Tune it: Είδη Turbo

Tune it: Είδη Turbo

Με τούτα και μ’ εκείνα, φτάσαμε οι …μασκοφόροι εκδικητές και στη μέση του χειμώνα. Από καραντίνα σε καραντίνα, ούτε τα εργαλεία μας δεν μπορούμε να ροντάρουμε σαν άνθρωποι, να απλωθούμε, ρε αδερφέ, καμιά 500αριά χιλιόμετρα …«επί της εθνική οδός» που λένε και οι γραμματιζούμενοι επιστήμονες -ναι, όπως το λέω είναι, ατόφιο!

Στη χώρα που τα κυβικά -μέχρι πέρυσι- ήταν αμαρτία και φορολογικό έσοδο, λυσσάξατε όλοι με τα τουρμπίδια, γι’ αυτό είπα αυτόν τον μήνα να κάνουμε μία σύντομη βόλτα στους διάφορους τύπους που υπάρχουν, περιγράφοντας σε γενικές γραμμές τα υπέρ και τα κατά που τα χαρακτηρίζουν.

 

Πώς λειτουργεί ο σαλίγκαρος – Διαφορετικοί τύποι

Το τούρμπο είναι μία αντλία αέρα, η οποία παρέχει αέρα για τη διαδικασία καύσης του κινητήρα σε υψηλότερη πίεση και πυκνότητα από τον αέρα περιβάλλοντος. Αυτή είναι μία «ξερή», αλλά περιεκτική περιγραφή του δημοφιλούς αυτού εξαρτήματος. Ο αέρας που συμπιέζεται από τον συμπιεστή τροφοδοτεί τον κινητήρα με περισσότερο οξυγόνο, οδηγώντας σε πολύ βελτιωμένη καύση. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα περισσότερη ισχύ, καθαρότερες εκπομπές καυσαερίων, βελτιωμένη καμπύλη ροπής, μειώνει τις απώλειες άντλησης μέσα στον κινητήρα, προσφέροντας συνολικά καλύτερη απόδοση.

Το τούρμπο μπορεί να χωριστεί σε δύο ξεχωριστές ενότητες, το στάδιο του στροβίλου, το οποίο είναι το «θερμό» άκρο και το στάδιο του συμπιεστή που είναι το «κρύο» άκρο. Η τουρμπίνα κινείται από τα καυσαέρια που προέρχονται από τον κινητήρα και με τη σειρά της οδηγεί τον συμπιεστή, ο οποίος αντλεί τον αέρα του περιβάλλοντος και τον συμπιέζει. Το σύνολο λειτουργεί σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες για μέγιστη απόδοση. Ο πιο μεγάλος σαλίγκαρος Garrett περιστρέφεται στις 63.000 στροφές και ο μικρότερος σε περισσότερες από 300.000rpm! Αν λάβουμε υπόψη ένα σημείο στην περιφέρεια του τροχού, όταν λειτουργεί με πλήρη ταχύτητα, αυτό το σημείο ταξιδεύει με ταχύτητα άνω των 1.900 χιλιομέτρων ανά ώρα!

Η επιλογή του κατάλληλου σαλίγκαρου για κάποια συγκεκριμένη εφαρμογή δεν είναι κινέζικος λαβύρινθος, αλλά απαιτεί μερικούς υπολογισμούς τους οποίους εύκολα μπορείτε να βρείτε και σε προηγούμενα τεύχη του Power Automotive Magazine. Μην ακούτε αυτόκλητους ειδικούς, αλλά ρωτήστε άτομα που πραγματικά ξέρουν τι λένε!

Ο κόσμος του σαλίγκαρου έχει τόσο μεγάλη ποικιλία όσο τα είδη και η διάταξη των μοτέρ. Ας ρίξουμε μια ματιά στα διαφορετικά στυλ:

  1. Μονό Turbo (για τους… φτωχούς)
  2. Twin-Turbo (για τους πιο φραγκάτους…)
  3. Twin-Scroll Turbo
  4. Turbo Μεταβλητής γεωμετρίας
  5. Twin Scroll μεταβλητό Turbo
  6. Quad Turbo (ε ρε, τι κάνει το χρήμα!)
  7. Διαδοχικά Turbo
  8. Ηλεκτρικό Turbo
  1. Μονό Turbo

Οι μονοί υπερσυμπιεστές έχουν σχεδόν άπειρες μορφές. Η διαφοροποίηση του μεγέθους της φτερωτής του συμπιεστή και του στροβίλου οδηγεί σε εντελώς διαφορετικά χαρακτηριστικά ροπής και ισχύος. Τα μεγάλα turbo θα δώσουν πολλά άλογα  στις υψηλές στροφές, αλλά τα μικρότερα «σπουλάρουν» πολύ πιο γρήγορα και αποδίδουν καλύτερα στις χαμηλές rpm. Υπάρχουν επίσης ρουλεμανάτα και απλά σαλιγκάρια. Τα ρουλεμάν έχουν λιγότερη τριβή για την περιστροφή του συμπιεστή και της τουρμπίνας, επομένως μπορούν να σπουλάρουν ταχύτερα, ενώ φυσικά ανεβαίνει και το κόστος.

