Στις περισσότερες συζητήσεις όπου κεντρικό θέμα είναι το αυτοκίνητο, είτε μιλάμε για αυτοκίνητα παραγωγής, supercars ή αγωνιστικές κατασκευές αργά ή γρήγορα κάποιος θα αναφέρει την λύση της υπερτροφοδότησης. Και αυτό συμβαίνει είτε η συζήτηση είναι ακαδημαϊκού επιπέδου σε κάποια αίθουσα πανεπιστημίου είτε στην καφετέρια μεταξύ φίλων. Φαίνεται λοιπόν ότι η λύση των υπερτροφοδοτών καυσαερίων –τα γνωστά σε όλους μας turbo- έχει μπει για τα καλά στην καθημερινότητα μας. Τι είναι όμως τα turbo, πως λειτουργούν, ποια είναι τα πλεονεκτήματα τους και ποια τα μειονεκτήματα;
Ας ξεκινήσουμε όμως από την αρχή. Όλοι μας λίγο ή πολύ είμαστε εξοικειωμένοι με την λειτουργία ενός εμβολοφόρου κινητήρα εσωτερικής καύσης. Εισαγωγή καύσιμου μίγματος, συμπίεση, ανάφλεξη, καύση και εξαγωγή των καυσαερίων από τον κύλινδρο. Σε γενικές γραμμές αυτοί είναι οι τέσσερις φάσεις λειτουργίας ενός κινητήρα αυτοκινήτου. Όπως είναι εμφανές, το έργο που μπορεί να παράγει ένας τέτοιος κινητήρας είναι ανάλογο της ποσότητας του εισερχόμενου στον κύλινδρο καύσιμου μίγματος. Με την σειρά της, αυτή η ποσότητα εξαρτάται –σε έναν ατμοσφαιρικό κινητήρα- από την χωρητικότητα του κυλίνδρου αφού ο όγκος είναι δεδομένος και η πίεση στην πολλαπλή εισαγωγής είναι η ατμοσφαιρική –με μικρές αποκλίσεις-. Γίνεται λοιπόν προφανές ότι αν θέλουμε να αποσπάσουμε υψηλότερη απόδοση από τον κινητήρα μας θα πρέπει με κάποιον τρόπο να «χωρέσουμε» περισσότερο καύσιμο μείγμα στους κυλίνδρους. Όμως χωρίς την βοήθεια κάποιου συστήματος και με δεδομένη τη χωρητικότητα του κινητήρα μας αυτό είναι αδύνατον. Εκεί λοιπόν αναλαμβάνει ο υπερτροφοδότης καυσαερίων.
Το turbo δεν είναι τίποτε παραπάνω από μία μηχανική αντλία δύο διαμερισμάτων. Το ένα διαμέρισμα φιλοξενεί την φτερωτή που παίρνει κίνηση από τα καυσαέρια (μαντέμι στην αργκό) και το άλλο για τον φρέσκο αέρα όπου μία άλλη φτερωτή συνδεδεμένη στον ίδιο άξονα με την προηγούμενη συμπιέζει τον αέρα και τον «σπρώχνει» προς την πολλαπλή εισαγωγής. Επομένως στο σύνολο του, το turbo έχει δύο εισόδους και δύο εξόδους. Είσοδος των καυσαερίων από την μηχανή και έξοδος τους προς την εξάτμιση και είσοδος φρέσκου αέρα από το φίλτρο και έξοδος συμπιεσμένου αέρα προς το intercooler (όταν αυτό υπάρχει) και την πολλαπλή εισαγωγής. Τώρα λοιπόν γίνεται εμφανής η βασική αρχή λειτουργίας των turbo: Η εκμετάλλευση της κινητικής των άχρηστων καυσαερίων για την υπερπλήρωση των θαλάμων καύσης με καύσιμο μείγμα. Ή πιο απλά, η αύξηση της απόδοσης του κινητήρα μας χωρίς προφανείς απώλειες -παρότι αυτό το κομμάτι δεν είναι απόλυτα σωστό καθώς οι απώλειες υπάρχουν και είναι και σημαντικές-.
