Turboahdin
Turboahdin eli turbo on kaasukompressori. Sitä käytetään pakottamaan ilmaa polttomoottoriin. Turboahdin on eräänlainen pakkosyöttö. Se lisää moottoriin tulevan ilman määrää tehon lisäämiseksi. Turboahtimessa kompressorin voimanlähteenä on turbiini. Turbiinia pyörittää moottorin pakokaasu. Se ei käytä suoraa mekaanista voimansiirtoa. Tämä auttaa parantamaan turboahtimen suorituskykyä.
Leikkausnäkymä ilmakalvolla tuetusta turboahtimesta
Nimet
Varhaiset turboahtimien rakentajat kutsuivat niitä "turboahtimiksi". Kompressori on ilmakompressori, jota käytetään ilman pakottamiseen moottoriin. He ajattelivat, että lisäämällä turbiineja ahtimen pyörittämiseksi saataisiin aikaan "turbolaturi". Termi lyhennettiin pian termiksi "turboahdin". Tämä voi nyt aiheuttaa sekaannusta. Termiä "turboahdettu" käytetään joskus viittaamaan moottoriin, jossa käytetään sekä kampiakselikäyttöistä ahtimen ahdinta että pakokaasukäyttöistä turboahtimen ahdinta. Tätä kutsutaan myös kaksoislataukseksi.
Jotkin yritykset, kuten Teledyne Continental Motors, käyttävät edelleen termiä turboahdin turboahtimista.
Operaatio
Moottori tuottaa voimaa polttamalla ilman ja polttoaineen seosta. Ilma ja polttoaine syötetään sylintereihin palamaan. Kun ne palavat, ne työntävät mäntää alaspäin. Mäntä kääntää kampiakselia ja tuottaa tehoa. Automoottoreissa tämä mitataan hevosvoimina.
Normaalisti hengittävät moottorit (Normaalisti hengittävät) moottorit.
Moottoria, jossa ei käytetä turboahtimia tai ahtimia, kutsutaan luontaisesti tai normaalisti imeväksi moottoriksi. Tavallisesti moottorin tekniset tiedot luetellaan vain, jos moottorissa käytetään turboahtimella tai ahtimella varustettua moottoria. Useimmat autojen moottorit ovat luontaisesti imeviä. Niiden tuottamaa tehoa rajoittaa se ilmamäärä, jonka männät pystyvät vetämään sylintereihin.
Turboahdetut moottorit
Turboahdin on pieni tuuletinpumppu, joka pyörii akselin ympäri. Pumppua pyörittää pakokaasun paine. Turboahdin koostuu turbiinista ja kompressorista. Molemmat on asennettu samalle akselille. Turbiini on lämpövoimakone. Se muuttaa pakokaasun lämmön ja paineen pyörimiseksi. Tätä pyörimistä käytetään kompressorin pyörittämiseen. Kompressori imee sisäänsä ulkoilmaa. Se puristaa tai tiivistää ilmaa. Sitten se lähettää ilman moottoriin. Koska ilmanpaine on noussut, sylintereihin voidaan syöttää enemmän ilmaa ja polttoainetta. Tätä kutsutaan joskus paineistukseksi.Kun polttoainetta on enemmän, moottori voi tuottaa enemmän tehoa. Tämä lisää moottorin hevosvoimaa.
Moottorin vaurioituminen
Moottori voi vaurioitua, jos sylintereiden ilmanpaine nousee liian korkeaksi. Jos turbiiniin lähetetään liikaa pakokaasua, kompressori voi luoda liian suuren paineen. Tämän estämiseksi käytetään hukkaporttia. Hukkaportti rajoittaa turbiiniin lähetettävän pakokaasun määrää.
Historia
Turboahtimen keksi sveitsiläinen insinööri Alfred Büchi. Hänen patenttiaan haettiin käyttöön vuonna 1905. Turboahtimilla varustettuja diesellaivoja ja -vetureita alkoi ilmestyä 1920-luvulla.
Ilmailu
Ensimmäisen maailmansodan aikana ranskalainen insinööri Auguste Rateau asensi turboahtimia Renaultin moottoreihin, jotka käyttivät voimanlähteenä useita ranskalaisia hävittäjiä.
Vuonna 1918 General Electricin insinööri Sanford Moss kiinnitti turboahtimen Liberty-lentokoneen moottoriin. Moottoria testattiin Pikes Peakissa Coloradossa 4 300 metrin korkeudessa. Kokeen tarkoituksena oli osoittaa, että turboahtimella voitaisiin lisätä lentokoneiden korkealla menettämää tehoa. Polttomoottorit menettävät tehoa, koska suuressa korkeudessa ulkoilman paine on alhainen. Moottoriin voidaan imeä vähemmän ilmaa ja polttoainetta.
