Turboahtimet ilmestyivät tuotantoautoihin Saabin, Porschen ja BMW:n toimesta 70-luvulla. Turbomalli oli silloin poikkeuksetta segmentin lippulaiva, eikä ahdettuja automalleja ollut markkinoilla montakaan. 2020 alkaa vapaastihengittävä auto olla harvinaisempi kuin ahdettu. Monen automerkin kaikki perusmallit ovat ahdettuja. Pakokaasuahdin onkin paras tunnettu tapa parantaa moottorin hyötysuhdetta.
Artikkeli julkaistu GTi-Magazinen numerossa 02 / 2021.
Turbo eli pakokaasuahdin on siis laite, joka pumppaa moottoriin ilmaa pakokaasun hukkaenergian voimalla. Kun moottoria kuormitetaan, turbo pumppaa ilmaa niin paljon, että imusarjaan syntyy ylipaine, jota siis sanotaan ahtopaineeksi.
Turbo koostuu kolmesta pääkomponentista. Pakokaasuvirrassa pyörivä turbiinisiipi ja sen kotelo muodostavat turbiinin. Imuilmaa suodattimesta moottoriin pumppaava potkuri eli kompressorisiipi alumiinisine koteloineen on puolestaan kompressori. Turbiinin ja kompressorin yhdistää runko, jossa turbiini- ja kompressorisiivet yhdistävä akseli, sen laakerointi sekä vesijäähdytys sijaitsevat.
Turbo on mekaanisesti hyvin yksinkertainen väline, sillä siinä on yksinkertaisimmillaan vain yksi liikkuva osa, koska turbiini- ja kompressorisiivet ovat kytkettynä samaan akseliin.
Turbiini
Turbiini on se osa, joka kerää pakokaasuahtimen tarvitseman käyttövoiman pakokaasuvirrasta. Turbiinikotelo on valuterästä, ja itse turbiinisiipi on valmistettu yleensä nikkelipitoisesta superseoksesta, jolla on tavallisia teräksiä korkeampi sulamispiste. Turbiini on kytketty pakokaasuvirtaan siten, että pakokaasu syöksyy siivelle akseliin nähden sivuttain. Turbiinipesän ja siiven muotoilusta johtuen pakokaasuvirran suunta muuttuu, ja pakokaasu virtaa ulos turbiinista siis akselin suuntaisesti.
On aivan tavallista, että turbiinipesässä pakokaasuvirran lämpötila ylittää 1 100 astetta, kun moottoria kuormitetaan. Maksimikuormituksessa pienikokoisten turboahtimien akselin kierrosnopeus voi olla lähes 200 000 kierrosta minuutissa, joten materiaalilta todellakin vaaditaan kuumalujuutta, jottei pakokaasuvirta tai keskihakuvoima vääntele siipeä tai revi sitä kappaleiksi.
Turbiinisiiven ja -kotelon välissä on pieni toimintavälys. Mitä pienempi ja modernimpi turbo, sitä tiiviimpi on siiven ja kotelon välinen sovitus. Jos siipi on kovin lähellä koteloa, siipi voi raapia itsensä rikki kotelon seinämiin ja vaurioitua. Koska kierrosluvut ovat näin kovia, voi jo pieni turbiinisiiven epätasapaino aiheuttaa ahtimeen laakerivaurion.
Kompressori
Kompressori on ahtimen viileämpi puoli. Tyypillisesti kompressori on turbiinia fyysisesti suurempi. Lisäksi kompressorin erottaa turbiinista helposti, sillä kompressorikotelo on alumiinia, samoin kuin siellä imureiästä näkyvä kompressorisiipi.
Kompressorissa ilma virtaa päinvastaisesti kuin turbiinissa. Ilma imeytyy sisään kompressorin keskeltä turbon akselin suuntaisesti ja kääntyy muotoilun johdosta siten, että kompressori pumppaa ilmaa ulos akseliin nähden sivulle osoittavasta putkilähdöstä.
Koska kompressorisiipi on alumiinia, se on herkempi vaurioille kuin turbiini. Niinpä esimerkiksi imuputkistoon kertynyt ja sieltä imuputkea pitkin kompressoriin imeytyvä jää voi rikkoa kompressorin talvella. Koska kierrosluvut ovat näin kovia, jopa vesisumu aiheuttaa hiekkapuhalluksen näköistä korroosiota kompressorisiiville.
