Turboahdin-hukkaportillinen

Turboahdin a-b-c

Turboahdin hyödyntää pakokaasun virtausenergiaa. Turboahtimen siipipyörät, turbiini ja kompressori, on kiinnitetty samaan akseliin. Moottorista purkautuvat pakokaasu johdetaan turbon kotelon läpi niin, että se antaa liike-energian turbiinipyörälle joka pyörittää akselin välityksellä kompressoripyörää. Turbovalmistajia ovat esim. Holset, Garrett, KKK, Schwitzer, Ihi, Mitsubishi. Akseli on laakeroitu ahtimen runkoon yleensä kuula- tai liukulaakereilla. Kuulalaakeri ahtimet eivät ole yhtä huoltoystävällisiä kuin liukulaakerit. Kovan pyörimisnopeuden vuoksi tarvitaan laakereille jatkuva voitelu (öljynkierto). Voitelun tarkoituksena on pitää kitka pienenä ja jäähdyttää laakeria. Jos turbossa on lisäksi vesijäähdytys, tarvitaan kanavat jäähdytysnesteelle, jonka jälkeen vedenkeitin on valmis. Turboviive johtuu siitä, että ahtopaine ei ehdi nousta heti kun painetaan kaasua, syynä on että ahtimelta kestää hetken, että se saa riittävästi kierroksia tuottaakseen riittävästi painetta. Ammattimaisessa turboalan yrityksessä huomioidaan moottorin tilavuus, kannen kanavien virtauksen, nokka-akselin ja pakosarjan tyyppi jne. Sen mukaan ahdin suunnitellaan/tehdään moottorille ja ko. käyttöön sopivaksi.

Moottorin puristussuhde

Vapaastihengittävien moottoreiden puristussuhde on yleensä välillä 10 - 11:1. Turbomoottoreissa käytetään matalampaa puristussuhdetta joka nykyaikaisissa bensiinimoottoreissa on 8-9:1 välillä. Kilpa-autoista voidaan esimerkiksi ottaa suosittu Mitsubishi Lancer, jossa käytetään 8.8-10:1 puristussuhteita. Toisaalta WRC-autoissa on yli 10:1 puristussuhde ja ahtopaine 2-3 baaria. Näissä autoissa vääntölukemat ovat 700 Nm tuntumassa ja sitä tehoa on se kuuluisat 300 hv, 3000-7000 kierroksen välillä (maksimi 370-380 hv). Ei ihme jos välillä savu karkaa moottorista metsän siimekseen!

Ahtimen A/R suhde

Mitoituksessa on tärkeä turbiinipuolen A/R-suhde, kuten .35, .47, .64, .84, 1.00 ..
A tarkoittaa turbiinikotelon suuaukon pinta-alaa ja R turbiinipyörän keskipisteen ja suuaukon keskipisteen välistä etäisyyttä. Mitä pienemmästä reiästä(A) ahdin imee pakokaasuja, sitä nopeammin kaasut pyörittävät turbiinin siipiä. Pieni A/R suhde saa aikaan turbon nopean ahtamisen, mutta tällöin alkaa ahdin myös nopeasti rajoittaa maksimipainetta. Suuri tilavuuksissa moottorissa pieni A/R suhde voi kasvattaa pakokaasujen vastapainetta ja nostaa lämpötilaa. Oikea A/R suhde on aina kompromissi moottorin hyvän vasteajan ja huipputehon väliltä.

Kompressoripuolen mitoittaminen on huomattavasti helpompaa, sillä turbovalmistajat tekevät ahtimiinsa ns. turbokartan, joiden avulla kompressori voidaan valita käyttötarkoitukseen ja moottoriin sopivaksi. Valinnassa on tärkeää, että saadaan riittävä ilmamäärä halutulla paineella ja mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella, samalla kun ahdin pysyy poissa sakkausrajasta!

Karkeasti:
Pieni ahdin: hyvät teho/vääntö pienemmillä kierrosluvuilla,
pieni turboviive, korkeilla kierroksilla loppuu tuotto.
Iso ahdin: pienempi teho alakierroksilla, pitkä turboviive,
runsaasti tehoa korkeilla kierroksilla.