Turboahtimia käytettiin ensimmäisen kerran lentokoneiden tuotantomoottoreissa 1930-luvulla.
Tuotantoautot
Ensimmäisen turboahdetun dieselkuorma-auton rakensi sveitsiläinen konepaja Saurer vuonna 1938. Ensimmäiset turboahdetut automoottorit tuotti General Motors vuonna 1962. Oldsmobile Cutlass Jetfire -malliin asennettiin Garrett AiResearchin turboahdin ja Chevrolet Corvair Monza Spyderiin TRW:n turboahdin.
Vuonna 1974 Porsche esitteli Pariisin autonäyttelyssä 911Turbo -mallin. Tämä tapahtui öljykriisin huippuvaiheessa. 911Turbo oli ensimmäinen sarjatuotannossa oleva urheiluauto, jossa oli pakokaasuturbo ja paineensäädin. Paineensäädin oli hukkaportti. Ensimmäiset tuotantoturbodieselautot olivat Mercedes 300SD, jossa oli Garrettin turboahdin, ja Peugeot 604. Molemmat esiteltiin vuonna 1978. Nykyään suurin osa autojen dieselmoottoreista on turboahdettuja.
Kilpa-autot
Ensimmäinen menestyksekäs turboahdettu kilpamoottori näyttää olleen vuonna 1952. Fred Agabashian ajoi dieselkäyttöisellä Cummins Special -autolla Indianapolis 500 -kilpailun paalupaikalle. Hän johti kisaa 175 mailin (282 km) ajan. Sitten turbo vaurioitui rengasroskista. Offenhauserin turbomoottorit tulivat Indianapolisiin ensimmäisen kerran vuonna 1966. Niiden ensimmäinen voitto tuli vuonna 1968 Garrett AiResearchin turboahtimella. Turboahdetut autot hallitsivat Le Mansin 24 tunnin kilpailua vuosina 1976-1988 ja sitten vuosina 2000-2007.
| ||||||||
Formula ykkösissä oli "turboaika" vuodesta 1977 vuoteen 1989. Moottorit, joiden iskutilavuus oli 1500 cc, saattoivat tuottaa jopa 1500 hv (1119 kW). Vuonna 1977 Renault käytti ensimmäisenä turboahdettuja moottoreita F1:ssä. Suorituskyky korvasi korkeat kustannukset. Muut moottorivalmistajat alkoivat rakentaa turboja. Turboahdetut moottorit valtasivat F1-kentän. Ne lopettivat Ford Cosworth DFV:n aikakauden 1980-luvun puolivälissä. 1980-luvun puolivälissä FIA päätti, että turboahtimet tekivät urheilusta liian vaarallista ja kallista. Vuonna 1987 FIA päätti rajoittaa turbojen maksimitehonlisäystä. Vuonna 1989 turboahtimet kiellettiin kokonaan.
Ralliautoilijat ovat jo pitkään suosineet turboahdettuja moottoreita. Ne tarjoavat erittäin korkean teho-painosuhteen. Turboteho alkoi nousta F1-autojen tasolle. FIA ei kieltänyt turboja. Ne rajoittivat turbotehoa rajoittamalla imusarjan halkaisijaa.
Chevrolet Corvairin turboahdettu moottori. Oikealla ylhäällä sijaitseva turbo syöttää paineistettua ilmaa moottoriin kromatun T-putken kautta.
Useita turboahtimia
Rinnakkainen
Joissakin moottoreissa käytetään kahta turboahdinta. Molemmat ovat samankokoisia. Ne ovat yleensä pienempiä kuin yhden turboahtimen moottoreissa käytetyt. Niitä käytetään usein V-tyyppisissä moottoreissa, kuten V6- ja V8-moottoreissa. Kumpikin turbo saa virtansa moottorin erillisestä pakoputkesta. Koska ne ovat pienempiä, ne saavuttavat optimaalisen ahtopaineensa nopeammin. Tätä turboasennelmaa kutsutaan yleensä rinnakkaiseksi kaksoisturbojärjestelmäksi. Ensimmäinen tuotantoauto, jossa oli rinnakkaiset kaksoisturboahtimet, oli Maserati Biturbo 1980-luvun alussa.
Jaksollinen
Jotkut autonrakentajat välttävät turboviiveen (alla) käyttämällä kahta pientä turboa. Normaalisti yksi turbo toimii koko ajan. Toinen turbo alkaa toimia vasta korkeammilla kierrosluvuilla. Koska turbot ovat pienempiä, niissä ei ole niin paljon turbo lagia. Toinen turbo pääsee täyteen kierroslukuun ennen kuin sitä tarvitaan. Tätä asetelmaa kutsutaan yleensä sekventiaaliseksi kaksoisturboksi. Porsche käytti tätä tekniikkaa ensimmäisen kerran vuonna 1985 Porsche 959 -mallissa.