Kompressorisiipi vaurioituu yleensä ensimmäisenä silloin, jos ahdin ylikuormituksen johdosta ajautuu ylikierroksille. Silloin keskihakuvoima venyttää kompressorisiipeä siten, että sen muoto muuttuu pysyvästi.
Kompressorin imureiän koko määrittelee ahtimen maksimivirtauksen. Niinpä ahtimesta voidaan aina sanoa kompressorin perusteella heti, mille tehoalueelle se riittää.
Laakerointi ja jäähdytys
Turbiinia ja kompressoria siis yhdistää runko-osa ja sen keskellä pyörivä akseli. Akseli on yleensä kiinteä osa turbiinia, ja turbiinisiipi on joko valmistettu kokonaan samasta aihiosta kuin akselikin, tai vaihtoehtoisesti turbiinisiipi on liitetty akseliin esimerkiksi kitkahitsaamalla. Kompressorisiipi puolestaan on akselissa kiinni mutterilla.
Perinteisesti turbon akseli on laakeroitu liukulaakerilla, jolloin akseli kelluu öljykalvojen päällä, ja normaaliolosuhteissa akseli ei siis kosketa vastinpintojaan, eivätkä akseli ja laakerit siis kulu.
Laakerit kuluvatkin siis pääasiassa silloin, kun moottori käynnistetään tai sammutetaan, eikä öljyvirta ole laakerilla riittävä. Pahimmillaan tämä tilanne on silloin, jos moottori hyytyy täyskuormalta, jolloin akseli saattaa pyöriä satatuhatta kierrosta minuutissa, ja jää siis omalla inertiallaan pyörimään, vaikka öljyn virtaus lakkaa kokonaan.
Kuulalaakerointi on yleistynyt viimeisen vuosikymmenen aikana erityisesti viritysahtimissa voimakkaasti. Joillakin valmistajilla laakerit ovat perinteisiä metallikuulalaakereita, kun taas toiset luottavat keraamisiin laakereihin. Käytännössä näillä ei ole ollut luotettavuuden kannalta eroja.
Pääsääntöisesti liukulaakeri on luotettavampi kuin kuulalaakeri. Siinä kuormaa kantavaa pinta-alaa on enemmän eikä metalli-metallikosketusta siis käytön aikana synny. Kuulalaakerilla on kuitenkin etuna pienempi kitka, joten ahtimen akselin kierrosluku voi nousta nopeammin kuin liukulaakerilla. Tällä saavutetaan parempi herkkyys ja kaasun vaste. Ahtimen heräämiseen ja toimintakierrosalueeseen laakeroinnilla ei ole juuri käytännön vaikutusta.
Lähes kaikki laakeroinnit ovat nykyään huollettavissa. Perus-liukulaakeriahtimen laakerinvaihto maksaa erikoisliikkeessä satasesta ylöspäin. Kuulalaakeriahtimia on monenlaisia, ja niiden huoltohinnat ovat merkittävästi korkeampia. Siksi joitakin kuulalaakeriahdinmalleja ei kannata huoltaa, vaikka se teknisesti olisikin tehtävissä. Näissä tapauksissa usein hankitaan uusi runko-osa, jonka mukana saadaan uusi akseli ja turbiini- sekä kompressorisiivet.
Hukkaportti
Tavallisesti pakokaasuahtimen kanssa ahtopainetta säädetään hukkaportilla. Hukkaportti ohjaa osan pakokaasuvirrasta turbiinisiiven ohi suoraan pakosarjasta pakoputkeen. Tämä rajoittaa turbiinille tulevaa tehoa ja siten laskee turbon akselin kierrosnopeutta.
Ahtopainetta ei oikeastaan koskaan voi säätää kompressorin puolelta, sillä painevuoto kompressoripuolella voi johtaa vaarallisiin ylikierroksiin, jolloin ahdin vaurioituu.
Pienissä ahtimissa hukkaportti on usein integroitu suoraan turbiinikoteloon, jolloin ahtopaineella tai alipaineella, joskus sähköservolla, ohjattu toimilaite työntää tai vetää hukkaportin läpän auki.
