Turbonaddув tarixi: Turbinalar avtomobil dunyosini qanday o'zgartirdi

Siz, ehtimol, qaysidir paytda oddiy ko’rinishdagi avtomobilda kichkina “turbo” belgisini ko’rgandirsiz. Ishlab chiqaruvchilar bu emblemalarni odatda kamtarona joylashtiradi — o’lchami kichik, ko’zga tashlanmaydigan joylarga yashirilgan. Bilmaydigan odam uchun ularning yonidan beparvo o’tib ketish oson. Ammo ishni biladiganlar uchun bu to’xtab turishga arziydigan signal. Xo’sh, bu nimaga shovqin-suron? Mana turbonaddувning to’liq hikoyasi — u qayerdan paydo bo’lgani, qanday ishlashi va nima uchun muhimligi haqida.

Nima uchun muhandislarga bir xil dvigateldan ko’proq quvvat kerak bo’ldi

Avtomobil muhandisligining eng dastlabki kunlaridan boshlab, dizaynerlar bitta savol bilan band edi: dvigateldan qanday qilib ko’proq quvvat olish mumkin? Fizika qonunlari aniq javob beradi — dvigatel quvvati har bir ish siklida yondiriladigan yoqilg’i miqdoriga to’g’ridan-to’g’ri proporsionaldir. Ko’proq yoqilg’i yonsa, ko’proq quvvat bo’ladi. Nazariy jihatdan juda oddiy. Ammo amaliyotda bu ancha murakkabroq.

Asosiy cheklov — kislorod. Yoqilg’i o’z-o’zidan yonmaydi — u yoqilg’i-havo aralashmasining bir qismi sifatida yonadi. Va bu aralashma ko’z bilan chamalab emas, balki aniq muvozanatlangan bo’lishi kerak. Benzin dvigateli uchun ideal nisbat taxminan quyidagicha:

• 1 qism yoqilg’i ga 14–15 qism havo, ish rejimi, yoqilg’i tarkibi va boshqa o’zgaruvchilarga qarab

Bu shuni anglatadiki, agar siz ko’proq yoqilg’i yondirmoqchi bo’lsangiz, sezilarli darajada ko’proq havo ham yetkazib berishingiz kerak. Oddiy tabiiy so’rilishli (atmosferaga so’riladigan) dvigatellar havoni silindr va atmosfera o’rtasidagi bosim farqi orqali so’rib oladi. Natijada qattiq chegara paydo bo’ladi: silindr hajmi qanchalik katta bo’lsa, har bir siklda shunchalik ko’p kislorod kiradi. 20-asr o’rtalaridagi amerikalik ishlab chiqaruvchilar buni o’ta cheklangan darajagacha olib chiqdi, ulkan hajmli va katta yoqilg’i ishtahasiga ega dvigatellar ishlab chiqardi. Ammo bir xil silindr hajmiga ko’proq havoni kiritishning aqlliroq usuli bormidi?

Superkompressor ixtirosi: Gottlib Daymlerning kashfiyoti

Javob tanish nomdan keldi — Gottlib Vilgelm Daymler, DaimlerChrysler merosi ortidagi xuddi shu nemis muhandisi. 1885-yilda Daymler mexanik tarzda harakatga keltiriladigan superkompressor yordamida dvigatel silindrlariga ko’proq havoni kiritish usulini ishlab chiqdi — bu mohiyatan dvigatelning tirsakli vali tomonidan to’g’ridan-to’g’ri harakatga keltiriladigan kompressor (ventilyator) bo’lib, u siqilgan havoni silindrlarga itarardi.

U ishladi. Ammo bitta jiddiy kamchiligi bor edi: kompressor o’zini harakatga keltirish uchun dvigateldan to’g’ridan-to’g’ri energiya o’g’irlardi. Muhandislar yaxshiroq usul bo’lishi kerakligini bilishardi.

Alfred Byuxi va turbonaddувning paydo bo’lishi (1905)

Mana, Alfred J. Byuxi — Sulzer Brothers kompaniyasida dizel dvigatellarini ishlab chiqishga rahbarlik qilgan shveytsariyalik muhandis va ixtirochi. Byuxi ikki jihatdan norozi edi:

• O’sha davr dizel dvigatellari katta, og’ir va kam quvvatli edi
• Mexanik superkompressorlar dvigatelni harakatga keltirish uchun zarur bo’lgan energiyasini tortib olardi

1905-yilda Byuxi radikal yechimni patentladi: dvigatelning tirsakli vali tomonidan emas, balki o’zining chiqindi gazlari tomonidan harakatga keltiriladigan to’ldirish qurilmasi. Bu dunyodagi birinchi turbonaddув edi.

