Ξεκίνησε ως µία εξωτική τεχνολογία, για µεγαλύτερες ιπποδυνάµεις. Τη δεκαετία του ‘90 άρχισε να αλλάζει χρήση και έχει πλέον εξελιχθεί σε µεγάλο βαθµό που θεωρείται αναγκαία τεχνολογία, για τη µείωση των εκποµπών ρύπων, σε συνδυασµό µε το απαραίτητο Downsizing.
Το turbo είναι ένα εξάρτημα που αυξάνει την ιπποδύναμη ενός θερμικού κινητήρα, παράλληλα με την απόδοσή του. Κάποτε απαιτούσαμε από τα turbo περισσότερη ιπποδύναμη, σήμερα ζητάμε λιγότερους ρύπους.
Σε έναν ατμοσφαιρικό κινητήρα η ποσότητα του αέρα που εισέρχεται στους κυλίνδρους, εξαρτάται από την ατμοσφαιρική πίεση. Το έμβολο κατεβαίνοντας σχηματίζει κενό (υποπίεση) που ωθεί τον αέρα να γεμίσει τον κύλινδρο. Είναι προφανές ότι όσο περισσότερος αέρας εισέλθει στον κύλινδρο και καύσιμο, φυσικά, τόσο μεγαλύτερη και η ισχύς που θα αποδώσει ο κινητήρας.
Ο υπερσυμπιεστής, που ανακαλύφθηκε στις αρχές του προηγούμενου αιώνα, φροντίζει για την εξαναγκασμένη εισαγωγή αέρα στον κύλινδρο. Η βασική ιδέα είναι να οδηγήσουμε πρόσθετο υπερσυμπιεσμένο αέρα στον κύλινδρο, κατά τη διάρκεια της εισαγωγής, ώστε να βελτιωθεί ο βαθμός πλήρωσης, με αποτέλεσμα την αύξηση της ιπποδύναμης.
Ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο παίρνουν κίνηση οι υπερσυμπιεστές χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες:
- Ογκομετρικοί υπερσυμπιεστές (superchargers) – αυτοί που παίρνουν κίνηση από τον στροφαλοφόρο άξονα
- Φυγοκεντρικοί υπερσυμπιεστές (turbochargers) – αυτοί που παίρνουν κίνηση από τα καυσαέρια.
Φυγοκεντρικοί υπερσυμπιεστές
Το τούρμπο εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των καυσαερίων, που θεωρείτο χαμένη, για την κίνηση του συμπιεστή. Αποτελείται από έναν κοινό άξονα που στο ένα άκρο φέρει έναν στρόβιλο ή φτερωτή, που κινείται από τη ροή των καυσαερίων, την τουρμπίνα, και στο άλλο άκρο υπάρχει ένας ακόμη στρόβιλος, ο συμπιεστής, που συμπιέζει τον αέρα της εισαγωγής. Τα καυσαέρια χτυπούν με πίεση και ταχύτητα τα πτερύγια του στροβίλου της τουρμπίνας και θέτουν τον άξονα σε περιστροφή. Η ταχύτητα του στροβίλου συνήθως ξεπερνά τις 100.000 με 150.000 σ.α.λ.
Ο συμπιεστής, ο δεύτερος στρόβιλος που είναι συνδεδεμένος με τον άξονα, περιστρέφεται και αυτός με την ίδια ταχύτητα περιστροφής. Πατώντας ο οδηγός το πεντάλ του γκαζιού, αυξάνουν οι στροφές του κινητήρα, όπως επίσης και ο όγκος και η ταχύτητα των καυσαερίων. Η τουρμπίνα επιταχύνεται, όπως επίσης και ο αέρας εισαγωγής που συμπιέζεται. Όταν το τούρμπο λειτουργεί σε χαμηλές στροφές, κάτω από 60.000 σ.α.λ., ο κινητήρας λειτουργεί σαν ατμοσφαιρικός, ενώ αυξάνοντας οι στροφές περνά σε φάση υπερσυμπίεσης.
