Know How: Turbo Part IX

Το CHRAμε ή χωρίς την NHRA!

Το ξέρουμε ως «cartridge» στην ελληνική κοντροονοματολογία, στην πραγματικότητα όμως τυπικά ως «cartridge» έξω ονομάζουν μόνο το φορέα-κέλυφος των εδράνων του άξονα του τούρμπο. Αυτό που εμείς λέμε «cartridge» ανεξαρτήτως έδρασης, δηλαδή το κεντρικό κέλυφος, που στεγάζει τον άξονα του τούρμπο ανάμεσα στο συμπιεστή και το στρόβιλο, ονομάζεται γενικώς «Center hub rotating assembly – CHRA». Με άλλα λόγια και όπως θα δούμε, το CHRA περιλαμβάνει μέσα του και το cartridge των ρουλεμάν (αν υπάρχουν ρουλεμάν), ενώ παλιότερα και μιλώντας μόνο για έδραση με κουζινέτα, το CHRA ήταν το ίδιο το cartridge, οπότε σε αυτήν την περίπτωση, ναι, ουσιαστικά CHRA= cartridge. Βασικό «συστατικό» του CHRA λοιπόν είναι η έδραση του άξονα του τούρμπο (γι’ αυτό και ονομάζεται και «κέλυφος εδράσεως – bearing housing»), η οποία και θα επιτρέπει στον άξονα με τις φτερωτές να γυρίσει ανεμπόδιστα στις κανα-δυό εκατοντάδες χιλιάδες rpm επιστροφής, που είδαμε, με την ελάχιστη δυνατή τριβή αντίστασης. Οι δύο βασικοί τύποι έδρασης, που υπάρχουν και που θα δούμε σήμερα, είναι είτε του τύπου αξονικού+ακτινικών κουζινέτων («υδροδυναμικά έδρανα ολίσθησης» ή «έδρανα τριβής»), είτε με ρουλεμάν («έδρανα κύλισης» ή «ένσφαιροι τριβείς»), ενώ σε κάθε περίπτωση αυτά λιπαίνονται μέσω ειδικής παροχής λαδιού υπό πίεση από το κύριο κύκλωμα λίπανσης του κινητήρα: αυτός, η λίπανση του άξονα, είναι ο δεύτερος κύριος ρόλος του κεντρικου κελύφους του CHRA, με την οποία λίπανση και τα παρελκόμενά της -εντός και εκτός του τούρμπο- θα ασχοληθούμε τον επόμενο μήνα. Τέλος, τρίτος βασικός και τελευταίος ρόλος του κεντρικού κελύφους είναι η (σε αντίθεση με τη λίπανση) προαιρετική ψύξη του με ψυκτικό από το αντίστοιχο κύκλωμα ψύξης του κινητήρα: και εδώ το κεντρικό κέλυφος έχει το αντίστοιχο ζεύγος παροχής εισόδου-εξόδου ψυκτικού. Σκοπός του ψυκτικού δεν είναι να ψύξει τον άξονα καθαυτόν απευθείας, αλλά να ψύξει το λιπαντικό και έτσι να αποφύγουμε το γνωστό «καρβούνιασμά» («οπτανθρακοποίηση» για τους της καθαρευούσης!) του πάνω στον καυτό άξονα. Και την ψύξη του τούρμπο θα την δούμε σε επόμενη συνέχεια, οπότε σήμερα θα επικεντρωθούμε στον πρώτο –προαναφερθέντα- ρόλο, την έδραση και τι φέρει μαζί του καθένας από τους τύπους: είναι όντως τα ρουλεμανάτα τούρμπο καταλληλότερα για υπερ-υψηλές rpm και θερμοκρασίες του άξονα, επιταχύνοντάς τον ευκολότερα και μείωνοντας επομένως ταυτόχρονα το turbo lag ..?

