Turboahdatuksen historia: Kuinka turbot muuttivat automaailman

Olet todennäköisesti jossain vaiheessa nähnyt pienen “turbo”-merkin muuten tavallisen näköisessä autossa. Valmistajat sijoittavat nämä tunnukset yleensä vaatimattomasti — pieninä ja huomaamattomiin paikkoihin. Asiaan vihkiytymättömälle on helppo kävellä ohi. Mutta asiantuntijalle se on merkki, jonka äärellä kannattaa pysähtyä. Mistä siis on kyse? Tässä on koko tarina turboahdatuksesta — mistä se tuli, miten se toimii ja miksi se on tärkeää.

Miksi insinöörit tarvitsivat lisää tehoa samasta moottorista

Autoteollisuuden alkuajoista lähtien suunnittelijat ovat olleet pakkomielteisiä yhden kysymyksen suhteen: kuinka saada moottorista enemmän tehoa? Fysiikan lait antavat selkeän vastauksen — moottorin teho on suoraan verrannollinen jokaisen työtahdin aikana poltetun polttoaineen määrään. Enemmän polttoainetta poltettuna tarkoittaa enemmän tehoa. Teoriassa yksinkertaista. Mutta käytännössä se on paljon monimutkaisempaa.

Keskeinen rajoittava tekijä on happi. Polttoaine ei pala itsekseen — se palaa osana polttoaine-ilmaseosta. Ja tuo seos on tasapainotettava tarkasti, ei silmämääräisesti. Bensiinimoottorille ihanteellinen suhde on karkeasti:

• 1 osa polttoainetta ja 14–15 osaa ilmaa, riippuen käyttötavasta, polttoaineen koostumuksesta ja muista muuttujista

Tämä tarkoittaa, että jos haluat polttaa enemmän polttoainetta, sinun on myös syötettävä huomattavasti enemmän ilmaa. Tavanomaiset luonnollisesti imevät moottorit imevät ilmaa sylinterin ja ilmakehän välisen paine-eron avulla. Tuloksena on kova raja: mitä suurempi sylinterin tilavuus, sitä enemmän happea tulee jokaisen tahdin aikana. 1900-luvun puolivälin amerikkalaiset valmistajat veivät tämän äärimmilleen tuottamalla valtavan iskutilavuuden moottoreita, joilla oli suunnaton polttoaineenkulutus. Mutta olisiko ollut älykkäämpi tapa puristaa enemmän ilmaa samaan sylinteritilavuuteen?

Kompressorin keksintö: Gottlieb Daimlerin läpimurto

Vastaus tuli tutulta nimeltä — Gottlieb Wilhelm Daimler, sama saksalainen insinööri, joka on DaimlerChrysler-perinnön takana. Vuonna 1885 Daimler kehitti menetelmän pakottaa enemmän ilmaa moottorin sylintereihin käyttämällä mekaanisesti käytettävää kompressoria — käytännössä kompressori (tuuletin), jota käyttää suoraan moottorin kampiakseli ja joka puhaltaa paineistettua ilmaa sylintereihin.

Se toimi. Mutta siinä oli yksi merkittävä haittapuoli: kompressori varasti energiaa suoraan moottorista käyttääkseen itseään. Insinöörit tiesivät, että täytyi olla parempi tapa.

Alfred Büchi ja turboahtimen synty (1905)

Astuu kuvaan Alfred J. Büchi, sveitsiläinen insinööri ja keksijä, joka työskenteli Sulzer Brothersilla ja johti dieselmoottorien kehitystä. Büchillä oli turhautumista kahdella rintamalla:

• Aikakauden dieselmoottorit olivat suuria, raskaita ja tehottomia
• Mekaaniset kompressorit varastivat moottorista energiaa, jota se tarvitsi itse käymiseen

Vuonna 1905 Büchi patentoi radikaalin ratkaisun: ahdauslaitteen, jota ei käyttänyt moottorin kampiakseli, vaan sen omat pakokaasut. Tämä oli maailman ensimmäinen turboahdin.