Ας δούμε όμως λίγο πιο αναλυτικά τα στάδια λειτουργίας ενός υπερτροφοδοτούμενου κινητήρα. Πρώτα απ’ όλα, εισέρχεται φρέσκος αέρας στο σύστημα από την ατμόσφαιρα μέσω του φίλτρου αέρα που διαθέτουν όλα τα αυτοκίνητα. Αυτός ο αέρας αντί να πηγαίνει απευθείας στην πολλαπλή εισαγωγής όπως θα έκανε σε ένα ατμοσφαιρικό αυτοκίνητο, μπαίνει στο πρώτο διαμέρισμα του turbo και συμπιέζεται (κάτι που αυξάνει την πυκνότητα του, δηλαδή την μάζα του ανά μονάδα όγκου). Με στοιχειώδεις γνώσεις φυσικής όμως ξέρουμε ότι όταν συμπιέζεται ένα αέριο αυξάνεται η θερμοκρασία του. Έτσι και τώρα, γι’ αυτό, πολλά υπερτροφοτούμενα αυτοκίνητα διαθέτουν intercooler που ψύχει τον συμπιεσμένο αέρα είτε μέσω κρύου αέρα που «χτυπάει» το σώμα του intercooler είτε με κρύο νερό από το κύκλωμα ψύξης του κινητήρα (έτσι διαχωρίζονται και τα δύο είδη intercooler σε αέρα-αέρα και αέρα-νερού) για να μειώσει την θερμοκρασία του συμπιεσμένου αέρα και να αυξήσει περεταίρω την πυκνότητα του αλλά και την ικανότητα του για αντίσταση στην προανάφλεξη. Αφού έχει περάσει και από το intercooler, ο αέρας, κρύος και συμπιεσμένος, περνάει από την πεταλούδα και φτάνει στην πολλαπλή εισαγωγής από όπου μπαίνει στον θάλαμο καύσης. Αυτός, εμπεριέχει συγκεκριμένο όγκο, εξού και ο περιορισμός που αναφέραμε παραπάνω. Εφόσον όμως ο αέρας είναι συμπιεσμένος, κάθε θάλαμος καύσης περιέχει μεγαλύτερη μάζα αέρα-βενζίνης και η ανάφλεξη αυτού συνεπάγεται περισσότερη δύναμη. Μετά την ανάφλεξη, τα καυσαέρια κατευθύνονται μέσω της πολλαπλής εξαγωγής προς την τουρμπίνα (την φτερωτή που φιλοξενεί το μαντέμι), δίνουν κίνηση στην φτερωτή η οποία δίνει κίνηση στην φτερωτή του συμπιεστή κ.ο.κ. ο κύκλος συνεχίζεται.
Φαίνεται λοιπόν από την προηγούμενη παράγραφο, ότι η λειτουργία ενός συστήματος με υπερτροφοδότη καυσαερίων είναι απλή και επειδή είναι απλή κάποιος θα υπέθετε ότι η υλοποίηση ενός τέτοιου συστήματος θα είναι επίσης απλή και απαλλαγμένη από προβλήματα. Δυστυχώς όμως δεν ισχύει κάτι τέτοιο. Τα υπερτροφοδοτούμενα σύνολα, λιγότερο ή περισσότερο (ανάλογα με την παλαιότητα τους, τον κατασκευαστή τους και γενικότερα την τεχνολογία που χρησιμοποιούν) μαστίζονται από προβλήματα. Αν κάποιος λοιπόν διαβάσει την παράγραφο πιο πάνω με λίγο πιο κριτική διάθεση αυτά τα προβλήματα γίνονται εμφανή.
- Υψηλές θερμοκρασίες. Η πολλαπλή εξαγωγής εκπέμπει μεγάλα ποσά θερμότητας, το μπλοκ του κινητήρα το ίδιο. Οι υψηλές θερμοκρασίες για την μηχανολογία είναι κάτι σαν τον Σατανά και το να έχεις ένα ακόμα μεταλλικό αντικείμενο το οποίο εκπέμπει τεράστια ποσά θερμότητας δεν είναι και ιδανικό, ούτε για την απόδοση του κινητήρα αλλά ούτε για την μακροζωία του. Και δεν είναι μόνο η εξωτερική θερμοκρασία. Η λειτουργία του turbo προκαλεί αύξηση στη θερμοκρασία του εισερχόμενου αέρα μέσα στη μηχανή. Όσον αφορά το δεύτερο, η λύση έρχεται με την ενσωμάτωση ενός intercooler στο σύστημα. Αυτό υποδέχεται τον θερμό συμπιεσμένο αέρα από το turbo, τον ψύχει και τον στέλνει προς τους κυλίνδρους, αυξάνοντας την απόδοση και βελτιώνοντας την λειτουργία του κινητήρα (περισσότερα όμως για τα intercoolers σε επόμενο άρθρο). Για τις αυξημένες θερμοκρασίες γενικότερα στο μηχανοστάσιο οι λύσεις είναι σχετικά περιορισμένες και το μόνο που κάνουν είναι να αμβλύνουν το πρόβλημα και όχι να το εξουδετερώνουν. Μονωτικά υλικά, κεραμικές επιστρώσεις και άλλου είδους ασπίδες φροντίζουν να κάνουν την ζωή των υλικών κάπως πιο εύκολη χωρίς όμως ποτέ να «εξαφανίζουν» το πρόβλημα.