Isommissa ahtimissa hukkaportti ei ole yhdysrakenteinen turbiinipesän kanssa. Silloin pitää asentaa ulkoinen hukkaportti. Ulkoisia hukkaportteja ei tuotantoautoissa enää juuri käytetä. Viritysmaailmassa tunnetuimpia hukkaporttien valmistajia lienevät Tial ja Turbosmart.
Raskaassa kalustossa, isoissa dieselmoottoreissa, ahtopainetta ei usein ohjata pakokaasuvirralla lainkaan, vaan kaikki moottorin pakokaasu kulkee turbiinin läpi. Näissä ahtopaine säätyykin polttoaineen syötöllä ja muilla moottoritekniikan keinoilla, joihin ei tässä yhteydessä ole tarkoituksenmukaista perehtyä tarkemmin. Tämän takia kuitenkin virityskäytössä suosituissa kuorma-autojen ahtimissa ei siis usein ole hukkaportteja.
Pienemmissä dieselmoottoreissa sen sijaan käytetään paljon muuttuvageometrisia turboja. Näissä turbiinin nielussa sijaitsee johdinsiivikko, joka muuttaa turbiinisiivelle tulevan pakokaasuvirran suuntaa. Järjestelmä olisi erinomainen myös bensamoottoreille, mutta on toistaiseksi ollut hyvin vähän käytössä.
Muuttuvageometristen ahtimien haittapuoli on monimutkainen, ja vikaherkkä mekanismi, jonka johdosta muuttuvageometriset ahtimet ja niiden huoltotyöt maksavat paljon.
Välijäähdytys
Ahtamiseen liittyy melkein aina välijäähdytys. Sillä tarkoitetaan ahtamistapahtuman aikana kuumentuneen imuilman jäähdyttämistä. Pienitehoisissa moottoreissa, joissa ahtopaineet ovat maltilliset, välijäähdytintä ei välttämättä ole lainkaan, mutta melkein kaikkiin turboahdettuihin tuotantoautoihin sellainen on asenneltu.
Viileämpi imuilma on tiiviimpää, joten moottori tuottaa senkin puolesta enemmän tehoa, mutta tätäkin tärkeämpää on moottorin sisäisen termisen kuorman hallinta. Erityisesti korkeapuristeisen bensiinimoottorin sytytysennakon sieto muuttuu merkittävästi, jos imuilman lämpötila nousee yli 40 asteeseen.
Kun moderneja pikkumoottoreita ahdetaan jo vakiona yli 1,5 bar ylipaineilla, kompressorista lähtevän ilmavirran lämpötila kohoaa helposti yli sadan asteen, mikä voi vaikuttaa sytytysennakon sietoon niin paljon, että moottori voisi vapaastihengittävänä tuottaa samat tehot, pelkästään kovemman sytytysennakon vuoksi.
Vastoin kuin usein luullaan, ilma ei lämpiä turboahtimessa sen takia, että ahdin on kuuma. Vaikka on siis totta, että ahtimesta ilmaan johtuva lämpövuo näyttelee marginaalista roolia, tärkein tekijä on kuitenkin kaasun kokoon puristamisesta vapautuva energia, joka ilmenee lämmön nousuna. Fysiikan tunnilla hereillä olleet muistavat ideaalikaasun tilapaineyhtälön, ja tässä siis sille on nyt käytännön sovellus.
Välijäähdytin on tavallisesti ilmasta ilmaan jäähdyttävä normaalia syyläriä muistuttava kenno, mutta joissakin autoissa on käytössä myös vesi-ilmajäähdyttimiä, joissa ahtoilma kulkee samantyylisen kennon läpi kuin lämmityslaitteessakin. Tämän jälkeen vettä kierrätetään erillisen syylärin kautta. Vesijäähdyttimellä voidaan ahtolinja pitää lyhyenä ja ahtimen ja moottorin välinen ilmatilavuus pienenä, mutta haittapuolena järjestelmä on monimutkainen, ja vikaantuessaan ja väärin suunniteltuna voi johtaa nestepuristukseen, jos kenno vuotaa vettä imuputkistoon, josta se imeytyy sylinteriin.
Turbojen UKK:
Kysymys: Mikä on UKK?
