Pirmieji lengvieji automobiliai su turbokompresoriais pasirodė dar septintajame dešimtmetyje anapus Atlanto. Nors amerikiečiai dažnai vadovavosi taisykle, kad variklio darbinio tūrio niekuo nepakeisi, būtent jie pirmieji išdrįso įdiegti turbinas į serijinės gamybos modelius.
Šioje srityje pionieriumi tapo automobilių gamintojas „Oldsmobile“. Visgi po dešimtmečio turbokompresoriai tapo tikru fenomenu Europoje ir Japonijoje, o viena svarbiausių šios technologijos vystytojų tapo dabar jau nebeegzistuojanti švedų kompanija „Saab“.
Iššūkiai keliuose ir sprendimai iš aviacijos
Pirmieji amerikiečių bandymai nebuvo lengvi. Primityvus turbokompresoriaus sūkių valdymas ir žemo oktaninio skaičiaus degalai greitai sukėlė problemų.
Dėl aukštos degiojo mišinio temperatūros varikliuose prasidėdavo savaiminis užsiliepsnojimas, kurį vairuotojai atpažindavo iš specifinio variklio kalimo.
Amerikos inžinieriai šią problemą bandė spręsti į benziną pildami specialų antidetonacinį skystį, kuris buvo žinomas „Turbo Rocket Fluid“ pavadinimu.
Priežastis, kodėl amerikiečiai pirmieji pasaulyje pritaikė turbokompresorių automobiliuose, yra gana akivaizdi. Aviacijoje ši technologija buvo sėkmingai naudojama jau nuo ketvirtojo dešimtmečio.
Skrendant dideliame aukštyje lėktuvų varikliams trūkdavo deguonies, o turbina padėdavo kompensuoti šį trūkumą ir išlaikyti tokį patį galingumą kaip ir žemesniame lygyje.
Suspaudimo laipsnio mįslė
Pirmieji varikliai su turbokompresoriais iš tiesų pastebimai padidino automobilių galią, o kai kuriais atvejais galios šuolis buvo itin akivaizdus, tačiau tai buvo pasiekta paaukojant kitas svarbias savybes.
Inžinieriams teko susidurti ne tik su prasta variklio dinamika esant žemiems ar vidutiniams sūkiams, bet ir su kita itin skaudžia problema – milžiniškomis degalų sąnaudomis.
Norint išgauti įspūdingą galingumą, į variklį reikėjo pūsti didelį slėgį, tačiau tam reikėjo naudoti labai žemą statinį suspaudimo laipsnį. Būtent šis rodiklis yra vienas esminių variklio termodinaminio efektyvumo matų.
Esant žemam suspaudimo laipsniui, naudingumo koeficientas drastiškai sumažėja, o tai lemia didelį degalų apetitą. Įdomu tai, kad degalai buvo švaistomi ne tada, kai vairuotojas spausdavo pedalą iki dugno, o priešingai – važiuojant ramiai arba esant tik dalinei variklio apkrovai.
Toks agregatas vartojo daug degalų nepriklausomai nuo to, ar buvo judama greitai, ar lėtai, ir visiškai nepaisė to, kokia sunki yra vairuotojo dešinė koja.
Inžinieriai greitai suprato, kad bandymas padidinti statinį suspaudimo laipsnį reikalauja sumažinti maksimalų turbinos slėgį, o tai vėlgi reiškė mažesnę galią.
Palikus didelį slėgį, variklyje akimirksniu prasidėdavo nevaldomas savaiminis degalų užsiliepsnojimas. Liaudiškai tariant, variklis pradėdavo kalti, o tokie procesai labai greitai sugadina vidinius automobilio komponentus.
Šiuolaikiniuose automobiliuose šis galvos skausmas jau sėkmingai išspręstas naudojant pažangų turbokompresoriaus valdymą ir tiesioginį benzino įpurškimą, kuris efektyviai vėsina degimo kamerą ir apsaugo nuo nepageidaujamų detonacijų.
„Saab“ išmokė variklius prisitaikyti prie bet kokio benzino
Į turbokompresoriumi aprūpintų variklių galvosūkį ankstyvojoje jų eroje įsikišo dar vienas svarbus kintamasis – degalai, o tiksliau jų oktaninis skaičius.
Šis rodiklis nurodo degiojo mišinio atsparumą detonacijai, todėl kuo oktaninis skaičius didesnis, tuo geriau variklis yra apsaugotas nuo nevaldomo savaiminio užsiliepsnojimo.
Tuo metu, kai automobilių pramonėje dar nebuvo plačiai naudojamas tiesioginis benzino įpurškimas, Švedijos automobilių gamintoja „Saab“ žengė revoliucinį žingsnį ir 1980 metais savo varikliuose įdiegė APC sistemą.
Šis trumpinys reiškia automatinį galios valdymą (angl. Automatic Performance Control). Šis išmanus elektroninis įrenginys jau prieš pusę amžiaus sugebėjo užtikrinti, kad variklis su turbokompresoriumi dirbtų prie pat pavojingos variklio kalimo ribos, tačiau jos neperžengtų.
Pati didžiausia naujovė buvo ta, kad sistema veikė visiškai nepriklausomai nuo į baką įpiltų degalų kokybės, nors benzino oktaninis skaičius tuo metu galėjo labai stipriai svyruoti.
Įprastuose automobiliuose su elektroniniu valdymu detonacijos jutiklis būdavo sujungtas tik su degimo sistema. Vairuotojui įsipylus žemesnės kokybės degalų, sistema paprasčiausiai vėlindavo degimo kampą, todėl automobilio galia pastebimai krisdavo.
Tuo tarpu „Saab“ sukurta APC sistema prie šio valdymo papildomai prijungė turbokompresoriaus sūkių ir paties įpūtimo slėgio reguliavimą, o valdymo blokas realiu laiku apdorodavo duomenis iš detonacijos, slėgio bei variklio sūkių jutiklių.
Vėliau ši sistema sulaukė dar vieno patobulinimo, kai buvo sujungta su SDI technologija be tradicinio skirstytuvo, o tai buvo dar viena garsi švedų prekės ženklo inovacija.
Iš APC valdymo bloko elektrinis signalas keliaudavo tiesiai į specialų solenoidinį vožtuvą, kuris reaguodavo į slėgių skirtumus ir pneumatiniu būdu valdydavo turbinos apėjimo vožtuvą.
Kiti to meto automobilių gamintojai siūlė kur kas primityvesnius sprendimus, kurie pasikliovė tik paprastu įpūtimo slėgio jutikliu ir visiškai neanalizuodavo variklyje kylančių detonacijos pavojų.
Šis inžinerinis proveržis leido legendiniam „Saab 900 Turbo“ modeliui su 2 litrų darbinio tūrio varikliu pakelti statinį suspaudimo laipsnį nuo pradinio 7,2 iki 8,5, išlaikant tą pačią įspūdingą maksimalią galią.
Tai padėjo pasiekti neįtikėtiną rezultatą – drastiškai sumažėjo degalų sąnaudos važiuojant ramiu režimu o pats automobilis pradėjo žaibiškai ir sklandžiai reaguoti į kiekvieną akceleratoriaus pedalo paspaudimą.