Πλεονεκτήματα:

  • Οικονομικός τρόπος αύξησης της ισχύος και της απόδοσης του κινητήρα.
  • Σε γενικές γραμμές, η ευκολότερη -από τις επιλογές υπερσυμπίεσης- σε ό,τι αφορά την εγκατάσταση.
  • Πολύ καλή λύση για μοτέρ μικρού κυβισμού για την παραγωγή της ίδιας ισχύος με τα μεγαλύτερα ατμοσφαιρικά μοτέρ.

Μειονεκτήματα:

  • Τείνουν να έχουν ένα σχετικά «στενό» αποτελεσματικό εύρος στροφών. Αυτό καθιστά το μέγεθός τους προβληματικό, καθώς πρέπει να επιλέξετε ανάμεσα σε καλή ροπή χαμηλά ή καλύτερη ισχύ στα ψηλά.
  • Η απόκριση ενδέχεται να μην είναι τόσο άμεση όσο οι εναλλακτικές, βλ. πιο κάτω.
  1. Twin-Turbo

Όπως και τα μονά τούρμπο, υπάρχουν πολλές επιλογές κατά τη χρήση δύο σαλίγκαρων. Θα μπορούσαμε να έχουμε ένα τούρμπο για κάθε πλευρά του V (σε κινητήρες V6, V8, κ.λπ.). Εναλλακτικά, ένα απλό τούρμπο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τις χαμηλές στροφές και ένα μεγαλύτερο για τις ψηλές στροφές (4κύλινδρος, 6κύλινδρος εν σειρά πχ). Θα μπορούσατε ακόμη και να έχετε δύο παρόμοια μεγέθη τούρμπο, όπου το ένα χρησιμοποιείται στις χαμηλές στροφές, αλλά και τα δύο στις ψηλές στροφές. Στις BMW X5 M και X6 M χρησιμοποιούνται δύο τούρμπο twin scroll, ένα σε κάθε πλευρά του V8.

Πλεονεκτήματα:

  • Για παράλληλα twin turbo σε κινητήρες V, τα οφέλη (και τα μειονεκτήματα) είναι πολύ παρόμοια με τα μονά turbo.
  • Για διαδοχικά τούρμπο ή χρήση του ενός σε χαμηλές στροφές, αλλά και των δύο στις ψηλές στροφές, έχει σαν αποτέλεσμα μία πολύ ευρύτερη -αποδοτική- καμπύλη ροπής. Καλύτερη ροπή χαμηλά, αλλά η ισχύς δεν θα μειώνεται σε υψηλές στροφές, όπως συμβαίνει σε ένα μικρό τούρμπο.

Μειονεκτήματα:

  • Κόστος και πολυπλοκότητα, καθώς έχετε σχεδόν διπλά όλα τα παρελκόμενα που είναι απαραίτητα για τη σωστή λειτουργία των τουρμπινών.
  • Υπάρχουν ελαφρύτεροι, πιο αποτελεσματικοί τρόποι για να πετύχουμε παρόμοια αποτελέσματα (όπως θα δούμε παρακάτω).
  1. Twin-Scroll Turbo