Kuinka turboahdin toimii

Turboahdatuksen periaate on tyylikkään yksinkertainen. Tässä on perusperiaate vaihe vaiheelta:

1. Kuumat pakokaasut poistuvat moottorista ja virtaavat turbiinin koteloon
2. Nämä kaasut pyörittävät siivistöllä varustettua pyörää — turbiinin roottoria — samaan tapaan kuin tuuli pyörittää tuulimyllyä, mutta äärimmäisellä nopeudella
3. Turbiinin roottori on kiinnitetty samalle akselille kompressoripyörän kanssa
4. Turbiinin pyöriessä se käyttää kompressoria, joka pakottaa paineistettua ilmaa sylintereihin
5. Enemmän ilmaa sylintereissä tarkoittaa, että voidaan polttaa enemmän polttoainetta — tuloksena suurempi tehontuotto

Sana “turboahdin” tulee latinan juurista turbo (pyörre) ja compressio (pakkaaminen) — osuva kuvaus siitä, mitä sisällä tapahtuu.

Välijäähdyttimen rooli

Palapelissä on vielä yksi pala. Kun ilma kulkee kompressorin läpi ja kuumenee turboahtimen kuumista komponenteista, se laajenee — eli samaan tilavuuteen mahtuu vähemmän happea. Tämän torjumiseksi turbomoottorit käyttävät välijäähdytintä: jäähdytintä, joka on sijoitettu ilman tielle kompressorin ja moottorin sylintereiden väliin.

Välijäähdyttimen tehtävä on suoraviivainen mutta kriittinen:

• Se jäähdyttää paineistetun ilman ennen kuin se tulee sylintereihin
• Viileämpi ilma on tiheämpää, eli samaan tilaan mahtuu enemmän happimolekyylejä
• Tämä mahdollistaa vielä korkeamman ahtopaineen — ja vielä suuremmat tehoedut
• Se myös auttaa ehkäisemään nakutusta (ennenaikainen syttyminen), erityisesti suorituskykyisissä sovelluksissa

Turboahdatuksen keskeiset edut luonnolliseen imemiseen verrattuna

Turboahdatuksesta saatavat hyötysuhdeparannukset ovat merkittäviä. Toisin kuin mekaanisesti käytettävä kompressori — joka kuluttaa moottorin tehoa toimiakseen — turboahdin ottaa energian pakokaasuista, jotka muuten menisivät hukkaan. Ratkaisevaa on, että turbiini ei hidasta näitä kaasuja merkittävästi; sen sijaan se jäähdyttää ne ja ottaa energian talteen prosessissa. Tärkeimmät edut ovat:

• Turboahdin kuluttaa vain noin 1,5 % moottorin energiasta omaan ylläpitoonsa
• Suurempi tehontuotto pienemmästä iskutilavuudesta
• Pienemmät kitkahäviöt kevyemmän ja kompaktimman moottorin ansiosta
• Parempi polttoainetehokkuus verrattuna vastaavan tehoiseen luonnollisesti imevään moottoriin
• Puhtaammat pakokaasut, erityisesti nykyaikaisissa dieselmoottoreissa

Kuulostaa täydelliseltä ratkaisulta — mutta turboahdatus toi mukanaan vakavia teknisiä haasteita, jotka viivästyttivät sen laajaa käyttöönottoa vuosikymmenillä.

Haasteet: äärimmäinen lämpö, nopeus ja turbopaine-viive

Turboahtimet toimivat äärimmäisissä olosuhteissa:

• Turbiinin roottorit voivat pyöriä jopa 200 000 kierroksen minuutinopeudella
• Pakokaasujen lämpötila voi nousta 1 000 °C:een (1 832 °F)
• Komponenttien on säilytettävä rakenteellinen eheys ja tarkat toleranssit jatkuvan termisen ja mekaanisen rasituksen alla

Tästä syystä turboahdatus yleistyi vasta toisessa maailmansodassa — ja aluksi vain ilmailussa, jossa tekninen investointi oli perusteltua. 1950-luvulla Caterpillar sovelsi teknologiaa menestyksekkäästi traktoreihinsa, kun taas Cummins kehitti ensimmäiset turbodiesel-kuorma-automoottorit. Turboahdetut henkilöautot saapuivat vasta vuonna 1962, kun Oldsmobile Jetfire ja Chevrolet Corvair Monza julkaistiin lähes samanaikaisesti.

