa vinavyovuta hewa kiasili katika sehemu za kawaida, za anasa, na za utendaji vilevile.

Alama ndogo ya unyenyekevu nyuma ya gari linaloonekana la kawaida inasimulia hadithi inayoenea zaidi ya karne moja — kutoka hati miliki ya Büchi ya 1905 hadi mifumo ya twin-scroll na jiometri inayobadilika ya leo. Na hadithi hiyo bado haijaisha.

Hii ni tafsiri. Unaweza kusoma asili hapa: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html