Οι υπέρ-τροφοδοτούμενοι κινητήρες έχουν δεκαετίες ιστορίας – ας κάνουμε ένα ταξίδι σε αυτή, παρουσιάζοντας τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά και μερικές ενδιαφέρουσες πληροφορίες για τον τρόπο λειτουργίας τους.

Ο πρώτος υπερσυμπιεστής (turbocharger)
Ο υπερτροφοδότης είναι ένα από τα πιο διαδεδομένα τεχνικά στοιχεία στους σύγχρονους θερμικούς κινητήρες, τόσο στους πετρελαιοκινητήρες όσο και στους βενζινοκινητήρες. Ο Ελβετός Alfred Buchi κατοχύρωσε την πατέντα του πρώτου συστήματος το 1905, ενώ οι πρώτες εμφανίσεις σε αυτοκίνητα παραγωγής έγιναν τη δεκαετία του ’60 - συγκεκριμένα στα αμερικανικά Oldsmobile Jetfire F85 και Chevrolet Corvair Monza το 1962. Η χρήση τους επεκτάθηκε σημαντικά τις δεκαετίας του ’70 και του ’80, πρώτα σε σπορ μοντέλα και μετά σε μικρά αυτοκίνητα υψηλών επιδόσεων όπως τα Fiat Uno Turbo και Renault 5 Turbo, ώσπου στην εποχή του downsizing έγινε σχεδόν αναπόσπαστο στοιχείο στους σύγχρονους κινητήρες. Ο κύριος ρόλος του είναι να αυξάνει την απόδοση και τις επιδόσεις με την ίδια χωρητικότητα κυλίνδρων.

Τι είναι ο υπερσυμπιεστής (turbocharger)
Είναι ένα σύστημα υπερτροφοδότησης που αξιοποιεί την ενέργεια των καυσαερίων για να συμπιέσει τον αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα. Έτσι αυξάνεται η ποσότητα οξυγόνου στη διαδικασία καύσης, βελτιώνοντας τόσο την ισχύ όσο και τη ροπή.

Πώς λειτουργεί ο turbo κινητήρας
Ο υπερτροφοδότης αποτελείται από δύο πτερύγια συνδεδεμένα με έναν άξονα: την τουρμπίνα (κινούμενη από τα καυσαέρια) και τον συμπιεστή (που διοχετεύει πεπιεσμένο αέρα στους κυλίνδρους). Τα καυσαέρια, αφού εξέλθουν από τον θάλαμο καύσης, κατευθύνονται στην τουρμπίνα, η οποία περιστρέφεται και θέτει σε λειτουργία τον συμπιεστή. Αυτός απορροφά αέρα, τον συμπιέζει και τον στέλνει στο intercooler, έναν ψύκτη που μειώνει τη θερμοκρασία του αέρα ώστε να γίνει πιο πυκνός. Στη συνέχεια, ο πεπιεσμένος αέρας καταλήγει στους αυλούς εισαγωγής: περισσότερος αέρας σημαίνει περισσότερη καύση καυσίμου και συνεπώς περισσότερη ροπή και ισχύ σε σχέση με έναν ατμοσφαιρικό κινητήρα ίδιου κυβισμού.

Η διαφορά με τον μηχανικό υπερσυμπιεστή (compressor)
Ο turbo αξιοποιεί τα καυσαέρια, ενώ ο μηχανικός υπερσυμπιεστής κινείται μηχανικά από τον στροφαλοφόρο άξονα, προσφέροντας καλύτερη απόκριση στο γκάζι. Με μειονεκτήματα την υψηλότερη κατανάλωση και χαμηλότερη ενεργειακή απόδοση σε σχέση με τον turbo, που όμως παρουσιάζει turbo lag.

Το turbo lag
Η ύπαρξη turbo συνεπάγεται μια μικρή καθυστέρηση στην απόκριση του κινητήρα στο πάτημα του γκαζιού. Αυτό είναι το γνωστό turbo lag: η καθυστέρηση που απαιτείται ώστε η τουρμπίνα να φτάσει την ταχύτητα περιστροφής που χρειάζεται για να δώσει αποτελεσματική πίεση υπερπλήρωσης.

Turbo μεταβλητής γεωμετρίας (VGT)
Για τον περιορισμό του turbo lag εισήχθη η μεταβλητή γεωμετρία: κινητές πτέρυγες μέσα στο κέλυφος της τουρμπίνας που αλλάζουν θέση ανάλογα με τη ροή των καυσαερίων, βελτιώνοντας την απόκριση στις χαμηλές στροφές.

Ηλεκτρικό turbo ή e-turbo
Μια άλλη λύση είναι το ηλεκτρικό turbo, που περιλαμβάνει έναν ηλεκτροκινητήρα συνδεδεμένο στον άξονα. Αυτός ενεργοποιείται με το πάτημα του γκαζιού, μέχρι να επαρκούν τα καυσαέρια για να περιστρέψουν την τουρμπίνα.

Intercooler
Το intercooler ψύχει τον συμπιεσμένο αέρα πριν μπει στους κυλίνδρους, βελτιώνοντας την απόδοση και τη διάρκεια ζωής του κινητήρα. Σε σπορ αυτοκίνητα συναντάμε συχνά υδρόψυκτα intercoolers (πιο αποδοτικά, αλλά πιο ακριβά και βαριά) αντί για αερόψυκτα.

Turbo μονό ή πολλαπλό
Οι κινητήρες μπορεί να έχουν διπλά turbo (biturbo) – είτε παράλληλα με δύο ίδια μεγέθη είτε σε σειρά με διαφορετικά μεγέθη. Υπάρχουν ακόμα και τριπλά συστήματα (tri-turbo). Στόχος είναι να επεκταθεί το εύρος λειτουργίας, με μικρό turbo για άμεση απόκριση στις χαμηλές στροφές και μεγαλύτερο turbo για δύναμη στις υψηλές.

Αξιοπιστία και συντήρηση
Ο υπερτροφοδότης είναι ένα ευαίσθητο εξάρτημα: δουλεύει σε θερμοκρασίες πάνω από 900°C και σε στροφές που ξεπερνούν τις 200.000/λεπτό. Με σωστή συντήρηση μπορεί να ξεπεράσει τα 200.000 χιλιόμετρα. Είναι απαραίτητο να χρησιμοποιείται καλό λιπαντικό λάδι και αυτό να αλλάζει τακτικά. Επίσης, μετά από… έντονη χρήση, δεν πρέπει να σβήνουμε αμέσως τον κινητήρα, για να προλάβει να κρυώσει το turbo.

Κατανάλωση: turbo vs ατμοσφαιρικός
Δεν υπάρχει απόλυτη απάντηση, καθώς εξαρτάται από την αρχιτεκτονική και τον κυβισμό. Ωστόσο, συχνά ένας σύγχρονος turbo καταναλώνει λιγότερο από έναν ατμοσφαιρικό ίδιας ισχύος. Για παράδειγμα, ένας 1.4 turbo με 150 ίππους έχει περισσότερη ροπή στις χαμηλές στροφές και χαμηλότερη κατανάλωση σε σχέση με έναν 2.0 ατμοσφαιρικό 150 ίππων, επειδή η υψηλή ροπή επιτρέπει την οδήγηση με χαμηλότερες στροφές κινητήρα.