Kestävyyden lisäksi oli toinen autoille ominainen haaste: turbopaine-viive. Alhaisilla moottorin kierroksilla pakokaasujen tilavuus on rajallinen, joten turbiini pyörii hitaasti eikä kompressori juuri rakenna painetta. Moottori voi tuntua hitaalta alle 3 000 kierroksen nopeuksilla, kunnes se yhtäkkiä hyökkää teholla yli 4 000–5 000 kierroksen nopeuksilla. Mitä suurempi turbiini, sitä selvempi viive. Pienemmät turbiinit vähentävät viivettä mutta uhraavat huippusuorituskyvyn.

Modernit ratkaisut: kuinka insinöörit voittivat turbopaine-viiveen

Vuosikymmenten aikana insinöörit kehittivät useita älykkäitä lähestymistapoja turboviiveen minimoimiseksi säilyttäen samalla tehoedut:

• Peräkkäinen kaksoisturbo: Pieni, vähämassakainen turboahdin hoitaa alhaiset kierrokset, kun taas suurempi yksikkö käynnistyy korkeilla kierroksilla. Käytetty legendaarisessa Porsche 959:ssä ja nykyään löytyy BMW:n ja Land Roverin turbodieselistä. Volkswagenin bensiinimoottoreissa käytetään hihnavetokompressoria pienen turbon tilalla vieläkin nopeampaan matalan kierrosnopeuden vasteeseen.
• Kaksoisvoluttiturboahdin: Yksi turbo, jossa on kaksi erillistä pakokaasujen tuloa (voluttia), joista kumpaankin syöttää eri sylinteriryhmä. Tämä pitää turbiinin pyörimässä tehokkaasti sekä alhaisilla että korkeilla kierroksilla, vähentäen viivettä ilman toisen turbon lisäämistä. Yleinen kuuden sylinterin rivimoottoreissa ja nelisilinterisissä moottoreissa.
• Rinnakkainen kaksoisturbo: Kaksi samanlaista turboahdinta palvelevat erillisiä sylinteririvejä. Standardi V-muotoisissa moottoreissa, joissa kumpikin rivi saa oman yksikkönsä. BMW:n M-divisioona meni pidemmälle ristiin menevällä pakoputkistolla X5 M:ssä ja X6 M:ssä, mahdollistaen kaksoisvoluttiturbon imevän kaasuja vastakkaisilta sylinteririviltä vastakkaisissa sytytysjaksoissa.
• Muuttuvan geometrian turboahdin (VGT): Turbiinikotelon säädettävät siivet muuttavat pakokaasujen virtausreittiä moottorin kierroksista riippuen — antaen käytännössä turbolle oikean “koon” jokaisella kierrosnopeudella. Ensimmäisenä otettu käyttöön dieselmoottoreissa (joissa alhaisemmat pakokaasujen lämpötilat tekivät toteutuksen helpommaksi), ja lopulta tuotu bensiinimoottoreihin Porschen toimesta 911 Turbon myötä.

Turboahdatus tänään: suorituskyvystä tehokkuuteen

Se, mikä alkoi lentokoneteollisuuden suunnitteluhaasteena, on tullut hallitsevaksi teknologiaksi nykyaikaisissa ajoneuvon voimansiirroissa. Nykyään turboahdatus ei ole enää pelkästään suorituskyvystä — se on keskeistä polttoainetehokkuuden ja päästöstandardien kannalta. Lähes jokaisessa markkinoilla olevassa dieselmoottorissa on “turbo”-etuliite itsestään selvänä. Ja bensiinimaailmassa turboahdetut pienitilavuuksiset moottorit ovat suurelta osin korvanneet suuremmat luonnollisesti imevät yksiköt valtavirrassa, luksus- ja suorituskykyluokissa.

Pieni nöyrä merkki muuten tavallisen auton takaosassa kertoo tarinan, joka kattaa yli vuosisadan — Büchin vuoden 1905 patentista tämän päivän kaksoisvolutti- ja muuttuvan geometrian järjestelmiin. Ja tuo tarina ei ole vielä päättynyt.

Tämä on käännös. Voit lukea alkuperäisen täältä: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html