Aluksi on ymmärrettävä, mitä ”viive” on. Kun kuljettaja painaa kaasupoljinta kovaa, moottori ei vastaa ahtimella varustetuissa moottoreissa lineaarisesti kuljettajan vaatimukseen saada ”lisää tehoa”. Sen sijaan se lisää vääntöä, kun pakokaasuvirrat kiihtyvät. Kun nämä saavuttavat kriittisen kierrosluvun turboahtimen tehokkaan työntövoiman aikaansaamiseksi, moottori antaa yhtäkkiä äkillisen annoksen ”ylimääräistä” vääntöä.

Korkeasti turboahdettujen moottoreiden todellinen ongelma on kaasuvasteajat

Tätä aikaa, joka kuluu suuremman tehon vaatimisen ja ”potkun” saamisen välillä, kutsutaan viiveeksi.

Viive johtuu turboahdinjärjestelmän inertiasta. Kuten ehkä jo tiedätkin, turboahdin käyttää pakosarjasta poistuvien palamiskaasujen energiaa turbiinin pyörittämiseen. Tämä turbiini on yhteydessä toiseen turbiiniin, joka puristaa moottorin imuaukkoon tulevaa ilmaa.

Koska näillä kahdella turbiinilla on huomattava massa, niiden kiihdyttäminen ja jarruttaminen ei ole millisekuntien kysymys. Lisäksi niillä on optimaalinen toiminta-alue, jonka alapuolella ne eivät tuota tehokasta ”paineenkorotusta”.

Tämä tarkoittaa, että kun turboahtimen turbiini pyörii alhaisilla kierrosluvuilla, se ei kykene puristamaan ilmaa imusarjaan. Koska moottori on suunniteltu turboahdetuksi, tehokas puristussuhde palotilassa, kun turbo ei puhalla, on liian alhainen, eikä bensiiniä voida siksi ruiskuttaa täydellä kaasulla tai saada suuria tehoannoksia.

Kun kuljettaja painaa kaasua voimakkaasti, käynnistyy ketjureaktio: kaasuläppä aukeaa ja moottoriin tulevan ilman ja bensiinin määrä kasvaa. Kun ilmaa ja polttoainetta on enemmän, pakokaasut ja niiden energia lisääntyvät, joten ne pyörittävät turboahtimen turbiinia hieman nopeammin. Tämä puristaa imuilmaa hieman enemmän, mikä tuottaa enemmän ilmavirtaa palotilaan, lisää tehoa, lisää energiaa pakokaasuihin, mikä pyörittää turboahtimen turbiinia entisestään… Ja niin edelleen, kunnes saavutetaan kriittinen turbon kierrosluku, jolla pystytään vastaamaan kuljettajan vaatimuksiin.

Kuljettajalle on elintärkeää pystyä hallitsemaan oikealla jalalla ”millimetrin tarkkuudella” moottorin vastetta pyörille lähetettävän vääntömomentin muodossa, jotta hän pystyy hallitsemaan auton kallistelua mutkissa, pudottamaan takapyörää halutessaan tai korjaamaan ajolinjoja.

Tämä kerrannaisvaikutus johtaa siihen, että kuljettajan on astuttava kaasulle jopa kaksi sekuntia ennen kuin hän tarvitsee vääntömomenttia pyöriin, ennakoiden, mitä edessä on, eliminoidakseen viiveen vuoksi menetetyn ajan, samalla kun turboahdinta ladataan.

Tämä turbomoottoreiden merkittävä haittapuoli oli yksi suurista päänvaivoista kilpatiimeille, jotka tunnustivat turbon avulla saatavan ylimääräisen moottorin erityistehon, mutta joiden oli kuitenkin lievennettävä auton hallintaan kohdistuvia kielteisiä vaikutuksia.

Ensimmäisenä askeleena moottorin vasteen parantamisessa oli turboahtimien koon pienentäminen inertian vähentämiseksi. Oli myös mahdollista leikkiä kaksoisturboilla tai jopa muuttuvalla geometrialla, jotta pystyttiin reagoimaan paremmin koko kierrosalueella.

Mutta vasta vuonna 1994, rallin MM-sarjassa, saavutettiin ”suuri täydellinen ratkaisu”, kun otettiin käyttöön ”bang-bang”, viiveenvastainen järjestelmä vasteajan poistamiseksi.

Miten se toimii?

Kaikki alkaa, kun kuljettaja päästää kaasun irti. Normaaleissa moottoreissa, jotta paineilma ei jatkaisi työntymistään sylintereihin ja estäisi moottorin pidättäytymistä, venttiili vapauttaa paineilman.

