Turboahdin on yksi kokonaispaineistusmenetelmistä , joka perustuu pakokaasuenergian käyttöön . Järjestelmän pääelementti on turbiini .
Alfred Buchi patentoi turboahtimen periaatteen vuonna 1911 Yhdysvaltain patenttivirastossa [1] .
Turboahtimien kehityksen historia alkoi suunnilleen samaan aikaan kuin ensimmäisten polttomoottorinäytteiden rakentaminen. Vuosina 1885-1896 Gottlieb Daimler ja Rudolf Diesel suorittivat tutkimuksia tuotetun tehon lisäämisestä ja polttoaineenkulutuksen vähentämisestä puristamalla polttokammioon ruiskutettua ilmaa. Vuonna 1905 sveitsiläinen insinööri Alfred Büchi suoritti ensimmäisenä onnistuneesti ruiskutuksen pakokaasujen avulla ja saavutti tehon nousun jopa 120%. Tämä tapahtuma merkitsi turbotekniikoiden asteittaisen kehittämisen ja käyttöönoton alkua.
Ensimmäiset turboahtimet rajoittuivat erittäin suuriin moottoreihin, erityisesti laivoihin. Ilmailussa turboahtimia käytettiin menestyksekkäästi Renault-hävittäjissä jo ensimmäisessä maailmansodassa. 1930-luvun jälkipuoliskolla tekniikan kehitys mahdollisti todella menestyneiden lentokoneiden turboahtimien luomisen, joita käytettiin merkittävästi tehostetuilla moottoreilla pääasiassa korkeuden lisäämiseen. Amerikkalaiset saavuttivat tässä suurimman menestyksen asentamalla turboahtimet P-38- hävittäjiin ja B-17- pommikoneisiin vuonna 1938. Vuonna 1941 Yhdysvallat loi P-47- hävittäjän turboahtimella, joka tarjosi sille erinomaiset lento-ominaisuudet korkeissa korkeuksissa.
Autoteollisuudessa kuorma-autojen valmistajat ottivat ensimmäisenä käyttöön turboahtimet. Vuonna 1938 ensimmäinen kuorma-auton turbomoottori rakennettiin Sveitsin konetehdas Sauerissa. Ensimmäiset turbiineilla varustetut massatuotetut henkilöautot olivat Chevrolet Corvair Monza ja Oldsmobile Jetfire, jotka tulivat Amerikan markkinoille vuosina 1962-1963. Ilmeisistä teknisistä eduista huolimatta alhainen luotettavuus johti näiden mallien nopeaan katoamiseen.
Turbomoottorien käyttöönotto urheiluautoissa, erityisesti Formula 1 :ssä, 1970-luvulla johti turboahtimien suosion merkittävään kasvuun. Etuliite "turbo" alkoi tulla muotiin. Tuolloin lähes kaikki autonvalmistajat tarjosivat ainakin yhtä mallia, jossa oli bensiiniturbomoottori. Muutaman vuoden kuluttua turbomoottorien muoti alkoi kuitenkin hiipua, koska kävi ilmi, että turboahdin, vaikka sen avulla voit lisätä bensiinimoottorin tehoa, lisää huomattavasti polttoaineen kulutusta. Aluksi turboahtimen reaktion viive oli riittävän suuri, mikä oli myös vakava argumentti turbiinin asentamista vastaan bensiinimoottoriin.
Perustava käännekohta turboahtimien kehityksessä tapahtui, kun vuonna 1973 asennettiin turboahdin BMW 2002 -turbotuotantoautoon ja jo vuonna 1974 Porsche 911 -turbo ja sitten vuonna 1978 Mercedes-Benz 300 SD: n julkaisun myötä. ensimmäinen dieselturbomoottorilla varustettu henkilöauto. Vuonna 1981 Mercedes-Benz 300 SD:tä seurasi VW Turbodiesel, mutta polttoaineenkulutus pysyi huomattavasti alhaisempana. Dieselmoottoreilla on yleensä korkeampi puristussuhde ja tehotahdin aikana tapahtuvan adiabaattisen laajenemisen vuoksi niiden pakokaasujen lämpötila on alhaisempi. Tämä vähentää turbiinin lämmönkestävyysvaatimuksia ja mahdollistaa halvemman tai kehittyneemmän rakenteen. Siksi dieselmoottoreiden turbiinit ovat paljon yleisempiä kuin bensiinimoottoreissa, ja suurin osa uusista tuotteista (esimerkiksi muuttuvageometriset turbiinit) ilmestyy ensin dieselmoottoreissa.
Toimintaperiaate perustuu pakokaasujen energian käyttöön. Pakokaasuvirtaus tulee turbiinin juoksupyörään (kiinnitetty akselille) pyörittäen sitä ja sen kanssa samalla akselilla olevia kompressorin siipiä, jotka pumppaavat ilmaa moottorin sylintereihin. Koska ahtoa käytettäessä ilmaa pakotetaan sylintereihin (paineen alaisena), eikä pelkästään männän synnyttämän tyhjiön vuoksi (tämä tyhjiö pystyy ottamaan vain tietyn määrän ilma-polttoaineseosta), enemmän ilma-polttoaineseosta tulee moottoriin. Tämän seurauksena palamisen aikana palavan polttoaineen tilavuus ilman kanssa kasvaa, tuloksena oleva kaasu on korkean paineen alainen ja vastaavasti mäntää painaa suuri voima.[ tyyli ]
Yleensä turbomoottoreilla on vähemmän ominaista tehollista polttoaineenkulutusta (grammaa kilowattituntia kohden , g / (kW h)) ja suurempi litrateho (moottorin tilavuusyksiköstä poistettu teho - kW / l), mikä mahdollistaa lisää pienen moottorin tehoa lisäämättä moottorin nopeutta.