- Turbo Lag. Δύο λέξεις που οι περισσότεροι από εμάς έχουμε πει, οι περισσότεροι ξέρουμε τι σημαίνουν. Είναι η υστέρηση που εμφανίζουν οι υπερτροφοδότες καυσαερίων από την στιγμή που θα δώσουμε την εντολή μέσω του γκαζιού για δύναμη από τον κινητήρα μέχρι τη στιγμή που αυτή η δύναμη θα έρθει πραγματικά. Αυτός ο χρόνος ανάλογα με το μέγεθος του turbo, την τεχνολογία που χρησιμοποιεί αλλά και το πόσο σύγχρονο είναι ποικίλει από μερικά δέκατα έως και μερικά δευτερόλεπτα. Εκτός του ότι είναι εξαιρετικά επικίνδυνο είναι και φοβερά εκνευριστικό! Η φτερωτή που υποδέχεται τα καυσαέρια και παίρνει κίνηση από αυτά έχει κάποιο βάρος, πολύ μικρό συνήθως αλλά όχι αμελητέο. Επομένως έχει αδράνεια και χρειάζεται συγκεκριμένη ροή καυσαερίων για να υπερνικηθεί η αδράνεια και να κινηθεί η φτερωτή που θα δώσει κίνηση στην φτερωτή του συμπιεστή και το turbo θα αρχίσει να ανεβάζει πίεση. Όταν η πεταλούδα του γκαζιού δεν είναι ανοικτή, η τουρμπίνα περιστρέφεται πολύ πιο αργά από όσο θα έπρεπε γιατί τα καυσαέρια δεν είναι αρκετά (για να το πούμε λίγο καλύτερα, η κινητική των καυσαερίων δεν επαρκεί). Όταν δώσουμε εντολή για ισχύ και ανοίξει η πεταλούδα, χρειάζεται κάποιος χρόνος έως ότου ο όγκος των καυσαερίων που απαιτείται συγκεντρωθεί και η τουρμπίνα αναπτύξει πλήρη πίεση. Αυτό είναι το turbo lag. Τρόποι αντιμετώπισης υπάρχουν (βλ. anti-lag systems, twin-scroll τουρμπίνες κ.ά., θα επεκταθούμε σε αυτούς σε άλλο άρθρο).
Αυξημένη κατανάλωση. Τα προηγούμενα χρόνια η χρήση των turbo περιοριζόταν μόνο ως λύση στην ανάγκη για περισσότερη ισχύ. Δυστυχώς όμως η τεχνολογία τα προηγούμενα χρόνια δεν ήταν στο σημείο που είναι τώρα άρα ίσχυε το ρητό «περισσότερα άλογα = περισσότερο καύσιμο = αυξημένη κατανάλωση». Και δεν ήταν μόνο αυτό. Οι κατασκευαστές «χρησιμοποιούσαν» την αύξηση στην ποσότητα της βενζίνης που ψεκαζόταν στον κινητήρα για να αντιμετωπίσουν και άλλα προβλήματα όπως η προανάφλεξη, τα πειράκια κ.ά. με αποτέλεσμα η κατανάλωση ενός turbo κινητήρα εποχής να είναι σε εξαιρετικά υψηλά επίπεδα. Όμως η τεχνολογία προχώρησε. Αναπτύχθηκαν νέας μορφής turbo, νέας μορφής τροφοδοσία (βλ. άμεσο ψεκασμό), επίσης κάναμε άλματα στην ηλεκτρονική διαχείριση του κινητήρα με τις ECU και τα συστήματα που αυτές ενσωματώνουν και τώρα τα turbo είναι κοινός τόπος και λύση όχι μόνο στην ανάγκη για αύξηση της ισχύος ενός κινητήρα αλλά και στην ανάγκη για μείωση της κατανάλωσης και περιορισμό των εκπεμπόμενων ρύπων. Γι’ αυτό και πλέον παρατηρούμε τους υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες να είναι στην γκάμα των περισσότερων μοντέλων της αγοράς και να είναι μπροστάρηδες στην εποχή του downsizing (χωρίς αυτά μάλλον δεν θα υπήρχε downsizing).
Να κάνουμε λοιπόν μια ανακεφαλαίωση. Σε αυτό το άρθρο είδαμε σε πολύ γενικές γραμμές το τι είναι και πώς λειτουργεί ένας κινητήρας με turbo και αναλύσαμε τα προβλήματα και μειονεκτήματα που μπορεί να εμφανίζει σε μικρότερο ή μεγαλύτερο βαθμό. Αλλά σε καμία περίπτωση δεν τελειώσαμε. Υπάρχουν πολλά ακόμα περιφερειακά συστήματα που αποτελούν μέρος ενός τέτοιου κινητήρα τα οποία δεν αναλύσαμε καθώς και ορισμένα σημεία που για να τα προσεγγίσουμε χρειάζεται πρώτα γνώση των βασικών αρχών που αναφέραμε σε αυτό το άρθρο. Stay tuned λοιπόν και θα συνεχίσουμε από εκεί που το αφήνουμε σε μερικές μέρες! Σχόλια και διορθώσεις είναι πάντα ευπρόσδεκτα.
Παρόμοια Άρθρα
- Technical: Turbocharger, Τα περιφερειακά [Part 2]
- Technical: Turbocharger, Ας γίνουμε λίγο περισσότερο τεχνικοί [Part 3]
[Πηγές TurbobyGarrett, wikipedia, howstuffworks | Photo copyright via: rtokunaga @ flickr.com]