Таърихи турбонаддув: Чӣ гуна турбокомпрессорҳо ҷаҳони автомобилсозиро дигаргун сохтанд

Эҳтимол шумо ягон вақт нишони хурди «turbo»-ро дар автомобиле, ки дар назар тамоман оддӣ менамояд, дидаед. Истеҳсолкунандагон одатан ин нишонаҳоро бо хоксорӣ ҷойгир мекунанд — андозаашон хурд, дар ҷойҳои ноаён пинҳоншуда. Барои шахси ношинос аз пеши он бепарво гузаштан осон аст. Аммо барои онҳое, ки кор медонанд, ин аломатест, ки бар сари он истодан меарзад. Пас ин ҳама ҳаяҷон барои чист? Инак ҳикояи пурраи турбонаддув — он аз куҷо пайдо шуд, чӣ гуна кор мекунад ва чаро аҳамият дорад.

Чаро муҳандисон аз ҳамон як муҳаррик қувваи бештар талаб мекарданд

Аз рӯзҳои аввали муҳандисии автомобилсозӣ тарроҳон ба як савол дилбастагӣ доштанд: чӣ гуна аз муҳаррик қувваи бештар ба даст овардан мумкин аст? Қонунҳои физика ҷавоби равшан медиҳанд — қувваи муҳаррик мустақиман ба миқдори сӯзишворие, ки дар ҳар давраи корӣ месӯзад, мутаносиб аст. Ҳар қадар сӯзишворӣ бештар сӯзад, ҳамон қадар қувва бештар мешавад. Дар назария ин содда менамояд. Аммо дар амал он хеле мураккабтар аст.

Маҳдудияти асосӣ оксиген аст. Сӯзишворӣ худ аз худ намесӯзад — он ҳамчун ҷузъи омехтаи сӯзишворӣ-ҳаво месӯзад. Ва ин омехта бояд дақиқ мувозинат шавад, на бо чашм тахмин карда шавад. Барои муҳаррики бензинӣ таносуби беҳтарин тахминан чунин аст:

• 1 ҳисса сӯзишворӣ ба 14–15 ҳисса ҳаво, вобаста ба низоми кор, таркиби сӯзишворӣ ва дигар тағйирёбандаҳо

Ин маънои онро дорад, ки агар хоҳед сӯзишвории бештар бисӯзонед, бояд ба таври назаррас ҳавои бештар низ таъмин кунед. Муҳаррикҳои муқаррарии атмосферӣ ҳаворо ба воситаи фарқияти фишор миёни силиндр ва атмосфера ба худ мекашанд. Натиҷа маҳдудияти сахт аст: ҳар қадар ҳаҷми силиндр калонтар бошад, ҳамон қадар дар ҳар давра оксигени бештар ворид мешавад. Истеҳсолкунандагони амрикоии миёнаи асри XX инро ба ҳадди ниҳоӣ расониданд ва муҳаррикҳои ҳаҷман бузургро бо иштиҳои бузурги сӯзишворӣ месохтанд. Аммо оё роҳи оқилонатаре барои ворид кардани ҳавои бештар ба ҳамон ҳаҷми силиндр вуҷуд дошт?

Ихтирои компрессори механикӣ: дастоварди Готлиб Даймлер

Ҷавоб аз номи шинос омад — Готлиб Вилҳелм Даймлер, ҳамон муҳандиси олмоние, ки дар паси мероси DaimlerChrysler истодааст. Ҳанӯз дар соли 1885 Даймлер усулеро таҳия кард, ки бо ёрии компрессори механикии бо муҳаррик ронда мешуда ҳавои бештарро ба силиндрҳои муҳаррик маҷбуран ворид мекард — асосан компрессоре (вентилятор), ки бевосита аз коленвали муҳаррик қувва мегирифт ва ҳавои фишурдашударо ба силиндрҳо тела медод.

Он кор кард. Аммо як камбудии ҷиддӣ дошт: компрессор қувваро бевосита аз муҳаррик барои таъмини кори худ медуздид. Муҳандисон медонистанд, ки бояд роҳи беҳтаре вуҷуд дошта бошад.

Алфред Бюхи ва таваллуди турбокомпрессор (1905)

Ва инак Алфред Ҷ. Бюхи, муҳандис ва ихтироъкори швейтсарӣ, ки дар ширкати Sulzer Brothers кор мекард ва дар он ҷо роҳбарии таҳияи муҳаррикҳои дизелиро ба ӯҳда дошт. Бюхи аз ду ҷиҳат норозӣ буд:

• Муҳаррикҳои дизелии он давр калон, вазнин ва камқувва буданд
• Компрессорҳои механикӣ қувваи муҳаррикро, ки барои ҳаракат додани худаш зарур буд, медуздиданд

Соли 1905 Бюхи ҳалли куллие патент кард: дастгоҳи наддуве, ки на аз коленвали муҳаррик, балки аз газҳои ихроҷии худи он қувва мегирад. Ин аввалин турбокомпрессори ҷаҳон буд.