Sylintereissä puristetun ilman massan lisääntymisen vuoksi lämpötila puristustahdin lopussa kohoaa huomattavasti ja räjähdys on mahdollista . Siksi turbomoottorien suunnittelussa on alennettu puristussuhde, käytetään korkeaoktaanisia polttoainelaatuja ja tarjotaan jälkijäähdytin ( välijäähdytin ), joka on jäähdytin jäähdytysilmalle. Ilman lämpötilan laskua tarvitaan myös, jotta sen tiheys ei laske turbiinin jälkeisestä puristamisesta johtuvasta kuumenemisesta, muuten koko järjestelmän hyötysuhde laskee merkittävästi.[ style ] Turboahdin on erityisen tehokas raskaiden kuorma-autojen dieselmoottoreissa. Se lisää tehoa ja vääntömomenttia lisäämällä hieman polttoaineen kulutusta. Löytää turboahtimen käytön vaihtelevalla turbiinin siipien geometrialla moottorin toimintatavasta riippuen.
Tehokkaimpia (suhteessa moottorin tehoon) turboahtimia käytetään dieselmoottoreissa. Esimerkiksi D49-dieselmoottorilla, jonka teho on 4000 hv. asennettiin turboahdin, jonka kapasiteetti oli 1100 hv.
Laivojen moottoreiden turboahtimilla on korkein (absoluuttisesti mitattuna) teho, joka yltää useisiin kymmeniin tuhansiin kilowatteihin ( MAN B&W -moottorit ).
Turboahtimen ja välijäähdyttimen lisäksi järjestelmään kuuluu: ohjausventtiili (wastegate) (pitää asetetun paineen järjestelmässä ja vähentää painetta pakoputkessa), ohitusventtiili (joka ohjaa ahtoilman takaisin imuputkiin turbiiniin, jos kaasuläppä on kiinni) ja/tai "tyhjennysventtiili" (poistoventtiili - ahtoilman tyhjentämiseksi ilmakehään tyypillisellä äänellä, kaasun sulkeutuessa, mikäli massailmaa ei ole virtausanturi), turboahtimen tai mukautetun syöksyputken kanssa yhteensopiva pakosarja ja myös suljetut putket: ilma ilman syöttämiseen imuaukkoon, öljy turboahtimen jäähdytykseen ja voiteluun.
Turboahtimen viive ("turbo lag") on aika, joka tarvitaan tehon muutokseen kaasun tilan muutoksen jälkeen, mikä ilmenee hitaampana vasteena kaasun avautumiseen verrattuna vapaasti hengittävään moottoriin. Tämä johtuu siitä, että pakojärjestelmän ja turboahtimen pyöriminen kestää jonkin aikaa, jotta saadaan tarvittava ahtoilmavirta. Inertia, kitka ja kompressorin jännitys ovat tärkeimmät syyt turboahtimen viiveeseen.
Nykyään turbomoottoreissa voi olla 2 tai jopa 4 turboa. Tästä syystä niiden kokoonpanot voivat olla eri järjestyksessä ja itse turbot voivat olla erilaisia.
| Kokoonpano | määrä | Kuvaus |
|---|---|---|
| Yksittäinen tehostus | yksi | Nykyään useimmilla turboahtimella on yksinkertainen mutta tehokas muotoilu. |
| Biturbo | 2 | Kaksi tehostetta, jotka eivät aina ole samanlaisia paineen ja muiden parametrien suhteen, asennettuna sarjaan yhteen ilmakanavaan, puhaltaa kaikkien sylinterien läpi, kun taas yksi vahvistimista voi olla pää ja toinen voi olla apu. Etuna on, että yhden tehostuksen rikkoutuessa toinen voi jatkaa toimintaansa ja kaikki sylinterit, vaikkakin pienemmässä määrin, puhalletaan. Haittana on korjauksen ja rakentamisen monimutkaisuus. |
| twinturbo | 2 | Kuviossa 2 sylinterilohkot jaetaan useimmiten kahden kaksoisahtimen kesken, esimerkiksi V-muotoisissa moottoreissa kukin ahto puhaltaa sylinterilohkoaan vastaavasti oikean ja vasemman läpi ilmakanaviensa kautta, joita ei aina ole kytketty toisiinsa. Tämän konfiguraation etuna on erittäin voimakas turboahdistus ja yksinkertaisuus biturboon verrattuna Haittapuolena on se, että yhden vahvistimen vikaantuminen riippumattomien ilmakanavien tapauksessa aiheuttaa vasemman ja oikean lohkon sylinterien epätasaisen toiminnan. kaikki seuraukset |
| Quadturbo | neljä | Tällainen turboahtaminen koskee vain erittäin tehokkaita urheiluautojen bensiinimoottoreita, joiden sylinterimäärä on neljän kerrannainen (8, 12 tai 16 sylinteriä). Se on erittäin harvinainen, tämäntyyppistä turboa käyttävät vain erittäin kalliit autot, kuten Bugatti Chiron (1500 hv) ja tämän merkin uudemmat mallit Hennessy Performance Venom F5 (1700 hv), SSC Tuatara (2500 hv) ja Devel Sixteen . (5007 hv). |
| Twinbiturbo | neljä | Itse asiassa se edustaa kahta identtistä biturbomallia, jotka on jaettu niiden sylinterilohkoihin. Tähän mennessä tällä kokoonpanolla ei ole yhtään tehdasautoa, mutta tätä mallia käytetään joskus viritysprosessissa . |
| Ajoneuvojen suunnittelu | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| |||||
| Katso myös: Autosuunnittelu | |||||