Αυτοί οι σαλίγκαροι είναι καλύτεροι σχεδόν σε όλα τα επίπεδα από τους απλούς. Με τη χρήση δύο θαλάμων, οι παλμοί εξαγωγής χωρίζονται. Για παράδειγμα, σε τετρακύλινδρους κινητήρες (σειρά ανάφλεξης 1-3-4-2), οι κύλινδροι 1 και 4 μπορεί να τροφοδοτήσουν τον ένα θάλαμο, ενώ οι κύλινδροι 2 και 3 τροφοδοτούν τον άλλο θάλαμο. Γιατί είναι καλό αυτό; Ας υποθέσουμε ότι ο κύλινδρος 1 τερματίζει τη διαδρομή εκτόνωσης/ισχύος, καθώς το έμβολο πλησιάζει στο κάτω νεκρό κέντρο και η βαλβίδα εξαγωγής αρχίζει να ανοίγει. Ενώ αυτό συμβαίνει, ο κύλινδρος 2 τερματίζει τη διαδρομή εξαγωγής, οπότε κλείνει σιγά-σιγά η βαλβίδα εξαγωγής και ανοίγει τη βαλβίδα εισαγωγής, στη φάση του overlap. Σε μία κλασσική πολλαπλή -single scroll- turbo, η πίεση των καυσαερίων από τον κύλινδρο 1 θα επηρεάσει την εισαγωγή νέου μείγματος του κυλίνδρου 2, καθώς και οι δύο βαλβίδες εξαγωγής είναι προσωρινά ανοιχτές, μειώνοντας τη συνολική πίεση στο τούρμπο και επηρεάζοντας τον αέρα που τραβάει ο κύλινδρος 2. Διαχωρίζοντας τις εξαγωγές των κυλίνδρων έχοντας διπλό θάλαμο στο τούρμπο, αυτό το πρόβλημα εξαλείφεται. Με τον τρόπο αυτό, τα twin-scroll μαντέμια turbo εκμεταλλεύονται την κυματική συμπεριφορά των καυσαερίων, όπως αυτά βγαίνουν από τους κυλίνδρους.

Πλεονεκτήματα:

  • Περισσότερη ενέργεια αποστέλλεται στη φτερωτή της τουρμπίνας, κάτι που σημαίνει αυξημένη απόδοση του στροβίλου (σε ποσοστό από 5 έως 10%).
  • Μείωση της υστέρησης απόκρισης από το turbo (το γνωστό σε όλους turbo lag), με αποτέλεσμα να είναι δυνατή μία ευρύτερη -αποδοτικά- περιοχή λειτουργίας.
  • Μπορούμε να αυξήσουμε το overlap, χωρίς να δημιουργείται πρόβλημα στην αποτελεσματική εκκένωση των κυλίνδρων.

Μειονεκτήματα:

  • Απαιτεί συγκεκριμένη διάταξη κινητήρα και ειδικό σχεδιασμό της εξαγωγής.
  • Αυξημένο κόστος και πολυπλοκότητα έναντι των παραδοσιακών -απλών- τούρμπο.
  1. Τούρμπο μεταβλητής γεωμετρίας (VGT)

Ίσως μία από τις πιο εξαιρετικές μορφές υπερτροφοδότησης, τα συστήματα μεταβλητής γεωμετρίας ή μεταβλητού ακροφυσίου VGT είναι περιορισμένα σε εφαρμογές βενζινοκινητήρων (αν και αρκετά κοινά στους κινητήρες diesel) ως αποτέλεσμα του κόστους και των απαιτήσεων που έχουν τα εξωτικά υλικά. Τα VGT turbo διαθέτουν μία σειρά από ρυθμιζόμενα -ως προς τη γωνία των καυσαερίων- πτερύγια, συμμετρικά και περιφερειακά μέσα στο κέλυφος του στροβίλου ακριβώς πριν τη φτερωτή. Μετακινώντας τα πτερύγια αυτά, αλλάζει τόσο η συνολική διατομή που έχουν τα καυσαέρια για να περάσουν όσο και η γωνία πρόσπτωσης των καυσαερίων αρχικά στα πτερύγια του VGT και κατά συνέπεια και στα πτερύγια της φτερωτής του στροβίλου. Τα εσωτερικά πτερύγια πρακτικά «αλλάζουν» την αναλογία περιοχής προς ακτίνα (το γνωστό και άκρως σημαντικό λόγο A/R) για να ταιριάζουν με τις στροφές. Στις χαμηλές στροφές, χρησιμοποιείται χαμηλή αναλογία A/R για την αύξηση της ταχύτητας των καυσαερίων και το ταχύτερο σπουλάρισμα. Καθώς οι στροφές ανεβαίνουν, ο λόγος A/R αυξάνεται, αφήνοντας μεγαλύτερη ροή αέρα. Το αποτέλεσμα είναι χαμηλό turbo lag μαζί με ευρεία και ομαλή καμπύλη ροπής.

 

Πλεονεκτήματα:

  • Ευρεία, επίπεδη καμπύλη ροπής. Αποτελεσματική υπερτροφοδότηση σε ένα πολύ ευρύ φάσμα στροφών.
  • Απαιτεί μόνο ένα turbo, αντί για τη χρήση διαδοχικών turbo.