Турбокомпрессор чӣ гуна кор мекунад

Мафҳуми паси турбонаддув ба таври зебо содда аст. Инак принсипи асосӣ, қадам ба қадам:

1. Газҳои доғи ихроҷӣ аз муҳаррик баромада, ба корпуси турбина ворид мешаванд
2. Ин газҳо чархи паррадорро — ротори турбина — мечархонанд, монанди он ки бод осиёро мегардонад, аммо бо суръати ниҳоят баланд
3. Ротори турбина дар ҳамон вале насб шудааст, ки чархи компрессор низ дар он ҷойгир аст
4. Ҳангоме ки турбина мечархад, он компрессорро ба ҳаракат меорад, ки ҳавои фишурдашударо ба силиндрҳо маҷбуран ворид мекунад
5. Ҳавои бештар дар силиндрҳо маънои онро дорад, ки сӯзишвории бештарро сӯзонидан мумкин аст — ки натиҷааш қувваи баромади бештар мебошад

Худи калимаи «турбокомпрессор» аз решаҳои лотинии turbo (гирдоб) ва compressio (фишурдан) сарчашма мегирад — тавсифи мувофиқи он чизе, ки дар дарунаш рух медиҳад.

Нақши интеркулер

Як ҷузъи дигари ин муаммо низ ҳаст. Вақте ки ҳаво аз компрессор мегузарад ва аз ҷузъҳои доғи турбокомпрессор гарм мешавад, он васеъ мегардад — яъне дар ҳамон ҳаҷм оксигени камтар ҷой мегирад. Барои муқобила бо ин, муҳаррикҳои турбодор интеркулер истифода мебаранд: радиаторе, ки дар роҳи ҳаво миёни компрессор ва силиндрҳои муҳаррик ҷойгир карда шудааст.

Вазифаи интеркулер содда, вале муҳим аст:

• Он ҳавои фишурдашударо пеш аз ворид шудан ба силиндрҳо хунук мекунад
• Ҳавои хунуктар зичтар аст, яъне дар ҳамон фазо молекулаҳои бештари оксиген ҷой мегиранд
• Ин имкон медиҳад, ки фишори наддув боз ҳам баландтар — ва афзоиши қувва боз ҳам бештар бошад
• Ҳамчунин он ба пешгирии детонатсияи муҳаррик (тарконидани пеш аз вақт) кӯмак мекунад, бахусус дар татбиқҳои серқувват

Бартариҳои асосии турбонаддув нисбат ба муҳаррики атмосферӣ

Афзоиши самаранокӣ аз турбонаддув назаррас аст. Бар хилофи компрессори механикӣ — ки барои кор қувваи муҳаррикро сарф мекунад — турбокомпрессор энергияро аз газҳои ихроҷие мегирад, ки дар ҳолати дигар беҳуда барбод мерафтанд. Муҳимтар аз ҳама, турбина ин газҳоро ба таври назаррас суст намекунад; балки онҳоро хунук мекунад ва дар ин ҷараён энергияро барқарор менамояд. Манфиатҳои асосӣ инҳоянд:

• Танҳо тақрибан 1,5%-и энергияи муҳаррик барои нигоҳдории кори худи турбокомпрессор сарф мешавад
• Қувваи баромади баландтар аз муҳаррики ҳаҷман хурдтар
• Камшавии талафоти соиш ба сабаби муҳаррики сабуктар ва ихчамтар
• Самаранокии беҳтари сӯзишворӣ дар муқоиса бо муҳаррики атмосферии қувваи баробар
• Газҳои ихроҷии тозатар, ки бахусус барои муҳаррикҳои дизелии муосир аҳамият дорад

Ба назар ҳалли комил менамояд — аммо турбонаддув бо мушкилоти ҷиддии муҳандисӣ ҳамроҳ буд, ки паҳншавии васеи онро даҳсолаҳо ба таъхир андохт.

Мушкилот: гармои шадид, суръат ва таъхири турбо (турболаг)

Турбокомпрессорҳо дар шароити сахт кор мекунанд:

• Роторҳои турбина метавонанд то 200 000 давр/дақиқа бичарханд
• Ҳарорати газҳои ихроҷӣ метавонад ба 1000°C (1832°F) бирасад
• Ҷузъҳо бояд таҳти фишори доимии ҳароратӣ ва механикӣ якпорчагии сохторӣ ва дақиқии андозаҳоро нигоҳ доранд

Бо ин сабаб турбонаддув танҳо дар давраи Ҷанги Дуюми Ҷаҳонӣ паҳн шуд — ва дар аввал танҳо дар авиатсия, ки дар он ҷо сармоягузории муҳандисӣ асоснок буд. Дар солҳои 1950-ум ширкати Caterpillar ин технологияро барои тракторҳои худ бомуваффақият мутобиқ кард, дар ҳоле ки Cummins аввалин муҳаррикҳои турбодизелии боркашро таҳия намуд. Автомобилҳои сабукрави турбодор то соли 1962 пайдо нашуданд, вақте ки Oldsmobile Jetfire ва Chevrolet Corvair Monza тақрибан ҳамзамон ба фурӯш бароварда шуданд.