Το σκέτο κεντρικό κέλυφος

Το εξωτερικό κομμάτι του CHRA-cartridge, που περικλύει την όποια έδραση και που βλέπουμε ανάμεσα στα δύο κελύφη των φτερωτών, είπαμε ότι είναι το θεμέλιο του τούρμπο δομικά, αφού πάνω του έρχονται και κουμπώνουν κυριολεκτικά τα πάντα. Παραδοσιακά φτιαγμένο από χυτοσίδηρο/μαντέμι (ακόμα και σε CHRA επιπέδου WRC, λόγω αμετάβλητης συμπεριφοράς σε θερμική καταπόνηση) παλιότερα, σε ειδικές εφαρμογές μόνο, από αλουμίνιο, ουσιαστικά είναι ταυτόχρονα αερο- και ελαιόψυκτο και προαιρετικά, όπως αναφέραμε, για τις αυτοκινητιστικές εφαρμογές και υδρόψυκτο επιπροσθέτως. Όλα τα «μικρά» εξαρτήματα του τούρμπο, όπως όλα τα άκρως σημαντικά μύρια στεγανοποιητικά τόσο υπέρθερμων αερίων όσο και λιπαντικού, όπως επίσης και θερμομονωτικές διατάξεις μεταξύ στροβίλου και λαδιού, όλα βρίσκονται και ανήκουν εδώ στο εξωτερικό κεντρικό κέλυφος. Μορφολογικά, όπως μπορεί καλύτερα διακρίνει κάποιος στα συνοδευτικά σχήματα, μιλάμε για μία κωνική διατάξη μεταβλητής διατομής κατά μήκος του άξονά της, όπου τυπικά, στο άκρο με τη μεγαλύτερη διάμετρο, έχουμε το πίσω μέρους του εσωτερικού του κελύφους του συμπιεστή, δηλαδή τη μία από τις δύο επιφάνειες, που αποτελούν το διαχύτη του. Αφαιρώντας τώρα τελείως τον άξονα από το κέλυφος και κοιτώντας τον από το πλάι, θα δούμε δύο -κατά σειρά μεγέθους- ομόκεντρες οπές στο κέντρο του δίσκου: η μία και μεγαλύτερη είναι η «τυφλή τσέπη» του αξονικού κουζινέτου («360 θρος», που θα δούμε πιο κάτω) και μέσα σε αυτήν -ακόμα μικρότερης φυσικά διαμέτρου- είναι η διαμπερής οπή του cartridge, όπου περνάει ο άξονας είτε διαμέσου του cartridge των ρουλεμάν, είτε με τα κυλινδρικά ακτινικά κουζινέτα σκέτα. Περιφερειακά τώρα του -μεγαλύτερης διαμέτρου αυτού- δίσκου του κελύφους έχουμε πατούρα-αυλάκωση, όπου έρχεται και κουμπώνει το σπειροειδές κέλυφος του συμπιεστή. Πολύ σημαντικός είναι ο προσανατολισμός του εξωτερικού αυτού κελύφους-cartridge: ο άξονας του αγωγού του λαδιού δεν πρέπει να απέχει χονδρικά πάνω από 20 μοίρες από την κατακόρυφο στο μηχανοστάσιο, διαφορετικά μπορεί να λιμνάσει και να διαρρεύσει προς την εξάτμιση ή την εισαγωγή. Από την άλλη πλευρά του κεντρικού κελύφους είναι η «καυτή πλευρά», αυτή που βλέπει προς το στρόβιλο: εδώ τυπικά υπάρχει μία μεταλλική θερμοασπίδα-χούφτα (με οπή φυσικά στο κέντρο για τον άξονα), που έρχεται και καπακώνει το κέλυφος μετά το σημείο που βρίσκεται το πίσω κουζινέτο-ρουλεμάν και το αντίστοιχο στεγανοποιητικό. Πάνω εκεί θα έρθει να καθίσει μετά το πίσω μέρος της φτερωτής του στροβίλου.

