Viritysturbon valinta
Turbon valinta virityskäyttöön ei ole helppoa. Ahdin valitaan sen mukaan, millaisissa olosuhteissa ja miten sen halutaan toimivan. Pelkkä turboahdin ei sinänsä tuota mitään vaan auttaa vasta moottorin ja muiden tekijöiden kanssa tuottamaan halutun hyötysuhteen.
Turboahtimen toimintaan ja siihen vaikuttaviin tekijöihin tutustuminen maksaa vaivan, sillä oikea tieto säästää sekä paljon aikaa että rahaa.
Turboahtimen valitseminen
Virityskäyttöön tarkoitetun turboahtimen suunnittelussa on keskityttävä erikseen sekä kompressorin että turbiinin valintaan. Täytyy myös alustavasti tietää, mitä turboahtimelta vaaditaan ja miten sen halutaan eri sovelluksissa toimivan. Ratkaisevaa on, kuinka paljon huipputehoa ja -vääntöä moottorista lähdetään hakemaan ja millaista kokonaishyötysuhdetta tavoitellaan. Turboahtimen päätehtävä on lisätä moottorin tehoa tilavuuden pysyessä ennallaan.
Viritysturbon valintaan vaikuttavat tekijät:
Moottorin tilavuus on hyvä tunnusluku ahdetun ilman (polttoaineen ja ilman seos) kulutukselle. Kun tilavuus, moottorin pyörintänopeus ja toivottu ahtopaine tiedetään, saadaan jo kunnon tuntuma siitä, millaiset osat ja komponentit pitää valita, jotta haluttu teho ja vääntö turboahtimen avulla saavutettaisiin.
2. Toivottu ja toteutuva huipputeho sekä vääntömomentti
Turboahdin on vain apulaite, joka mahdollistaa moottorin korkeat tehot ja vääntömomentit. Jos tavoitteita ei saavuteta, syy on useimmiten aivan muualla kuin ahtimessa. Esimerkiksi moottoritilavuudeltaan yhden litran moottorista saatetaan saada sama teho kuin 2-litraisesta moottorista pelkästään kierroslukua nostamalla, vaikka sama turboahdin toimii vielä moottoritilavuudeltaan paljon suuremmassakin moottorissa kapasiteettinsa rajoissa. Turboahdin tarjoaa mahdollisuuden huipputehoihin ja -vääntöihin, mutta ratkaisevia ovat sovelluksen muutokset kuten nokka-akseleiden ajoitus, sytytysennakko, polttoaineen syöttö jne. Ne on saatava vastaamaan uutta tilannetta, sillä turboahdin toimii aina samalla tavalla.
3. Ilmanala ja sen vaikutukset
Ilmasto- ja ympäristöolosuhteet vaikuttavat viritysturbon valintaan, vaikka turboahdin automaattisesti korjaakin ilman tiheyden ja paineen muutoksia. Moottoreiden suorituskyky vaihtelee ilman tiheyden mukaan. Mitä korkeammalle mennään, sitä harvempaan ilma on ja myös ilmanpaine on pienempi. Esimerkiksi alppiolosuhteissa pitkälle viritetyistä autoista saadaan huipputehoja. Alpeilla onkin mitattu turboahtimen toimintaa, ja tulokset poikkeavat suuresti merenpinnan tason vastaavista lukemista. Selitys on ilmanpaineen ja tiheyden vaikutuksessa turbiinin ja kompressorin toimintaan: Matala ilmanpaine saa turbiinin pyörimään nopeammin, jolloin kompressori tuottaa suurempia ilmamassoja korvaamaan alhaista ilman tiheyttä. Ahtopaine kompressorilla nousee nopeasti, jolloin polttoainetta voidaan syöttää paljon enemmän.
Moottorin tilavuus ja pyörintänopeus antavat käsityksen siitä määrästä polttoaineen ja ilman seosta, joka tarvitaan halutun huipputehon ja vääntömomentin muodostamiseksi. Kokonaishyötysuhde kuitenkin määrää annoksen, joka sylinteriin yhdellä imutahdilla voidaan tarjota. Turboahtimen ansiosta annos luonnollisesti pienenee. Moottorin kokonaishyötysuhteen ja ilmamassavirtojen tarkastelu antaa selkeän kuvan siitä, miten moottorin osien muutokset, nokka-akseleiden oikea valinta ja ajoittaminen sekä polttoaineen ja sytytyksen parantelut eri ahtopaineilla ajettaessa viritetyssä moottorissa vaikuttavat.