Η αποτελεσματικότητα του τούρμπο εξαρτάται από τις στροφές του κινητήρα. Στις χαμηλές στροφές παράγονται λίγα καυσαέρια και συνεπώς το τούρμπο δεν φτάνει σε επαρκή ταχύτητα. Από τη στιγμή που το τούρμπο θα επιτύχει την απαιτούμενη ταχύτητα και πίεση υπερπλήρωσης (περίπου στο 1/3 των στροφών), προκύπτει η ανάγκη να περιοριστεί η περαιτέρω αύξηση της πίεσης. Η βαλβίδα ανακούφισης (waste valve) φροντίζει να μην αυξηθεί υπερβολικά η πίεση του αέρα εισαγωγής, ώστε να γίνει επικίνδυνη για τον κινητήρα.
Το σημαντικότερο πρόβλημα που παρουσιάζουν οι κινητήρες με turbo είναι το turbo – lag (στροβιλο – καθυστέρηση), το οποίο αφορά τον χρόνο που απαιτείται, ώστε ο άξονας της τουρμπίνας να ανεβάσει στροφές και να έχουμε ικανοποιητική πίεση στο κύκλωμα.
Bi-turbo
Η μηχανική υπερπλήρωση αυξάνει την ιπποδύναμη του κινητήρα και βελτιώνει τη ροπή χαμηλά και στις μεσαίες στροφές. Είναι απλή στην κατασκευή και δεν καταπονεί θερμικά τον κινητήρα. Αυξάνει την κατανάλωση καυσίμου και καταναλώνει έργο, αφού παίρνει κίνηση από τον στροφαλοφόρο.
Οι κινητήρες με τούρμπο, από την άλλη πλευρά, πλεονεκτούν στις υψηλές στροφές και περιορίζουν την κατανάλωση και τις εκπομπές ρύπων. Υστερούν όμως στις χαμηλές στροφές και εμφανίζουν turbo lag, ή κοινώς φαινόμενο υστέρησης. Η προσπάθεια για συγκερασμό τους από τη διάταξη comprex δεν ευδοκίμησε, καθώς υπήρξαν μηχανικές αστοχίες.
Η διάταξη όμως που χρησιμοποιεί το συγκρότημα της VAG με την ονομασία Tsi συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των 2 τύπων, χωρίς σημαντικά μειονεκτήματα. Ένας φυγοκεντρικός συμπιεστής και ένα τούρμπο συνδυάζονται και λειτουργούν ο μεν πρώτος στις χαμηλές στροφές, ο δε δεύτερος στις υψηλές.
Αντίστοιχα καλά αποτελέσματα δίνουν και οι διατάξεις με 2 turbo. Η τεχνολογία twin turbo έχει χρησιμοποιηθεί με καλά αποτελέσματα τα τελευταία χρόνια. Ένα μικρότερο turbo εξασφαλίζει καλή απόκριση στις χαμηλές στροφές του κινητήρα, όταν η ενέργεια των καυσαερίων είναι χαμηλή, και ένα μεγαλύτερο turbo αναλαμβάνει με υψηλό φορτίο, ώστε να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις σε μάζα αέρα. Η σύνδεση μπορεί να είναι σε σειρά ή παράλληλη.
Μεταβλητή γεωμετρία
Τεχνολογίες, όπως η μεταβλητή γεωμετρία τουρμπίνας (VTG – variable turbine geometry), έχουν βελτιστοποιημένη απόκριση του turbo σε χαμηλές στροφές κινητήρα, όταν η ενέργεια των καυσαερίων είναι χαμηλή, ενώ παρέχουν αρκετή ποσότητα αέρα, κατά τη διάρκεια της λειτουργίας μέγιστου φορτίου.
Η ιδέα της χρήσης ενός στροβίλου με μεταβλητή γεωμετρία πτερυγίων σε έναν στροβιλοσυμπιεστή χρονολογείται τουλάχιστον μέχρι τη δεκαετία του 1950. Από τότε, έχουν παρουσιαστεί διάφορα σχέδια. Σε αυτοκίνητο παραγωγής εμφανίζονται από την Honda, στα τέλη της δεκαετίας του ‘80.
Σε πολλά σχέδια, το turbo μεταβλητής γεωμετρίας δεν περιλαμβάνει βαλβίδα wastegate, οπότε ο στρόβιλος πρέπει να είναι ικανός να χειρίζεται όλη τη ροή των καυσαερίων από τον κινητήρα.
