Ahdin määrää tahdin

Ahdin on laite, jolla puristetaan ilmaa polttomoottorin palotiloihin, mäntämoottorissa sylintereihin. Ahdin on siis eräänlainen kompressori. Ahtimella saadaan moottoriin enemmän happea, joten polttoainetta voidaan polttaa enemmän ja moottorin teho kasvaa. Ahdin voi olla joko mekaaninen ahdin, joka saa voimansa kampiakselilta, tai turboahdin, joka saa voimansa pakokaasuista. Joissain tapauksissa ahtimeksi luokitellaan myös ns. resonanssiahdin, jossa imuilman paineenvaihtelu käytetään hyväksi. Mekaanisessa ahtimessa hyötysuhde on paljon pienempi kuin hukkaan menevästä pakokaasuista käyttövoimansa saavalla turboahtimella. Mekaanisessa ahtimessa on kuitenkin se etu, että niin sanottua "turboviivettä", eli sitä milloin turbo lähtee mukaan ja alkaa ahtaa ilmaa, ei ole.

Turbo

Turbo eli turboahdin eli pakokaasuahdin on polttomoottorin tehoa lisäävä ahdin, joka saa käyttövoimansa moottorista purkautuvista pakokaasuista. Ahtimen keskeisiä osia ovat kompressori ja turbiini. Turbiinilla tuotetaan käyttövoima kompressorille, joka ahtaa ilmaa moottoriin. Turboahtimia käytetään nostamaan polttomoottorin tehoa ja parantamaan dieselmoottorin hyötysuhdetta. Turboja asennetaan usein henkilö- ja kuorma-autoihin. Turbot ovat käyttökelpoisia sekä pienehköissä moottoripyörien ottomoottoreissa, että valtavissa laivojen kaksitahtidieseleissä. Turboja käytetään, koska ne lisäävät ottomoottorin teho-painosuhdetta ja sen lisäksi parantavat dieselmoottorin hyötysuhdetta. Turbojen etuna mekaanisiin ahtimiin verrattuna on se, että ne hyödyntävät muutoin hukkaan menevää pakokaasun energiaa.

Turboahtimen keksi Sveitsiläinen insinööri Alfred Büchi, joka sai patentin keksinnölleen vuonna 1905.

Turboahtimen ominaisuudet

Turboahtimen ominaisuuksia ovat viive, paineentuottokyky, hyötysuhde ja virtausominaisuudet. Viive on aika, joka ahtimelta kuluu ahtopaineen nostamiseen moottorin pyörimisnopeuden mukaiselle tasolle. Viive johtuu ahtimen pyörivien osien hitausmomentista sekä siitä, että putkistot on täytettävä ilmalla. Viiveeseen voidaan vaikuttaa ahtimen koolla, pyörivien osien hitausmomenttia pienentämällä, sekä muuttamalla koteloiden muotoja. Tärkein mittari ahtimen viiveen ja huipputuoton suhteesta on A/R-suhde. Pienellä A/R-suhteella saavutettava nopea kiihtyvyys kostautuu huippukierroksilla ahtimen aiheuttamana vastuksena. Suurella A/R-suhteella taas kiihtyminen hidastuu, mutta pumppausteho huippukierroksilla nousee. Hyötysuhde, virtausominaisuudet ja paineentuottokyky riippuvat ahtimen muotoilusta ja suunnitelussa tehdyistä ratkaisuista. Ahtimen ominaisuuksia kuvataan ominaiskäyrästöillä.

Turboahtimen rakenne ja toiminta

Turboahtimen siipipyörät, turbiini ja kompressori, on kiinnitetty samaan akseliin ja ne sijaitsevat omissa koteloissaan joita nimitetään turbiini- ja kompressorikoteloiksi tai -pesiksi. Akseli on laakeroitu ahtimen runkoon yleensä kuula- tai liukulaakereilla. Suuren pyörimisnopeuden vuoksi tarvitaan laakereille jatkuva voitelu jota varten tarvitaan kanavat voiteluöljylle. Voitelun tarkoituksena on sekä pitää kitka laakerissa pienenä että jäähdyttää laakeria. Normaalisti akseli liukuu öljykalvon päällä, jolloin kitka ja kuluminen ovat pienimmillään. Jos turbossa on lisäksi vesijäähdytys, tarvitaan kanavat myös jäähdytysnesteelle. Ahtimen kotelot ovat yleensä irrotettavissa sen rungosta ja käännettävissä eri asentoihin erilaisia asennustilanteita varten. Kotelot ja siipipyörät ovat myös usein korvattavissa erikokoisilla, jotta saavutettaisiin halutut ominaisuudet.