Το σύστημα έδρασης εν γένει

Στο πυρήνα-εσωτερικό του cartridge τώρα έχουμε το σύστημα έδρασης του άξονα του τούρμπο. Κοινός άξονας συμπιεστή-στροβίλου σημαίνει ένα και κοινό σύστημα έδρασης φυσικά, ένα που να κάνει πολύ από τη βρώμικη δουλειά... Δεν είναι μόνο να φτάσει τις 100.000, 150.000 ή 200.000 rpm, αλλά και το πως φτάνει εκεί: το στρόβιλο, όπως είδαμε τον προηγούμενο μήνα, δεν τον χτυπάει μία συνεχής ροή καυσαερίων, αλλά παλμοί διαφορετικής εντάσεως και συχνότητας ανάλογα με τη ροπή και τις στροφές του κινητήρα αντίστοιχα κάθε στιγμή, κατάσταση που επιφέρει αντιστοίχως συνεχώς μεταβαλλόμενα ακτινικά και αξονικά φορτία και όλα αυτά υπό πολύ υψηλές θερμοκρασίες και περιβάλλον υψηλών χημικών συγκεντρώσεων σε περίεργες επικαθίσεις από καύσιμα και λιπαντικά. Το τελευταίο, δηλαδή το ακατάλληλο ή πολυκαιρισμένο λάδι, είναι η Νο1 αιτία πρώιμης καταστροφής τούρμπο, αλλά αυτό θα το δούμε σε ξεχωριστή συνέχεια. Ας δούμε λίγο τα φορτία στον άξονα πιο αναλυτικά, καθώς φουσκώνει πίεση το τούρμπο. Τόσο στην πλευρά του συμπιεστή όσο και του στροβίλου, η υπερπίεση αέρα και καυσαερίων επιδρά αντίστοιχα στην «πλάτη» των εκάστοτε δίσκων στήριξης των πτερυγίων της φτερωτής, κάτι το οποίο δημιουργεί αξονικά («θρος» από το thrust) φορτία στον άξονα, τα οποία τείνουν να τον μετακινήσουν αξονικά, όπως ακριβώς μία ελικοειδής οδόντωση γραναζίων δημιουργεί και αξονικά φορτία εκτός από ακτινικά. Όταν η αξονική πίεση στο συμπιεστή είναι μεγαλύτερη από την αξονική στο στρόβιλο, τότε ονομάζεται θετική διαφορική πίεση. Το αντίστροφο, όταν στη διελκυστίνδα δηλαδή υπερισχύει το σπρώξιμο του στροβίλου, έχουμε αρνητική διαφορική πίεση. Υπό «κανονικές» συνθήκες λειτουργίας κινητήρα, π.χ. ήρεμες επιταχύνσεις με μισό γκάζι κτλ., αυτός αποδίδει καλύτερα σε συνθήκες θετικής διαφορικής πίεσης από το τούρμπο του (δηλαδή η εισαγωγή έχει μεγαλύτερες τιμές απόλυτης πίεσης από την εξαγωγή) και όσο ο πρώτος λειτουργεί κοντά στο προκαθορισμένο εύρος απόδοσής του, το τούρμπο είναι ικανό να του την προσφέρει με αυτήν τη «φορά». Τα πράγματα αντιστρέφονται σε συνθήκες σανιδώματος του γκαζιού και κρατήματος της πεταλούδας φουλ ανοιχτής για παρατεταμένα χρονικά διαστήματα, όπως π.χ. σε ένα 400άρι: το τούρμπο τότε βρίσκεται πρακτικά συνεχώς υπό αρνητική διαφορική πίεση, αφού η πίεση υπερπλήρωσης από το συμπιεστή στην εισαγωγή πολύ απλά δεν μπορεί να προλάβει-ακολουθήσει την αντίστοιχη, που αναπτύσσεται και συνεχώς ανεβαίνει στην πλευρά της εξαγωγής/στροβίλου. Αυτό συμβαίνει όσο οι στροφές του κινητήρα ανεβαίνουν σχετικά γρήγορα, δηλαδή με τις πρώτες σχέσεις στο σασμάν: στις μεγαλές του σασμάν, όπου όλες οι μεταβολές γίνονται πιο αργά, ο συμπιεστής ξαναπαίρνει τα ηνία και τραβάει-νικάει αυτός το στρόβιλο. Θετική διαφορική πίεση γενικώς επιθυμούμε τόσο από πλευράς μέγιστης απόδοσης όσο και οικονομίας.

Τα κουζινέτα χωρίς ξεπέτα, ρε Μαριέττα.

