Turboahdin

Turboahtimen läpileikkaus

Turboahdin eli pakokaasuahdin on polttomoottorin tehoa lisäävä ahdin, joka saa käyttövoimansa moottorista purkautuvista pakokaasuista. Ahtimen keskeisiä osia ovat kompressori ja turbiini. Turbiinilla tuotetaan käyttövoima kompressorille, joka ahtaa ilmaa moottoriin. Turboahtimia käytetään nostamaan polttomoottorin tehoa ja parantamaan dieselmoottorin hyötysuhdetta. Turboja asennetaan nykyään moniin moderneihin dieselmoottoreihin ja yhä useammin myös pieniin ottomoottoreihin. Turboahtimia sovelletaan laajasti; ne ovat käyttökelpoisia niin pienehköissä moottoripyörien ottomoottoreissa kuin valtavissa laivojen kaksitahtidieseleissä. Turbojen etuna mekaanisiin ahtimiin verrattuna on se, että ne hyödyntävät muutoin osin hukkaan menevää pakokaasun energiaa. Nykyisin massavalmistettujen henkilöautojen moottoreissa ahtimia on käytössä yhdestä kolmeen.

Historia

Turboahtimen keksi sveitsiläinen insinööri Alfred Büchi, joka sai patentin keksinnölleen vuonna 1905. Järjestelmää kutsuttiinkin suomalaisessa kirjallisuudessa vielä 1950- ja 60-luvuille asti Büchin järjestelmäksi.

Turboahdin suunniteltiin alun perin lentokoneen tähtimoottoriin, ja sen tarkoitus oli vähentää tehohäviötä korkealla lennettäessä. Turboahdinta käytettiin ensimmäistä kertaa kaupallisesti vuonna 1925 kahdessa saksalaisessa matkustajalaivassa. 1930-luvulla kehitettiin kuorma-autoihin tarkoitettu turbomoottori, mutta ensimmäiset sarjatuotantoiset turbo-kuorma-autot esiteltiin vasta 1954 MAN ja Volvo -yhtiöiden toimesta. Ensimmäiset turbohenkilöautot esitteli GM vuonna 1962: Chevrolet Corvair Monza Spyder ja Oldsmobile Jetfire. Vuonna 1977 Saab 99 täytti kymmenen vuotta, joten sitä päätettiin piristää turboahtimella, jolloin syntyi Saab 99 Turbo, joka toi turbon saataville tavalliseen perheautoon. Seuraavana vuonna Mercedes-Benz esitteli 300 SD:n, ensimmäisen turbodieselmoottorilla varustetun henkilöauton.

Turboahtimen ominaisuudet

Turboahtimen ominaisuuksia ovat viive, paineentuottokyky, hyötysuhde ja virtausominaisuudet. Viive on aika, joka ahtimelta kuluu ahtopaineen nostamiseen moottorin pyörimisnopeuden mukaiselle tasolle. Lyhyellä viiveellä saavutettava nopea kiihtyvyys kostautuu huippukierroksilla ahtimen aiheuttamana vastuksena. Suurella A/R-suhteella taas kiihtyminen hidastuu, mutta pumppausteho huippukierroksilla nousee. Hyötysuhde, virtausominaisuudet ja paineentuottokyky riippuvat ahtimen muotoilusta ja suunnittelussa tehdyistä ratkaisuista. Ahtimen ominaisuuksia kuvataan ominaiskäyrästöillä.

Turboahtimen rakenne ja toiminta

Turboahtimen siipipyörät, turbiini ja kompressori, on kiinnitetty samaan akseliin, ja ne sijaitsevat omissa koteloissaan, joita nimitetään turbiini- ja kompressorikoteloiksi tai -pesiksi. Akseli on laakeroitu ahtimen runkoon yleensä kuula- tai liukulaakereilla. Suuren pyörimisnopeuden vuoksi tarvitaan laakereille jatkuva voitelu, jota varten tarvitaan kanavat voiteluöljylle. Voitelun tarkoituksena on sekä pitää kitka laakerissa pienenä että jäähdyttää laakeria. Normaalisti akseli liukuu öljykalvon päällä, jolloin kitka ja kuluminen ovat pienimmillään. Jos turbossa on lisäksi vesijäähdytys, tarvitaan kanavat myös jäähdytysnesteelle. Ahtimen kotelot ovat yleensä irrotettavissa sen rungosta ja käännettävissä eri asentoihin erilaisia asennustilanteita varten. Kotelot ja siipipyörät ovat myös usein korvattavissa erikokoisilla, jotta saavutettaisiin halutut ominaisuudet.