Esimerkiksi 1,8-litrainen Audi tuottaa tehtaalta lähtiessään 150 hv 0,5 barin paineella kierrosnopeudella X. Moottorin ja muiden suoraan kokonaishyötysuhteeseen vaikuttavien muutostöiden jälkeen se tuottaa samalla ahtopaineella ja pyörintänopeudella 180 hv, joten tehtaan teho saavutetaan jo 0,3 barin ahtopaineella. Näin polttoainetta kuluu vähemmän, tai samalla määrällä saadaan enemmän tehoa.
Kompressorin valintaan vaikuttaa moni tekijä, eikä suurin kompressori aina ole toimivin. Moottorin tarvitsema ilman massavirta on laskettavissa tietyllä painesuhteella ja moottorin pyörintänopeudella ajettaessa hyvinkin tarkasti. Ahtimen pyörintänopeutta ja ahtopainetta seuraamalla saadaan kuitenkin tarkimmin ja luotettavimmin selkeä kuva moottorin kulloinkin tarvitsemasta ilmamäärästä. Kompressorikartta on hyvä apuväline. Se kertoo muun muassa, mitä eroa on 8-ventiilisen ja 16-ventiilisen moottorin kokonaishyötysuhteessa ja ilman tarpeessa.
Kompressoria valittaessa on otettava huomioon
– Painesuhde (HUOM! Tämä ei ole ahtopaine)
– Ilman massavirta (Mass Flow of air)
Kaava voidaan esittää yksinkertaisesti: jos vapaasti hengittävä moottori tarvitsee ilmaa A cm³ ja laskettu tarve on B cm³, tarvittavan määrän suhde on B/A. Suhde on suoraan verrannollinen kompressorin vaatimaan painesuhteeseen, jotta se täyttäisi lasketun tarpeen B cm³.
Kompressorilta vaadittavat massavirrat määräävät turboahtimen pyörintänopeuden, jotta se tuottaisi halutun virtauksen tietyllä painesuhteella. Kompressorisiiven suurin halkaisija (jättöpää) on suoraan verrannollinen sen tuottamaan minimi- ja maksimipainesuhteeseen. Kompressorin pienin halkaisija (ottopää) taas muodostaa kompressorin minimi- ja maksimipumppauslinjat.
Pumppauslinjat erottavat toisistaan epästabiilin ja stabiilin toiminta-alueen. Ne tunnetaan paremmin nimillä surge line ja choke line.
Surge line tarkoittaa sakkausrajaa eli liian pientä massavirtaa ja liian korkeaa painesuhdetta suhteessa moottorin tilavuuteen ja kompressorisiipeen. Sen tunnistaa helposti suhahtelevasta äänestä kompressori- ja ilmanpuhdistuslinjan tietämiltä. Raju sakkaaminen rikkoo ahtimen laakeroinnin hyvin nopeasti.
Choke line kuvastaa kompressorille imetyn massavirran siirtymistä äänen nopeuteen, jolloin kompressorilla ei voida ahtaa enää enempää ilmaa eteenpäin moottorille.
Seuraava kompressorikartta osoittaa, miten kompressorin ottopään koon muutokset vaikuttavat painesuhteeseen, kun jättöpään halkaisija pidetään samana: painesuhde ei juuri muutu, mutta maksimi- ja minimimassavirtojen ero on selvä.
Toinen kartta kuvaa tilannetta, jossa kompressorin ottopään ja jättöpään suhde pysyy ennallaan mutta kompressorisiipi suurenee. Tällöin kompressorin kokonaissuorituskyky kasvaa. Massavirta ja painesuhde siis kasvavat samassa suhteessa, kun kompressorin kokoa muutetaan sekä suuremman että pienemmän halkaisijan osalta.
Kun suunnitellaan kilpa-ahdinta tai muuten suorituskyvyltään poikkeavaa ahdinta, kompressorikartat auttavat valitsemaan ahtimen niin, että se täyttää kaikki odotukset. Kompressorisiiven oikeanlainen valinta helpottaa moottorin säätötyötä ja vähentää ahtimen tuomia lämpökuormia.
Pitkälle viritettyjen kilpa-autojen kompressorikartta valitaan niin, että huipputehon tarvitsema massavirta ja painesuhde kohtaavat kartan sydämessä. Raskaalle kalustolle kompressorikartta taas kertoo pisteen, jossa saavutetaan paras vääntömomentti, koska huipputeholla ei ole samalla tavoin merkitystä kuin kilpa-autoilussa.