Turboahdin liitetään tavallisesti imusarjaan, pakosarjaan ja voitelujärjestelmään. Joissakin turboissa on mahdollista käyttää myös nestejäähdytystä. Suurella paineella ja nopeudella moottorista purkautuvat pakokaasut pyörittävät turbiinipyörää, joka pyörittää akselin välityksellä kompressoripyörää. Ahtimen kompressori ahtaa ilmaa moottoriin. Moottorin teho kasvaa, koska sylinteriin saadaan enemmän palamiskelpoista polttoaineen ja ilman seosta.

Turbon lisälaitteet

Moottoritehoa voidaan nostaa jäähdyttämällä ahtoilmaa. Kylmää ilmaa saadaan mahtumaan sylinteriin suurempi määrä, minkä ansiosta polttoaineen syöttöä voidaan lisätä ja näin saavuttaa suurempi teho. Kylmän ilman ansiosta moottori ei nakuta yhtä herkästi ja ahtopainetta voidaan nostaa korkeammalle ilman nakutuksen vaaraa, mikä jälleen johtaa moottoritehon kasvuun. Yksi ratkaisu on käyttää ahtoilmanjäähdytintä, joka on lämmönvaihdin, joka siirtää ahtoilman lämpöä ulkoilmaan tai vesikiertoon. Toinen ratkaisu on ruiskuttaa ahtoilman sekaan vettä, tai jotain muuta nestettä, joka sitoo lämpöä ilmasta. Tämä ratkaisu rajoittuu epäkäytännöllisyytensä vuoksi lähinnä erikoisratkaisuihin. Esim. Saab 99 Turboon sai alkuaikoina vesiruiskutuksen lisävarusteena, koska ahtoilman jäähdytin ei kokonsa vuoksi sopinut 99 mallin korirakenteeseen.

Hukkaportti on venttiili, joka päästää osan pakokaasuista pakosarjasta turbiinin ohitse suoraan pakoputkeen. Pakokaasua ohjataan turbiinin ohitse, jotta ahtimen pyörimisnopeus ja ahtopaine eivät nousisi liian suuriksi. Hukkaportin vaihtoehtona voidaan käyttää ahdinta jonka siivet ovat säädettäviä.

Mekaaninen ahdin

Mekaaninen ahdin on kone, joka ahtaa ilmaa polttomoottorin sylinteriin/sylintereihin ja se saa käyttövoimansa moottorin kampiakselilta, yleensä hihnan välityksellä, josta se on saanut myös nimen remmiahdin. Ahtamatonta moottoria kutsutaan vapaasti hengittäväksi.

Mekaanisen ahtimen etuna on viiveetön toiminta ja se toimii heti tyhjäkäynnistä alkaen, mutta haittana turboahdinta huonompi hyötysuhde, sillä mekaaninen ahdin ottaa käyttövoimansa suoraan moottorilta eikä hyödynnä muutoin hukkaan menevää pakokaasun liike-energiaa kuten turboahdin.

Kompressori

Kompressori tai ahdin on mekaaninen laite, jolla kaasun tai höyryn painetta lisätään sen tilavuutta pienentämällä. Puristusprosessi vaatii aina työn tekemistä ja prosessissa kaasu lämpenee. Puristustyön seurauksena väliaineen entropia kasvaa.

Kompressorityypit

Kompressorit jakautuvat kineettisiin ja syrjäytyskompressoreihin.

Kineettiset kompressorit

Aksiaalikompressoreita käytetään kaasuturbiineissa, lentomoottoreissa ja teollisuuden kaasukompressoreissa, joissa tarvitaan suuria kaasuvirtauksia. Aksiaalikompressorissa kaasu virtaa laitteiston akselin suuntaisesti aerodynaamisesti suunniteltujen siipihilojen avulla. Pyörivää siivistöä, roottoria seuraa aina paikallaan pysyvä siivistö, staattori ja näistä muodostuu kompressorin peräosa, vaihe. Aksiaalikompressorissa saatava kaasun puristus määräytyy vaiheiden mukaan.

Radiaali- tai keskipakokompressoria käytetään turboahtimissa, paineilmakompressoreissa, kylmäkoneissa ja erilaisissa teollisuusprosesseissa.

Syrjäytyskompressorit

* mäntäkompressori
* kalvokompressori
* ruuvikompressori
* Rootin puhallin
* Scroll-kompressori

1920-luvulta lähtien kompressoreja on asennettu auton polttomoottoriin tehon lisäämiseksi. Käyttövoiman se saa moottorista hammashihnan tai hammaspyörien välityksellä sekä pakokaasun välityksellä (turboahdin).