Илова бар устуворӣ, мушкили дигаре низ хоси автомобилҳо буд: таъхири турбо (турболаг). Дар суръати пасти муҳаррик ҳаҷми газҳои ихроҷӣ маҳдуд аст, бинобар ин турбина оҳиста мечархад ва компрессор базӯр фишор ҳосил мекунад. Муҳаррик метавонад дар зери 3000 давр/дақ суст ҳис шавад, сипас ногаҳон дар болои 4000–5000 давр/дақ бо қувва ҷаҳида барояд. Ҳар қадар турбина калонтар бошад, таъхир ҳамон қадар намоёнтар аст. Турбинаҳои хурдтар таъхирро кам мекунанд, аммо қувваи аз ҳама баландро қурбон менамоянд.

Ҳалли муосир: чӣ гуна муҳандисон турболагро мағлуб карданд

Дар тӯли даҳсолаҳо муҳандисон чанд равиши моҳиронаро таҳия карданд, то турболагро кам кунанд ва дар айни замон афзоиши қувваро нигоҳ доранд:

• Турбоҳои дугонаи пайдарпай (sequential twin-turbo): Турбокомпрессори хурд ва каминерсия суръати пастро идора мекунад, дар ҳоле ки воҳиди калонтар дар суръати баланд ба кор медарояд. Дар Porsche 959-и афсонавӣ истифода шуда буд ва имрӯз дар турбодизелҳои BMW ва Land Rover вомехӯрад. Муҳаррикҳои бензинии Volkswagen ба ҷои турбои хурд компрессори механикии тасмагардро истифода мебаранд, то аксуламали суръати паст боз ҳам тезтар бошад.
• Турбокомпрессори дузаврӣ (twin-scroll): Як турбои ягона бо ду даромадгоҳи ҷудогонаи ихроҷ (волютаҳо), ки ҳар яке аз гурӯҳи дигари силиндрҳо ғизо мегирад. Ин турбинаро ҳам дар суръати паст ва ҳам баланд самаранок чарх мезанонад ва бе илова кардани турбои дуюм таъхирро кам мекунад. Дар муҳаррикҳои шашсилиндраи қаторӣ ва чорсилиндра маъмул аст.
• Турбоҳои дугонаи параллелӣ (parallel twin-turbo): Ду турбокомпрессори якхела, ки ба блокҳои ҷудогонаи силиндрҳо хидмат мекунанд. Дар муҳаррикҳои V-шакл стандарт аст, ки дар онҳо ҳар як блок воҳиди худро дорад. Бахши M-и BMW инро боз ҳам пеш бурд ва дар X5 M ва X6 M коллектори ихроҷии байниблокиро истифода кард, ки ба компрессори дузаврӣ имкон медиҳад газҳоро аз блокҳои муқобили силиндр дар фазаҳои муқобили оташгирӣ кашад.
• Турбокомпрессори геометрияи тағйирёбанда (VGT): Парраҳои танзимшаванда дар дохили корпуси турбина роҳи ҷараёни газҳои ихроҷиро вобаста ба суръати муҳаррик тағйир медиҳанд — яъне ба турбо дар ҳар давр «андозаи» дуруст медиҳанд. Аввал дар муҳаррикҳои дизелӣ қабул шуд (ки дар онҳо ҳарорати пасти ихроҷ татбиқро осонтар мекард) ва ниҳоят аз ҷониби Porsche бо 911 Turbo ба муҳаррикҳои бензинӣ оварда шуд.

Турбонаддув имрӯз: аз маҳсулнокӣ то самаранокӣ

Он чи ҳамчун як мушкилоти муҳандисии авиатсия оғоз шуда буд, ба технологияи ҳукмрон дар системаҳои қувваи автомобилҳои муосир табдил ёфт. Имрӯз турбонаддув дигар танҳо ба маҳсулнокӣ марбут нест — он барои сарфаҷӯии сӯзишворӣ ва меъёрҳои ихроҷ марказӣ аст. Қариб ҳар муҳаррики дизелӣ дар бозор пешванди «турбо»-ро ҳамчун чизи табиӣ дорад. Ва дар ҷаҳони бензин муҳаррикҳои ҳаҷман хурди турбодор асосан муҳаррикҳои калони атмосфериро дар сегментҳои оммавӣ, боҳашамат ва спортӣ якдигар иваз карданд.

Нишони хоксори хурд дар паси автомобиле, ки дар назар оддӣ менамояд, ҳикоятеро нақл мекунад, ки беш аз як аср тӯл мекашад — аз патенти Бюхи дар соли 1905 то системаҳои дузаврӣ ва геометрияи тағйирёбандаи имрӯза. Ва ин ҳикоя ҳанӯз ба охир нарасидааст.

Ин тарҷума аст. Шумо метавонед матни аслиро дар ин ҷо хонед: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html