Turboahdin liitetään tavallisesti imusarjaan, pakosarjaan ja voitelujärjestelmään. Joissakin turboissa on mahdollista käyttää myös nestejäähdytystä. Suurella paineella ja nopeudella moottorista purkautuvat pakokaasut pyörittävät turbiinipyörää, joka pyörittää akselin välityksellä kompressoripyörää. Ahtimen kompressori ahtaa ilmaa moottoriin. Moottorin teho kasvaa, koska sylinteriin saadaan lisää ilmaa, mikä mahdollistaa suuremman polttoainemäärän puhtaan polttamisen.

Turbon lisälaitteet

Moottoritehoa voidaan nostaa jäähdyttämällä ahtoilmaa. Kylmän ilman tiheys on suurempi, minkä ansiosta polttoaineen syöttöä voidaan lisätä ja näin saavuttaa suurempi teho. Kylmän ilman ansiosta moottori ei nakuta yhtä herkästi ja ahtopainetta voidaan edelleen haluttaessa nostaa tehon lisäämiseksi. Yksi ratkaisu on käyttää välijäähdytintä, joka on lämmönvaihdin, joka siirtää ahtoilman lämpöä ulkoilmaan tai vesikiertoon. Toinen keino on ruiskuttaa ahtoilman sekaan vettä tai jotain muuta nestettä, joka sitoo lämpöä ilmasta. Tämä ratkaisu rajoittuu epäkäytännöllisyytensä vuoksi lähinnä erikoisratkaisuihin. Esimerkiksi 1970-luvun lopulla Saab 99 Turboon sai alkuaikoina vesiruiskutuksen lisävarusteena, koska ahtoilman jäähdytin ei kokonsa vuoksi sopinut 99-mallin korirakenteeseen.

Ahtopainetta on säädeltävä, jotta moottori tarjoaisi tehon joustavasti ja moottorin käyttöiän takaamiseksi.

Hukkaportti on venttiili, joka päästää osan pakokaasuista pakosarjasta turbiinin ohitse suoraan pakoputkeen. Pakokaasua ohjataan turbiinin ohitse, jotta ahtimen pyörimisnopeus ja ahtopaine eivät nousisi liian suuriksi. Hukkaportin vaihtoehtona voidaan käyttää ahdinta, jonka siivet ovat säädettäviä. Kilpamoottoreissa on käytetty ahtopaineen rajoitusventtiileitä, jotka päästävät ahdettua ilmaa ulos.

General Motors - yhtymän Chevrolet-merkin Corvair - sarjan Monza Spyder - mallissa käytettiin erityisesti muotoiltua äänenvaimenninta. Se rajoitti ahtimen turbiinille menevän pakokaasun määrän vakioksi, joka ei enää kasvanut moottorin kierrosluvun noustessa yli asetetun arvon.

Valmistajat

Nykyisiä turbovalmistajia ovat esim. Holset, Garret, IHI, Mitsubishi. Aiemmin toimineita valmistajia ovat mm. KKK ja Schwitzer, jotka tunnetaan nykyisin nimellä BorgWarner.

Katso myös

• Mekaaninen ahdin
• Paineaaltoahdin
• Vapaasti hengittävä moottori
• Lambda-anturi

Lähteet

• Richard M. Langworth, James R. Flamming, Chris Poole, suomenkielinen teksti Esko Mauno - Amerikan Autovaliot Alfamer ISBN 951-9153-75-6