Vastaus: Usein Kysytty Kysymys
Kysymys: Tuleeko isommalla ahtimella saman verran tehoa kuin pienemmällä ahtimella, jos ahtopaine on sama
Vastaus: Tulee, mutta vastaus on monimutkainen. Tärkein asia on tunnistaa, millä kierrosalueella kyseinen ahtopaine toteutuu. Toinen tärkeä tekijä on se, ahdistaako pienen ahtimen turbiini moottorin hengitystä.
Kysymys: Tuleeko 1 bar ahtopaineella aina kaksi kertaa enemmän tehoa kuin vapaastihengittävänä
Vastaus: Ei tule läheskään aina. Ja joskus tulee paljon enemmän kuin kaksi kertaa enemmän.
Kysymys: Tarvitseeko turboahdetun moottorin puristussuhteen olla matala?
Vastaus: Ei välttämättä. Nykyään moottorien ohjainlaitteet pystyvät hallitsemaan sytytysennakkoa niin tarkasti, että puristussuhteen tiputtaminen ei ole enää pakollista. Koville tehoille puristusten pudottaminen on kuitenkin usein järkevää.
Kysymys: Voinko laitattaa äidin Qashqaihin isomman turbon?
Vastaus: Voit, mutta se voi tulla todella kalliiksi, ja on lisäksi laitonta, ellei muutosta muutoskatsasteta, sillä ahtimen muutos rinnastetaan katsastuksessa moottorin vaihtoon. Tämän lisäksi isompi ahdin vaatii moottorin säädön, eikä se välttämättä ole mahdollista.
Kysymys: Kuinka paljon turbottaminen maksaa?
Vastaus: Paljon. Käytännössä aina moninkertaisesti itse ahtimen hinnan.
Kysymys: Mikä on turboviive?
Vastaus: Turboviive on ilmiö, joka johtuu siitä, että turboahdinta ei ole mekaanisesti kytketty moottoriin, joten sen tuottama ahtopaine ei ole aina samalla kierrosluvulla ja samalla kaasun asennolla identtinen, kuten vapaastihengittävässä tai vakiotilavuuksisella mekaanisella ahtimella ahdetussa moottorissa.
Viiveestä puhuessa iso ongelma on se, että esimerkiksi Jeremy Clarkson puhuu viiveestä, kun pitäisi puhua ahtimen toimintakierrosalueesta. Viive on oikeasti se aika, joka tasakaasutilanteesta menee maksimiahtopaineelle nousuun silloin, kun ollaan turbon toimintakierrosalueella, tai se aika, joka kuluu vaihteen vaihdon jälkeen paineen nousuun takaisin haluttuun täyskaasukiihdytyksessä tai siirryttäessä moottorijarrulta täyskaasulle, esimerkiksi kilparadan tai erikoiskokeen mutkassa.
Viivettä ei ole se, että painetaan vitosella kaasu pohjaan 1 500 kierroksella, ja odotellaan, että ahdin herää, sekuntikello kädessä. Se on ahtimen toimintakierrosalue. Jos autossa on pieneen moottoriin asennettu iso ahdin, ja painaa kaasun pohjaan 1 500 kierroksella, eikä laske autoa kiihtymään, Clarksonin määritelmän mukaan viive voi olla vaikka viikon. ks. seuraava kysymys.
Kysymys: Mitä tarkoitetaan ”heräämisellä”?
Vastaus: Herääminen (englanniksi spool up) on sitä, kun moottori saavuttaa kierrosluvun, jolla ahtopaine lähtee nousuun, ja moottorin vääntökäyrä kääntyy voimakkaaseen kasvuun. Mitä isompi turbo, sitä korkeammilla kierroksilla herääminen tapahtuu.
Usein puhutaan vain ahtimen heräämisestä, mutta erityisesti kilpamoottoreilla on – usein nokka-akselivalinnasta johtuva, oma heräämiskierrosalueensa, joten joissain tapauksissa ahtopainetta voi olla paljonkin, mutta moottori ei vielä ole voimakkaasti nousevan vääntökäyrän kohdalla. Siksi pelkästä ahtopaineviisarista ei aina voi sanoa, milloin koko paketti herää.
Muista seurata GTi-Magazinea myös somessa!
- Facebook: https://www.facebook.com/GTiMagazine/
- Instagram: https://www.instagram.com/gtimagazine/