Μειονεκτήματα:

  • Συνήθως χρησιμοποιείται μόνο σε εφαρμογές diesel, όπου τα καυσαέρια έχουν χαμηλότερη θερμοκρασία, ώστε να μην υποστούν ζημιά τα πτερύγια.
  • Για εφαρμογές βενζίνης, το κόστος τους είναι απαγορευτικό, καθώς πρέπει να χρησιμοποιούνται εξωτικά μέταλλα για τη μακροζωϊα και διατήρηση της αξιοπιστίας. Η τεχνολογία αυτή έγινε -ευρέως- γνωστή με το λανσάρισμα της εξωτικής Porsche 911 997 Turbo, όμως οι πρωτεργάτες ήταν τα τζαπόνια της Honda, με το turbo που χρησιμοποίησαν στο Legend 2.0lt V6 Ti.
  1. Μεταβλητός υπερσυμπιεστής Twin-Scroll

Μήπως αυτή ήταν η λύση που περιμέναμε; Το μεγαθήριο που ακούει στο όνομα BorgWarner παρουσίασε το μεταβλητό turbo twin-scroll!

Πλεονεκτήματα:

  • Σημαντικά φθηνότερα (θεωρητικά) από τα VGT, καθιστώντας τα έτσι μία καλή λύση για υπερτροφοδότηση βενζίνης.
  • Παρέχει ευρεία, επίπεδη καμπύλη ροπής.
  • Πιο στιβαρό σχεδιασμό σε σχέση με VGT, ανάλογα με την επιλογή υλικού.

Μειονεκτήματα:

  • Κόστος και πολυπλοκότητα σε σχέση με τη χρήση ενός μόνο turbo ή ενός παραδοσιακού twin scroll turbo.
  • Η τεχνολογία έχει παίξει στο παρελθόν, αλλά δεν …έκατσε.
  1. Quad Turbo

Μπορεί να σκέφτεστε τον …πυρηνικό W16 από τη Bugatti, με τα εξωφρενικά νούμερα απόδοσης τόσο στην Veyron όσο και στη Chiron. Αν αφήσουμε στην άκρη όμως αυτά τα πανάκριβα super-toys for rich boys, υπάρχει αντίστοιχη εφαρμογή σε πιο γήινα επίπεδα χρημάτων; Εδώ μπήκε στο παιχνίδι η BMW με τον νέο diesel B57 quad turbo. Αν έχετε διαβάσει μέχρι εδώ, πρέπει να έχετε παρατηρήσει κάτι: Μικρότερα τούρμπο για δύναμη χαμηλά και μεγαλύτερα για επιπλέον άλογα στις μεγάλες στροφές, αν δεν το ανθιστήκατε ακόμα, …καληνύχτα Κεμάλ που έλεγε κι ο Μαμαντού! Το σετάκι της BorgWarner για τη BMW αποτελείται από δύο μικρούς και δύο μεγάλους σαλίγκαρους, τοποθετημένους στον 3λιτρο 6κύλινδρο εν σειρά της μάρκας. Στη διεθνή αγορά, το πακέτο βρίσκεται κάτω από το καπό των 550d, 750d και των θηρίων X5-X6-X7 M50d και αποδίδει 400 άλογα, με 77,5kgm ροπής από τις 2.000rpm!!!

  1. Διαδοχικά Turbo

Ο διαδοχικός υπερσυμπιεστής αναφέρεται σε μία λογική όπου το μοτέρ χρησιμοποιεί ένα τούρμπο για τις χαμηλότερες στροφές και ένα δεύτερο -ή και τα δύο- σε υψηλότερες στροφές. Αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται για να ξεπεράσει τον περιορισμό των μεγάλων υπερσυμπιεστών που παρέχουν ανεπαρκή ώθηση σε χαμηλές στροφές. Από την άλλη πλευρά, οι μικρότεροι σαλίγκαροι είναι αποτελεσματικοί σε χαμηλές στροφές (όταν υπάρχει λιγότερη κινητική ενέργεια στα καυσαέρια), αλλά δεν είναι σε θέση να παρέχουν την ποσότητα των αερίων που απαιτούνται σε υψηλότερες στροφές. Επομένως, τα διαδοχικά συστήματα παρέχουν έναν τρόπο μείωσης του turbo lag, χωρίς να υστερεί η απόδοση ισχύος σε ψηλές στροφές. Το σύστημα είναι διατεταγμένο έτσι ώστε ένας μικρός (πρωτεύων) υπερσυμπιεστής να παίζει ενώ το μοτέρ λειτουργεί σε χαμηλές στροφές και καθώς αυξάνονται οι στροφές, μία μικρή ποσότητα καυσαερίων διοχετεύεται στον μεγαλύτερο (δευτερεύοντα) υπερσυμπιεστή, για να τον «ανεβάσει» κοντά στην ταχύτητα λειτουργίας του. Στη συνέχεια, στις ψηλές στροφές, όλα τα καυσαέρια κατευθύνονται στον μεγάλο (δευτερεύοντα) υπερσυμπιεστή, έτσι ώστε να παρέχει την αυξημένη πίεση και ποσότητα αέρα που απαιτούνται από τον κινητήρα στις ψηλές στροφές. Το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής που χρησιμοποίησε διαδοχικό υπερσυμπιεστή ήταν η Porsche 959 (1986-1988), η οποία χρησιμοποιούσε διαδοχικά διπλά τούρμπο στο επίπεδο 6κύλινδρο μοτέρ της. Τα διαδοχικά τούρμπο μπορούν επίσης να είναι περισσότερα από δύο, όπως στον 6κύλινδρο ντίζελ BMW N57S (2012-2017), που χρησιμοποιεί τρεις διαδοχικούς στροβίλους.