Turbonaddув qanday ishlaydi

Turbonaddув ortidagi g’oya nihoyatda oddiy. Mana asosiy tamoyil, bosqichma-bosqich:

1. Issiq chiqindi gazlar dvigateldan chiqib, turbina korpusiga oqib kiradi
2. Bu gazlar pichoqli g’ildirakni — turbina rotorini — xuddi shamol shamol tegirmonini aylantirgandek, lekin o’ta yuqori tezlikda aylantiradi
3. Turbina rotori kompressor g’ildiragi bilan bir xil valga o’rnatilgan
4. Turbina aylanar ekan, u kompressorni harakatga keltiradi, kompressor esa siqilgan havoni silindrlarga itaradi
5. Silindrlarda ko’proq havo bo’lishi ko’proq yoqilg’i yondirilishi mumkinligini anglatadi — bu esa kattaroq quvvat chiqishiga olib keladi

“Turbokompressor” so’zining o’zi lotincha turbo (girdob) va compressio (siqish) ildizlaridan kelib chiqqan — bu ichkarida sodir bo’layotgan jarayonning aniq ta’rifidir.

Interkulerning roli

Topishmoqning yana bir qismi bor. Havo kompressordan o’tib, issiq turbokompressor qismlari tomonidan qizdirilganda, u kengayadi — bu bir xil hajmga kamroq kislorod sig’ishini anglatadi. Bunga qarshi turish uchun turbonaddувli dvigatellar interkulerdan foydalanadi: bu kompressor va dvigatel silindrlari o’rtasidagi havo yo’liga o’rnatilgan radiator.

Interkulerning vazifasi sodda, ammo juda muhim:

• U siqilgan havoni silindrlarga kirishidan oldin sovutadi
• Sovuqroq havo zichroq bo’ladi, ya’ni bir xil joyga ko’proq kislorod molekulalari sig’adi
• Bu yanada yuqoriroq nadduв bosimiga — va yanada kattaroq quvvat oshishiga imkon beradi
• Shuningdek, u dvigatel detonatsiyasining (erta portlashning) oldini olishga yordam beradi, ayniqsa yuqori quvvatli qo’llanmalarda

Turbonaddувning tabiiy so’rilishdan asosiy ustunliklari

Turbonaddувdan olinadigan samaradorlik daromadlari sezilarli. Ishlashi uchun dvigatel quvvatini iste’mol qiladigan mexanik superkompressordan farqli o’laroq, turbokompressor aks holda behuda ketadigan chiqindi gazlardan energiya oladi. Eng muhimi, turbina bu gazlarni sezilarli darajada sekinlashtirmaydi; aksincha, u ularni sovutadi va shu jarayonda energiyani qaytaradi. Asosiy afzalliklarga quyidagilar kiradi:

• Turbokompressorning o’z-o’zini ta’minlashiga dvigatel energiyasining faqat ~1,5%i sarflanadi
• Kichikroq hajmli dvigateldan yuqoriroq quvvat chiqishi
• Yengilroq va ixchamroq dvigatel tufayli ishqalanish yo’qotishlarining kamayishi
• Tegishli quvvatga ega tabiiy so’rilishli dvigatelga nisbatan yaxshiroq yoqilg’i tejamkorligi
• Ayniqsa zamonaviy dizel dvigatellari uchun muhim bo’lgan tozaroq chiqindi gazlar

Bu mukammal yechimga o’xshaydi — ammo turbonaddув uning keng tarqalishini o’nlab yillar kechiktirgan jiddiy muhandislik muammolari bilan birga keldi.

Muammolar: o’ta yuqori harorat, tezlik va turbozaderjka

Turbokompressorlar shafqatsiz sharoitlarda ishlaydi:

• Turbina rotorlari daqiqasiga 200 000 aylanishgacha aylanishi mumkin
• Chiqindi gaz harorati 1 000°C (1 832°F)ga yetishi mumkin
• Qismlar uzluksiz termal va mexanik zo’riqish ostida o’zining strukturaviy yaxlitligini va aniq dopuskalarini saqlab turishi kerak

Shu sababli turbonaddув faqat Ikkinchi jahon urushi davrida keng tarqaldi — va dastlab faqat aviatsiyada, bu yerda muhandislik sarmoyasi o’zini oqlardi. 1950-yillarda Caterpillar bu texnologiyani o’z traktorlari uchun muvaffaqiyatli moslashtirdi, Cummins esa birinchi turbodizel yuk mashinasi dvigatellarini ishlab chiqdi. Turbonaddувli yengil avtomobillar faqat 1962-yilda, Oldsmobile Jetfire va Chevrolet Corvair Monza deyarli bir vaqtning o’zida chiqarilganda paydo bo’ldi.