Toinen tapa valita viritettyihin sovelluksiin kompressori(t) ja turbiini(t) on hyödyntää kompressorikarttaa/karttoja vasemmalta oikealle kokonaisuutena, joka kertoo, miten käyttöaluetta ja kaasuun vastaavuutta sekä ahtopainetta voidaan parhaiten nostaa rajusti koko kierrosalueella. Esimerkiksi kahden kompressorin ratkaisu eli kerrannaisahtaminen on loistava valinta silloin, kun dieselmoottorista halutaan korkeaa tehoa ja vääntöä. Raskaassa kalustossa keinoa onkin käytetty jo pitkään. Silloin korkeapainekompressori valitaan niin, että jo pienillä kierrosalueilla saadaan haluttua yli-ilmaa moottorille. Matalapainekompressori taas valitaan moottorin yläkierrosten ilmamassojen saavuttamiseksi, koska siihen pieni kompressori ei enää yksinään kykene. Kun ahdettua ilmaa ahdetaan, kokonaisahtopainekin luonnollisesti kasvaa.
Kun tiedetään, millainen kompressori tarvitaan tuottamaan haluttu massavirta ja painesuhde, sille etsitään oikeanlainen turbiiniakseli ja turbiinikotelo. Kompressorikotelon kriittinen alue (A/R) ei niinkään vaikuta kokonaissuoritukseen, sen sijaan turbiinikotelon kriittisen alueen vaikutus epästabiilin ja stabiilin alueen välillä näkyy kompressorikartalla selvästi. Samalla kartta kertoo sen vaikutuksesta moottorin kokonaissuorituskykyyn.
Kompressorin jättöpään halkaisija antaa käsityksen turbiiniakselin oikeasta koosta. Yleensä kompressorin jättöpään koko ei saisi kasvaa yli 15 % suhteessa turbiiniakselin suurimpaan halkaisijaan (ottopäähän). Turbiiniakselin painesuhde täytyy myös suhteuttaa kompressorin painesuhteeseen, jotta tarvittavat massavirrat saadaan virtaamaan ylittämättä kummankaan rakenteellisia nopeuksia. Silloin turbiinin ja kompressorin toimita rajoittuu kartoilla stabiileille alueille. Poikkeuksia luonnollisesti tehdään, kun oikeanlaista sovellusta valitaan ja tiedetään mahdolliset huipputeho- tai huippuvääntötavoitteet.
Kun oikea turbiiniakseli on löytynyt, sille etsitään turbiinikotelo, jonka kriittisellä alueella (A/R) määritellään, millaisella nopeudella kompressorin halutaan pyörivän. Turbiinikotelon kriittisellä alueella tarkoitetaan pistettä juuri ennen kuin kanava(t) aukeaa/(aukeavat) turbiiniakselille ja sitä kautta mekaaniseksi pyöritysenergiaksi aksiaalisesti kompressorille.
Turbiinivalinnoilla pyritään pitämään kompressorin toiminta kartan stabiililla alueella, ja mieluiten niin, että huippupiste osuu aina kartan sydämeen. Tavoitteena on paitsi turbiinin mahdollisimman korkea virtaus ilman että kompressorin toiminta kärsii myös saada turboahtimen aiheuttama vastapaine moottorissa mahdollisimman pieneksi. Mitä pienempi vastapaine, sitä parempi kokonaishyötysuhde, jolloin muun muassa korkeammat sytytysennakot moottorista ovat mahdollisia.
Kompressorikartta kertoo myös turbiinikoteloiden vaikutuksista. Seuraavassa esimerkissä on kyse hukkaportittomista koteloista.
Musta piste kuvaa pientä turbiinikoteloa. Vihreä piste vastaa tilavuudeltaan keskikokoista ja keltainen hyvin suurta. Kun moottorin pyörintänopeus pysyy samana, kaikki kolme pitävät toiminnan kompressorikartan stabiilin alueen rajoissa.
Mitä pienempi turbiinikotelo, sitä suuremmaksi turboahtimen aiheuttama vastapaine pakosarjassa kasvaa. Vastapaine alentaa kokonaishyötysuhdetta, jolloin ahtopaineen lisäyksestä ei saada odotettua lisätehoa. Toisaalta pieni kotelo edistää pakokaasujen virtausta, mikä alentaa kriittisen alueen (nielun) lämpötilaa.