  1. Ηλεκτρικά Turbo

Βάλτε ένα δυνατό, ηλεκτρικό μοτέρ στην ιστορία μας και σχεδόν ως …δια μαγείας, εξαφανίζονται όλα τα αρνητικά ενός τούρμπο. Πώς είπατε…turbo lag; Ανεπάρκεια ποσότητας καυσαερίων; Κανένα πρόβλημα. Ποιος είπε ότι δεν αποδίδει χαμηλά το τούρμπο; Παραμύθι πια! Μπορεί να μιλάμε για το μέλλον του σαλίγκαρου που σίγουρα θα έχει και κάποια μειονεκτήματα, αλλά προς το παρόν μάλλον καλά φαίνονται τα πράγματα.

Πλεονεκτήματα:

  • Συνδέοντας απευθείας έναν ηλεκτροκινητήρα στο συμπιεστή, το turbo lag και τα ανεπαρκή καυσαέρια μπορούν να εξαλειφθούν ουσιαστικά λειτουργώντας τη φτερωτή με ηλεκτρική ισχύ όταν χρειάζεται.
  • Συνδέοντας έναν ηλεκτροκινητήρα στην τουρμπίνα εξαγωγής, μπορεί να γίνει ανάκτηση ενέργειας (όπως γίνεται στην F1).
  • Ομοιόμορφη ροπή για ένα πολύ μεγάλο φάσμα στροφών.

Μειονεκτήματα:

  • Κόστος και πολυπλοκότητα, καθώς πρέπει να λάβουμε υπόψη τον ηλεκτροκινητήρα και να διασφαλίσουμε ότι παραμένει σε λογική θερμοκρασία για την αποφυγή προβλημάτων αξιοπιστίας. Αυτό ισχύει και για τα ηλεκτρονικά παρελκόμενα.
  • Η συσκευασία και το βάρος είναι ένα ζήτημα, ειδικά με την προσθήκη μίας μπαταρίας, η οποία θα είναι απαραίτητη για την παροχή επαρκούς ισχύος στο turbo όταν απαιτείται.
  • Τα VGT ή τα twinscrollμπορούν να προσφέρουν παρόμοια οφέλη (αν και όχι στο ίδιο επίπεδο) με σημαντικά χαμηλότερο κόστος.

Γέμισε ο τόπος σαλιγκάρια αυτόν τον μήνα… Προσωπικά, προτιμώ το ηλεκτρικό τούρμπο, αλλά το πρόβλημα είναι τα ισχυρά ηλεκτρικά μοτέρ και το πολύ ρεύμα που τρώνε. Πού θα πάει, όμως, δεν θα βελτιωθούν τα πράγματα με τον καιρό; Μικρότερες και πιο ισχυρές μπαταρίες, πιο αποδοτικά ηλεκτρικά και ποιος ξέρει, μπορεί να αλλάξει τελείως το τοπίο. Εμείς σε κάποιο ταβερνείο κάπου εδώ γύρω θα βολτάρουμε και θα περιμένουμε εξελίξεις!    

 

Αρθρογράφος

 

Δυναμικό ξεκίνημα για την Cupra EKS

Δυναμικό ξεκίνημα για την Cupra EKS

Δυναμικό ξεκίνημα για την Cupra EKS, καθώς η ομάδα κατακτά το βάθρο στον εναρκτήριο γύρο του  FIA ETCR στο Pau.