Bardoshlilikdan tashqari, avtomobillarga xos yana bir muammo bor edi: turbozaderjka (turbo kechikishi). Past dvigatel aylanishlarida chiqindi gaz hajmi cheklangan, shuning uchun turbina sekin aylanadi va kompressor deyarli bosim hosil qilmaydi. Dvigatel daqiqasiga 3 000 aylanishdan past bo’lganda sust his qilinishi, so’ngra 4 000–5 000 aylanishdan yuqorida birdan quvvat bilan otilib chiqishi mumkin. Turbina qanchalik katta bo’lsa, kechikish shunchalik sezilarli bo’ladi. Kichikroq turbinalar kechikishni kamaytiradi, lekin cho’qqi quvvatini qurbon qiladi.

Zamonaviy yechimlar: muhandislar turbozaderjkani qanday yengdi

O’nlab yillar davomida muhandislar quvvat oshishini saqlab qolgan holda turbozaderjkani minimallashtirish uchun bir nechta aqlli yondashuvlarni ishlab chiqdilar:

• Ketma-ket ikki turbinali (sequential twin-turbo): Kichik, past inertsiyali turbokompressor past aylanishlarni boshqaradi, kattaroq qism esa yuqori aylanishlarda ishga tushadi. Afsonaviy Porsche 959’da qo’llanilgan va bugungi kunda BMW va Land Rover turbodizellarida uchraydi. Volkswagen benzin dvigatellari yanada tezroq pastki javob uchun kichik turbina o’rniga tasma bilan harakatga keltiriladigan superkompressordan foydalanadi.
• Ikki spiralli turbokompressor (twin-scroll): Ikki alohida chiqindi kirishiga (volyutaga) ega bitta turbina bo’lib, ularning har biri turli silindrlar guruhi bilan ta’minlanadi. Bu turbinani ham past, ham yuqori aylanishlarda samarali aylantirib turadi va ikkinchi turbina qismini qo’shmasdan kechikishni kamaytiradi. To’g’ri oltita va to’rt silindrli dvigatellarda keng tarqalgan.
• Parallel ikki turbinali (parallel twin-turbo): Alohida silindr bloklariga xizmat qiluvchi ikkita bir xil turbokompressor. V-konfiguratsiyali dvigatellarda standart bo’lib, har bir blok o’z qismiga ega bo’ladi. BMW’ning M bo’limi buni X5 M va X6 M’da bloklararo chiqindi kollektori bilan yanada rivojlantirdi, bu esa ikki spiralli kompressorga qarama-qarshi yonish fazalarida qarama-qarshi silindr bloklaridan gaz olishga imkon berdi.
• O’zgaruvchan geometriyali turbokompressor (VGT): Turbina korpusi ichidagi sozlanadigan kuraklar dvigatel tezligiga qarab chiqindi gazlarining oqim yo’lini o’zgartiradi — bu turbinaga har bir aylanishda to’g’ri “o’lcham”ni samarali tarzda beradi. Avval dizel dvigatellarida qo’llanilgan (bu yerda pastroq chiqindi haroratlari uni amalga oshirishni osonlashtirdi) va oxir-oqibat Porsche tomonidan 911 Turbo bilan benzin dvigatellariga olib kelingan.

Bugungi kunda turbonaddув: quvvatdan samaradorlikka

Aviatsiya muhandisligi muammosi sifatida boshlangan narsa zamonaviy avtomobil quvvat tizimlarida ustun texnologiyaga aylandi. Bugungi kunda turbonaddув endi faqat quvvat haqida emas — u yoqilg’i tejamkorligi va emissiya standartlari uchun markaziy ahamiyatga ega. Bozordagi deyarli har bir dizel dvigateli “turbo” prefiksini berilgan narsa sifatida tashiydi. Benzin dunyosida esa turbonaddувli kichik hajmli dvigatellar asosiy, hashamatli va sport segmentlarining barchasida kattaroq tabiiy so’rilishli qismlarning o’rnini katta darajada egalladi.

Oddiy avtomobilning orqasidagi kamtarona kichkina belgi bir asrdan ortiq davom etgan hikoyani aytib beradi — Byuxining 1905-yilgi patentidan tortib bugungi kunning ikki spiralli, o’zgaruvchan geometriyali tizimlarigacha. Va bu hikoya hali tugagani yo’q.

Bu tarjima. Asl nusxasini bu yerda o’qishingiz mumkin: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html