Antilag-järjestelmässä imuturbiinista tuleva paineilma ohitetaan suoraan pakosarjaan. Samaan aikaan, vaikka kuljettaja on lopettanut kiihdyttämisen, imusarjan kaasuläppä on edelleen auki (15-20 %), ikään kuin kuljettaja pitäisi kaasua pohjassa.

Mitsubishin WRC-moottorin monimutkainen turboahtimen kaasuputkisto

Mutta moottorin elektroninen ohjausyksikkö muuttaa moottorin hallintaa. Se viivyttää sytytystulpan syttymispistettä mahdollisimman paljon. Näin ollen seos syttyy, kun moottorin mäntä on jo paisunta-ajossaan. Tämä aiheuttaa sen, että suurin osa palamisen energiasta kulkeutuu sylinterin läpi pakokaasutahdissa, joka lähettää palavan seoksen ja kaiken energian kaasuturbiiniin. Lisäksi nämä kaasut sekoittuvat imuturbiinista pakosarjaan tulevan korkeapaineisen ilman kanssa.

Tällöin turboahtimessa on edelleen energiaa suurnopeuksisten ja korkealämpöisten pakokaasujen muodossa, jotka jatkavat korkeapaineisen ilman puristamista.

Vuonna 1994 viiveenestojärjestelmää alettiin käyttää WRC-vaiheissa

Tietyllä tavalla tämä viiveenestojärjestelmä vastaa turboahtimen käyttöä lentokoneen moottorin kaltaisena termisenä turbokoneena.

Koska turboahtimen tuottama paine puhdasta ilmaa varten pysyy korkeana, kun kuljettaja painaa kaasua, ohitusventtiili katkaisee paineilman virtauksen pakokaasuputkistoon ja siirtyy tarjoamaan sitä takaisin imukanavaan, jolloin siellä syntyy lähes välittömästi monipuolista painetta.

Tämä ratkaisu vähentää viiveen niin pieneksi, että kuljettaja ei huomaa sitä. Vasta elektronisen moottorinohjauksen ja turboahtimen ilmavirtoja säätelevien venttiilien hienosäädön avulla on päästy tähän tilanteeseen, jossa moottorit ovat tästä toimintaperiaatteesta huolimatta hyvin laihoja.

Mutta miksi sitä ei käytetä maantieajoneuvoissa?

Se ei ole maantieajoneuvoon sopiva järjestelmä

On useita hyviä syitä siihen, miksi viiveenestojärjestelmät eivät ole hyvä ajatus maantieajoneuvossa. Ensimmäinen syy on se, että polttoainetta poltetaan vielä silloin, kun moottori on tyhjäkäynnillä, joten tällaisen moottorin polttoaineenkulutus on huomattavasti korkeampi kuin tavanomaisen moottorin.

Toinen syy on se, että kaasujen polttaminen pakosarjassa eikä polttokammiossa synnyttää valtavaa lämpörasitusta turboahtimen kaasuturbiinille, mikä vaikuttaa kielteisesti sen luotettavuuteen. Kolmas syy on se, että epäpuhtauspäästöt lisääntyvät, koska polttoaineen polttaminen puristustahdin optimaalisen pisteen ulkopuolella on tehotonta.

Ja neljäs syy on se, että katuautoissa, joissa käytetään halkaisijaltaan pienempiä turboahtimia, joissa on kaksi imuaukkoa ja joissa on mahdollista käyttää muuttuvaa geometriaa (turboahtimissa ja joissakin tietyissä bensiinimoottoreissa), tällainen järjestelmä olisi turha.

Valitettavasti FIA kielsi kokeilut muuttuvan geometrian turbiineilla, jotka olisivat luultavasti tehneet tällaiset viiveenestojärjestelmät tarpeettomiksi WRC:ssä ja WTCC:ssä käytetyssä 1,6-litraisessa ”maailmanmoottorissa”, ja se on kieltänyt ne myös tulevissa F1-moottoreissa. Tieliikenteessä käytettävien autojen hyötyjä, jotka voitaisiin saavuttaa kehittämällä bensiinimoottoreihin vaihtelevan geometrian omaavia turbiineja, ei siis pystytä vakiinnuttamaan kilpailussa. FIA:n juttuja.

Hyvä uutinen on se, että F1:n sähkömoottoriin kytketyt turboahtimet pystyvät toimimaan viiveen eliminoimiseksi ilman, että turvaudutaan bang-bang-viiveenestojärjestelmiin, ja tätä ratkaisua voitaisiin soveltaa maantieautoihin. Mutta puhumme siitä jonain toisena päivänä.

Raportti julkaistiin alun perin joulukuussa 2013, pelastettu Pistonudosille
.