Η βασική διαφορά μεταξύ στροβίλου σταθερής γεωμετρίας και στροβίλου με μεταβλητή γεωμετρία είναι πως ο τελευταίος διατηρεί μικρή διαφορά πίεσης ανάμεσα στην εισαγωγή και την εξαγωγή, που εξασφαλίζει τη βελτίωση των χαρακτηριστικών ροπής στις χαμηλές στροφές, τη μείωση του turbo-lag και στους κινητήρες ντίζελ, υψηλότερα ποσοστά καυσαερίων στο σύστημα EGR.
Twin scroll
To Twin Scroll turbo (turbo διπλής ροής) παρουσιάστηκε για πρώτη φορά, στις αρχές της δεκαετίας του ’90, από τη Mazda, στο µοντέλο RX7. Σε αυτό, η πολλαπλή εξαγωγής καταλήγει σε δύο αντί για έναν αυλό εξαγωγής. Έτσι, για παράδειγµα, σε ένα τετρακύλινδρο µε σειρά ανάφλεξης 1 – 3 – 4 – 2, οι κύλινδροι 1 και 4 έχουν κοινό αυλό εξαγωγής, όπως αντίστοιχα και οι 2 και 3. Υπάρχουν λοιπόν δύο ρεύµατα αέρα, που χτυπούν στον στρόβιλο µε διαφορετική γωνία και διαφορετική ταχύτητα. Έτσι µπορούµε να πάρουµε τα χαρακτηριστικά από δύο διαφορετικούς στροβίλους.
To Twin Scroll turbo επιτυγχάνει καλύτερη εκµετάλλευση της κινητικής ενέργειας των καυσαερίων. Σε σχέση µε ένα κοινό turbo, παρουσιάζει καλύτερη απόδοση στις χαµηλές και µεσαίες στροφές, όπως επίσης και καλύτερη απόκριση, περιορίζοντας το turbo-lag στο ελάχιστο.
Υβριδικό turbo
Με τον όρο υβριδικό χαρακτηρίζουμε ένα turbo που χρησιμοποιεί δύο ή περισσότερες διαφορετικές τεχνολογίες, προκειμένου να επιτύχει την κίνησή του.
Η πρώτη τέτοια περίπτωση ήταν το σύστημα τύπου COMPREX. Σε αυτό, ο υπερσυμπιεστής έπαιρνε κίνηση ταυτόχρονα και από τα καυσαέρια, αλλά και από τον στροφαλοφόρο άξονα, με ιμάντα κίνησης. Το σύστημα αυτό, αν και στις αγωνιστικές Lancia εξασφάλιζε υψηλές επιδόσεις, εγκαταλείφθηκε λόγω προβλημάτων αξιοπιστίας.
Το πιο γνωστό υβριδικό turbo είναι το ηλεκτροκίνητο. Σε αυτό, ένας ηλεκτροκινητήρας μπορεί να μεταδίδει κίνηση στον άξονα του στροβίλου. Η ηλεκτρονική μονάδα διαχείρισης του κινητήρα μπορεί να ελέγχει την ταχύτητα του turbo, ανεξάρτητα από τη ροή των καυσαερίων.
Όταν ο οδηγός πατήσει το γκάζι με το turbo να γυρίζει με ελάχιστες στροφές, ο ηλεκτροκινητήρας επιταχύνει τον άξονα του στροβίλου και η απόκριση είναι άμεση. Επιταχύνει σε λιγότερο από 500 msec (χιλιοστά του δευτερολέπτου).
Επιπλέον, στις υψηλές στροφές, όπου η κινητική ενέργεια των καυσαερίων είναι περισσότερη από όση μπορούμε να εκμεταλλευτούμε, ο κινητήρας γίνεται γεννήτρια, παράγοντας ρεύμα με θετικές επιπτώσεις στην κατανάλωση και στις εκπομπές ρύπων. Με τη χρήση του ηλεκτροκίνητου turbo είναι εφικτή μία εξοικονόμηση καυσίμου της τάξης του 10% πέραν του περιορισμού του turbo-lag.