Turbiiniakselin rakenne ja painekartat ratkaisevat, kuinka paljon kaasun nopeutta ja painesuhdetta turbiinissa voidaan kasvattaa. Tarjolla on rakenteeltaan ja virtaukseltaan useanlaisia turbiiniakseleita. Mitä enemmän lapoja akselissa on, sitä suurempi virtaus ja korkeampi painesuhde saadaan. Ylemmäksi kiihdytettäessä hyötysuhde kasvaa. Tällaisia akseleita kutsutaan korkeapaineakseleiksi. Matalapaineakseleissa lapoja on vähemmän. Niiden etuna on parempi heräävyys (running point), mutta kiihdytettäessä hyötysuhde laskee. Akselin rakenteella ei ole mitään tekemistä absoluuttisen ahtopaineen kanssa, joten kummallakin akselityypillä voidaan käyttää korkeaa tai matalaa ahtopainetta turbiinikotelon kriittistä aluetta ja hukkaporttia muuntelemalla. Akselin rakenne ja aerodynaaminen suunnittelu vaikuttavat hyvinkin paljon siihen, millaisella kompressorilla moottoria voidaan kuormittaa ja miten sen halutaan vastaavan raskaaseen kaasujalkaan.
6. Hukkaportti ja sen vaikutukset
Jos moottorilta haetaan korkeampaa suorituskykyä jo alhaisilla kierrosnopeuksilla, on väistämättä valittava selkeästi pienempi turbiinikotelo. Kompressorikartta havainnollistaa, kuinka pienempi kotelo kuitenkin aiheuttaa toiminnan siirtymisen lähemmäksi ääriarvoja kuten surge line ja ahtimen ylinopeus. Kartta kuvaa tasaista moottorin käyntinopeutta. Kompressorin vaikutusta ahtimen heräämiseen (spool up) ei myöskään pidä unohtaa.
Ahtimen liian korkeaa pyörintänopeutta voidaan rajata hukkaportein. Hukkaportilla pienennetään turbiinille virtaavia massoja ja painetta turbiinikotelon kriittisellä alueella.
Hukkaporttirakenteita on kahta tyyppiä, ulkoisia ja sisäisiä.
Ulkoiset hukkaportit ovat riippumattomia ahtimen toiminnasta, ja niitä kontrolloidaan erillisillä järjestelmillä halutun pyörintänopeuden saavuttamiseksi. Ne toimivat samoin kuin sisäiset hukkaportit, mutta tuovat mukanaan vapauksia, sillä ne voidaan valita täyttämään tietyt vaatimukset. Joissakin tapauksissa ulkoisella hukkaportilla saadaan ohjatuksi turbiinilta pois hyvinkin runsaasti vastapainetta ja lämpöä, joista muuten seuraisi turbiinin tukkeutuminen ja mahdollinen sulaminen. Erillisen hukkaportin pitää aina olla riittävän suuri suhteessa virtaaviin massoihin ja lämpötiloihin. Oikein valitulla hukkaportilla saavutetaan suuriakin hyötyjä jo muuten huonosta systeemistä. Ulkoisella hukkaportilla voidaan haitallisia virtauksia ja lämpötiloja kontrolloida jopa 50-prosenttisesti.
Sisäiset hukkaportit on suunniteltu lähinnä ahtopaineen ohjaukseen. Niillä ei pystytä korjaamaan kovinkaan paljon mahdollisia pakopaine- ja lämpö-ongelmia vaan ainoastaan helpotetaan tilannetta tietyn nopeuden saavuttamiseksi. Viritystilanteissa ongelmana on yleensä haitallinen vastapaine, joka tosin saattaa tulla eteen vakioratkaisuissakin. Dieselkäytössä sisäinen hukkaportti voi myös toimia eräänlaisena turvaratkaisuna, jolloin sillä rajataan vasta hyvin korkeaa ja ahtimen rakennetta vaurioittavaa nopeutta ja ahtopainetta. Maksimissaan sisäinen hukkaportti rajoittaa turbiinivirtausta 5-15%.
Yllä oleva kartta kertoo, että pienemmällä turbiinikotelolla saavutetaan selvästi parempi herääminen, mikä sopiikin hyvin esimerkkikompressorille. Jos kuitenkin kompressorin ottopää olisi isompi, tilanne muuttuisi ja ahdin sakkaisi rajusti pienemmillä moottorin kierrosnopeuksilla.
Myös turboahtimen valinnassa on usein tyydyttävä kompromisseihin, eikä sitä ainoaa oikeaa ehkä olekaan. Yhdessä kuitenkin saavutamme varmasti parhaan mahdollisen ratkaisun etsiessämme viritettyyn moottoriin korkeinta tehoa ja vääntöä.