Sovellukset
Diesel
Turboahdin on hyvin yleinen dieselmoottoreissa autoissa, kuorma-autoissa, vetureissa, laivoissa ja raskaissa työkoneissa. Dieselmoottorit soveltuvat erityisen hyvin turboahtimille useista syistä:
- Turboahdin voi parantaa moottorin tehoa ja tehopainosuhdetta huomattavasti.
- Kuorma-autojen ja teollisuuden dieselmoottorit käyvät yleensä suurimmalla nopeudellaan. Tämä vähentää turboviiveongelmia.
- Dieselmoottoreissa ei ole moottorin koputusta. Dieselpolttoaine ruiskutetaan puristustahdin lopussa, ja se syttyy puristuslämmöstä. Dieselmoottoreissa voidaan käyttää paljon suurempia ahtopaineita kuin bensiinimoottoreissa.
Moottoripyörä
Turboahtimien käyttö suorituskyvyn lisäämiseksi oli hyvin houkuttelevaa japanilaisille rakentajille 1980-luvulla. Ensimmäinen esimerkki turboahdetusta moottoripyörästä on vuoden 1978 Kawasaki Z1R TC. Siinä käytettiin Rayjay ATP -turbosarjaa, jolla saatiin aikaan 0,35 baarin (5 lb) ahtopaine. Tämä nosti tehon 90 hv:stä (67 kW) 105 hv:iin (78 kW). Se oli vain hieman nopeampi kuin vakiomalli. Useita muitakin moottoripyöriä rakennettiin turboilla. Moottoripyörien turbosovellukset nostivat niiden hintaa. Pienet tehonlisäykset eivät olleet lisäkustannusten arvoisia. 1980-luvun puolivälin jälkeen yksikään valmistaja ei ole valmistanut turboahdettuja moottoripyöriä.
Ilma-alus
Turboahdinta käytetään luonnollisesti lentokoneiden moottoreissa. Kun lentokone nousee korkeammalle, ympäröivän ilman paine laskee nopeasti. Turboahdin korjaa tämän ongelman puristamalla ilman korkeampaan paineeseen.
Lämpötilaa koskevat näkökohdat
Ilman puristaminen nostaa sen lämpötilaa. Tämä aiheuttaa useita ongelmia. Kohonnut lämpötila voi johtaa moottorin koputteluun sylinterinkannen lämpötilan nousun vuoksi. Kuuma ilma ei pysty polttamaan yhtä paljon polttoainetta kuin kylmä ilma. Tämä vähentää tuotettua tehoa.
Yleinen tapa käsitellä kuumempaa ilmaa on jäähdyttää sitä. Yleisin tapa on käyttää väli- tai jälkijäähdytintä. Nämä jäähdyttimet alentavat ilman lämpötilaa ennen sen pääsyä moottoriin.
Nykyaikaisissa turboahdetuissa lentokoneissa ei yleensä tarvitse jäähdyttää tulevaa ilmaa. Niiden turboahtimet ovat yleensä pieniä, eivätkä syntyvät paineet ole kovin suuria. Näin ollen ilman lämpötila ei nouse kovin paljon.
Vertailu ahtamiseen
Jotta ahtimen käyttö olisi mahdollista, sen on otettava moottorilta hieman tehoa pois. Sen lisäämä teho on suurempi kuin sen käyttämä teho. Turboahdin käyttää pakokaasuja. Tämä on lämpöenergiaa, joka menisi hukkaan.
Ominaisuudet
Luotettavuus
Likainen tai huono öljy voi vahingoittaa turboahtimia. Useimmat valmistajat suosittelevat useampia öljynvaihtoja turboahdetuille moottoreille. Turboahdin kuumenee käydessä. Monet suosittelevat, että moottorin annetaan käydä tyhjäkäynnillä useita minuutteja ennen moottorin sammuttamista. Näin turbo ehtii jäähtyä. Tämä pidentää turbon käyttöikää.
Turboviive
Aikaa, jonka turbo tarvitsee tarvittavan paineen muodostamiseen, kutsutaan turboviiveeksi. Tämä näkyy moottorin vasteen epäröintinä. Tämä johtuu ajasta, joka kuluu pakojärjestelmän turbiinin kiihdyttämiseen. Ahtimen suoraan pyörivällä kompressorilla ei ole tätä ongelmaa.
Viivettä voidaan vähentää käyttämällä kevyempiä osia. Näin turbiini käynnistyy nopeammin. Muilla mekaanisilla muutoksilla voidaan vähentää turbon viiveaikaa, mutta ne lisäävät kustannuksia.
