Turbokompressor

Turbokompressori välisvaade

Turbokompressor (ka turboülelaadur või kõnekeeles turbo) on seade, mida kasutatakse sisepõlemismootori võimsuse ja kasuteguri tõstmiseks, surudes silindritesse rohkem õhku, kui mootor suudaks tavarõhul imeda. Erinevalt mehaanilisest ülelaadurist (supercharger), mida käitatakse mootori väntvõllilt, saab turbokompressor tööks vajaliku energia mootori heitgaaside jääkenergiast.

Tööpõhimõte

Turbokompressori töö põhineb heitgaaside vooluenergial. Mootori silindritest väljuvad kuumad heitgaasid suunatakse läbi turbiini koja, kus need panevad pöörlema turbiinitiiviku. Kuna turbiin on ühisel võllil kompressori tiivikuga, hakkab ka viimane suure kiirusega pöörlema, imedes välisõhku, surudes selle kokku ja suunates mootori sisselaskekollektorisse.

Suurema õhuhulga silindrisse toimetamine võimaldab põletada rohkem kütust, mis suurendab mootori poolt tehtavat tööd ilma mootori töömahtu kasvatamata.

Eelised ja puudused

Eelised:

• Suurem kasutegur: Kasutatakse ära energia, mis muidu väljuks heitgaasidega soojusena. Tänapäevaste turbomootorite kasutegur võib ületada 40%.
• Võimsuse ja kaalu suhe: Väiksem ja kergem turbomootor võib arendada sama palju võimsust kui märksa suurem vabalthingav mootor (nn downsizing).
• Pöördemoment: Turboülelaadimine parandab oluliselt mootori pöördemomenti madalatel ja keskmistel pööretel.

Puudused:

• Turboviivitus (turbo lag): Viivitus gaasipedaali vajutamise ja turbo rõhu tekkimise vahel, kuna turbiin vajab pöörlemiskiiruse ülesvõtmiseks heitgaaside voo suurenemist.
• Termiline koormus: Turbokompressor töötab väga kõrgetel temperatuuridel, mis seab kõrged nõuded materjalidele ja mootoriõli kvaliteedile.

Ehitus ja komponendid

Turbokompressori läbilõige: vasakul (punane) on heitgaaside poolt käitatav turbiin ja paremal (sinine) õhku kokku suruv kompressor.

Turbokompressor koosneb kahest põhiosast, mis asuvad eraldi kodades, kuid on ühendatud ühise võlliga:

1. Turbiin: Muudab heitgaaside energia pöördliikumiseks.
2. Kompressor: Muudab pöördliikumise õhu vooluenergiaks ja rõhuks.

Kaasaegsed turbokompressorid võivad pöörelda kiirusega kuni 250 000 – 290 000 pööret minutis. Sellise kiiruse juures on kriitiline komponent laagrid. Enamasti kasutatakse hüdrodünaamilisi liuglaagreid, kus võll "ujub" õlikihil. Õli täidab nii määrimise kui ka jahutamise funktsiooni, mistõttu on turbomootorite puhul oluline lasta mootoril pärast rasket koormust tühikäigul jahtuda, et vältida õli koksistumist laagrites.

Vahejahuti (Intercooler)

Kuna õhk kuumeneb kokkusurumisel adiabaatiliselt (kuni 150 °C ja enam), muutub see hõredamaks, mis vähendab ülelaadimise efektiivsust. Seetõttu juhitakse suruõhk enne silindrisse jõudmist läbi soojusvaheti ehk vahejahuti. Jahedam õhk on tihedam ja sisaldab rohkem hapnikku, parandades põlemisprotsessi ja vähendades detonatsiooniohtu.

Eristatakse kahte peamist tüüpi:

• Õhk-õhk-vahejahuti (air-to-air): Traditsiooniline lahendus, kus kokkusurutud õhku jahutab läbi radiaatori liikuv välisõhk. See on ehituselt lihtne, kuid nõuab pikka torustikku auto esiosasse.
• Vedelik-õhk-vahejahuti (liquid-to-air): Tänapäeval üha enam leviv lahendus, kus soojus kantakse õhult üle eraldi jahutusvedeliku ringlusele. See süsteem on kompaktsem, võimaldab lühemat sisselasketeed (vähendades turbo lag-i) ja tagab stabiilsema temperatuuri kontrolli erinevates sõidutingimustes.

Ajalugu

Turbokompressori leiutas Šveitsi insener Alfred Büchi, kes sai oma leiutisele patendi 1905. aastal. Esialgu leidsid seadmed kasutust suurtel laevamootoritel ja lennunduses (et kompenseerida õhu hõrenemist suurtel kõrgustel). Autotööstuses muutusid turbod laiatarbekaubaks 1970. ja 1980. aastatel, esmalt diiselmootoritel ja hiljem bensiinimootoritel.