Kaksi erilaisella A/R-suhteella olevaa turboa/turbiinipesää:

#1: A/R 0.60 hyvä alavääntö ja nopea ahtopaineen nousu heti alakierroksista lähtien. Erittäin hyvä ajettavuus kadulla ns. päivittäisessä käytössä. Yläkierroksilla kehittyy reilusti vastapainetta, joka hieman pudottaa tehoa yläpäästä.

#2: A/R 1.00 selvästi havaittavissa oleva tehopiikki, alakierroksilla ns. laiska (lue heikko alavääntö), koska ahtopaineet eivät nouse. Selvästi #1 versiota kilpakäyttöön sopivampi, koska kilpakäytössä käytetään suurimmaksi osaksi kierrosalueen yläpäätä. Kuljettajan kuitenkin muistettava, että alavääntö ja herkkyys uhrattu yläkierroksia / tehoa ajatellen. Suurempi maksimiteho kuin pienemmällä version #1 A/R-suhteella

Siivet

Seuraavassa on yritetty selvittää mitä Trimmi tarkoittaa. Molemmissa eli kompressori- ja turbiinisiivessä on ns. "jättö"- että "ottopää", eli inducer ja exducer. Trimmillä tarkoitetaan siiven imureiän ja jättöpään välistä suhdetta. Trimmi lasketaan kaavasta (inducer/exducer)^2 * 100. Oletaan, että imusiivessä ns. imureikä 49,2 mm ja jättöpää on 68 mm eli siiven trimmi on (49,2/68)^2 * 100 = 72,3
 

Huolto

Turboahtimille ei kannata tehdä mitään itse. Ne kunnostetaan erikoislaitteilla ja ammattimiesten työnä! Ahtimen nimenomaan ei kuulu vinkua ja ujeltaa. Ulosajon seurauksena tapahtuneessa moottorin äkkipysäytyksen (lue: sammumisena) seurauksen ahtimella on hyvät edellytykset vaurioitua.

Imuilman kuristimet

Lyhyesti imuilman kuristimella turbomoottorissa rajoitetaan turbon saamaa ilmamäärää. Esimerkiksi kilpakäytöllä tällä saadaan rajoitettua moottorin teho helposti johonkin raja-arvoon. WRC-autoissa käytetään 34 mm kuristinta, jolla autojen tehot asettuvat 350 - 380 hv välille. Kuristin tietenkin rajoittaa varsinkin tehoa varsinkin yläkierroksilla kun ilmaan tarvittaisiin enemmän tehon tuottamiseksi. Tästä syystä huipputeho asettuu 5000-5500 kierroksen tietämille. 
Kuristin / maksimiteho
(2000 cc + arvot ohjeellisia)
32 mm / 300 hv
34 mm / 380 hv
45 mm / 550 hv

Hukkaportti (wastegate)

Hukkaportin tehtävä on rajoittaa ahtopaine haluttuun arvoon. Hukkaportin valinnassa pitää ottaa huomioon moottorin tilavuus ja tehotavoite kuin myös haluttu ahtopaine. Hukkaportti on venttiili jota ohjataan ahtopaineen ja jousivoiman avulla. Jousivoima pitää hukkaportin venttiiliä kiinni, kunnes ahtopaine voittaa jousivoiman ja hukkaportin venttiili avautuu. Hukkaportti voi olla ahtimeen integroitu ja erillinen hukkaportti, kuten kuvassa. Integroidun hukkaportin kanssa ahtopainetta muutetaan säätämällä ohjaimen ja läpän välistä tankoa. Integroidun hukkaportin kisakäyttöä rajoittaa usein riittämätön venttiilin koko. Molemmissa on kuitenkin sama toimintaperiaate ja tästä eteenpäin tekstissä puhutaan erillisistä hukkaporteista. Hukkaportin paluuputki pitää tuoda "mahd. myöhään" takaisin pakoputkistoon, ettei se häiritse turbolta tulevaa pakovirtausta. Esimerkiksi Tial Sportin hukkaportteihin löytyy useita jousijäykkyyksiä ja venttiilikokoja. Hukkaporttia voidaan ohjata myös elektronisella tai mekaanisella ahtopaineen säätimellä. Tehokkaissa/suuri turboisissa kilpa-autoissa elektroninen ahtopaineen säädin ei välttämättä ole niin ns. herkkä kuin mekaaninen säädin. Toisinsanoen ahtopaine voi jäädä ns. aaltoilemaan kun taas mekaanisella toiminta on varmempaa ja nopeampaa.

Hukkaportin koko
(arvot ohjeellisia)
36 mm / 400 hv asti
42 mm / 500 hv asti
48 mm / 850 hv asti

Downpipe

Yleensä kannattaa tehdä muutaman senttimetrin mittainen levityskartio turbon pakoaukon jälkeen ennen kuin ns. downpipe laajenee koko mittaansa. Kartion tarkoitus on saada pakokaasu pyörteilemään tarkoittaen pakokaasun nopeampaa virtausnopeutta => vähemmän vastapainetta.

Pakoputkisto

Taulukko moottoreille, jotka tuottavat 170 - 500hv.
Huipputehoa haettaessa joku auto toimii hyvin esim. 2.5 putkistolla, huonosti 3.0 putkistolla ja taas hyvin 3.5 putkistolla!

Teho 170-240hv 240-350hv 350-500hv

Halkaisija 2.25" - 2.5" 2.5" - 3.0" 3.0" - 3.50 tai 2x2.5"

By-pass/Dump venttiilit

Kun kaasu nostetaan ylös moottorijarrutuksessa tai vaihdetta vaihtaessa, kiinni menneeseen kaasuläppään törmää turbon kompressorisiiveltä tulevan virtaus. Virtaussuunta muuttuu takaisin turboa ja kompressorisiipeä kohden. Paineisku kompressorisiipeen rasittaa turhaan ahdinta ja pahimmassa tapauksessa aukaisee kompressorin kiinnitysmutterin. By-pass venttiili sijoitetaan ahtoputkistoon ennen kaasuläppää ja venttiiliä ohjataan imusarjan alipaineella. Kun kaasuläppä suljetaan ahtoilma "päästetään", joko dumpilla ulkoilmaan tai by-pass venttiilillä turbon imupuolelle.

Välijäähdytin (intercooler)

Lämpötilan nousu on verrannollinen ahtopaineeseen. Lämmetessään llman tiheys laskee, minkä seurauksena moottorin täytössuhde ja siten teho laskee, kun samalla moottorin nakutusherkkyys kasvaa. Ahtimelta lähtevän ilman lämpötila voi hyvin nousta 100 asteeseen. Sanomattakin on selvää, että välijäähdytin sijoitetaan raikkaan ilman varmistamiseksi ns. muiden jäähdyttimien etupuolelle! Tuloputken/letkun kooksi välijäähdyttimelle 250 hv moottorissa riittää 50 mm (1,9") ja 700 hv moottorissa 75 mm. Jokatapauksessa ahtoputkiston mutkat pitäisi olla mahdollisimman laajasäteisiä. Nyrkkisääntönä onkin että jokainen 90 asteen kulma voi pudottaa tehoja 1,5 prosenttia. Toisinsanoen 400 hv autossa yksi kulma jopa 6 hv. Tärkeää kunnon jäähdytyksen kannalta on myös johtaa ilmaan ns. kanavalla välijäähdyttimelle ja samalla myös ilmanpuhdistimelle.

ALS (antilag system)

ALS:ää lisäilman, ajoituksen, polttoaineen avulla turboviiveen (ahtopaineen ylläpitoon) pienentämiseen. Tarvitaan venttiili painepuolella ennen kaasuläppää, jolla ilma ohjataan suoraan pakosarjaan. Mahdollista on, että lisäilma suuttimella tai yleensä läppää hieman auki pitämällä pidetään palotilan virtausta yllä. Otetaan malliksi ALS-ohjaus kaasun asennon mukaan. Kun kaasuläppä menee kiinni myöhäistetään sytytystä 10-40 astetta (mahdollisesti lisätään polttoainetta 5-20%). Moottorinohjausjärjestelmällä esim. dta, motec, ecutek, gems, Hestec. Kun seos syttyy on pakoventtiili jo auki jolloin palotapahtuma suuntautuu pakosarjaa/turbon siipiin, joka pitää turboa pyörimässä. Näin saadaan pidetty ahtopainetta yllä ja vähennettyä turboviivettä.

Lähteet:
Kosunen Racing
Fin-Turbo Oy