Το πλέον κλασσικό-παραδοσιακό σύστημα έδρασης του άξονα των τούρμπο ευρείας παραγωγής είναι το σετ των τριών μπρούτζινων (πιο σπάνια αλουμινένιων) εδράνων ολίσθησης, που αποτελείται από δύο ακτινικά κουζινέτα (δύο για ελαχιστοποίηση των ροπών κάμψης, πολύ παλιότερα-πιο σπάνια με μονό κουζινέτο), δηλαδή δακτυλιοειδή-κυλινδρικά έδρανα, που παραλαμβάνουν-διαχειρίζονται τα ακτινικά φορτία (κάθετα στον άξονα) και το ένα «θρος» / αξονικό, που παίρνει επ’ ώμου τα φορτία από τις αξονικές εναλλαγές θετικής-αρνητικής διαφορικής πίεσης, που περιγράψαμε. Τα δύο ακτινικά έδρανα-κουζινέτα είναι κατά βάση τύπου full floating (πλήρως πλευστά) και ως είθισται, με τα έδρανα ολίσθησης, τα οποία στηρίζουν τη λειτουργία τους σε υδροδυναμικό φιλμ (πάχους που μετριέται σε μικρά..!) λιπαντικού μεταξύ των επιφανειών τρήματος-άξονά τους (εξού και οι τρύπες για το λάδι στη περιφέρειά τους), οι ανοχές της συναρμογής είναι πολύ συγκεκριμένες και «αυστηρές» (η εξωτερική με την εσωτερική ανοχή του κουζινέτου είναι συνήθως ίδιες ή έστω πάρα πολύ κοντά). Αυτό ισχύει και στις δύο πλευρές του κουζινέτου: δηλαδή μεταξύ και άξονα τούρμπο με το εσωτερικό του κουζινέτου, αλλά και μεταξύ του εξωτερικού του κουζινέτου και του εσωτερικού του κελύφους του cartridge (εξού και το «πλήρως πλευστά», δηλαδή περιστρέφονται και εξωτερικά ως προς τη φωλιά τους και φυσικά ο αξόνας στο εσωτερικό τους) Παλιότερα υπήρχαν και cartridge με πρεσσαριστά πακτωμένα κουζινέτα στο κέλυφος, αλλά αυτά είχαν πολλά προβλήματα και συντονισμών και συμπεριφοράς του λαδιού, ενώ επίσης δεν απόσβεναν το ίδιο αποδοτικά τους κραδασμούς, όπως κάνει ένα full floating μέσω των δύο διεπιφανειών λαδιού του). Πιο συγκεκριμένα, τα κουζινέτα γυρνάνε τα ίδια ως προς τη φωλιά του cartridge τους περίπου στο ένα τρίτο της ταχύτητας, που γυρνάει ο άξονας του τούρμπο μέσα τους, με άλλα λόγια «χαζεύουν» ελεγχόμενα στις 50.000rpm, όταν ο άξονας περιστρέφεται στις 150.000rpm, γεγονός που μακροπρόσθεσμα μειώνει τις εσωτερικές φθορές τους. Παλιότερα (και ακόμα σε ειδικές μη «πολιτικές» εφαρμογές) υπήρχαν και τα ημι-πλευστά (semi-floating) κουζινέτα, τα οποία, ενώ είχαν διάκενο ανάμεσα σε αυτά και το κέλυφος του cartridge για λάδι, παρόλα αυτά δεν περιστρέφονταν, όπως τα full-floating και συγκρατούνταν σταθερά στη θέση τους με ειδικές φλαντζούλες. Τα semi-floating είχαν δύο πλεονεκτήματα: πρώτον, δούλευαν σωστά και με ελάχιστη πίεση λαδιού από τον κινητήρα, αφού δεν υπήρχε σχετική περιστροφή και δεν απαιτούσαν πολύ σκληρό cartridge, με άλλα λόγια δούλευαν όχι μόνο με τα κλασσικά μαντεμένια, αλλά και με αλουμινένια. Ένα παραδοσιακό πλεονέκτημα του τούρμπο με κουζινέτα, λόγω σχετικά απλοϊκής κατασκευής, είναι η παρομοιώδης αξιοπιστία τους, η οποία όμως εξασφαλίζεται μονάχα εφόσον ισχύουν δύο παράγοντες: πρώτον, απόλυτα σωστό λάδι σε σύσταση και παροχή και δεύτερον, λειτουργία μέσα σε συγκεκριμένο φάκελο και όχι σε «ταρζανιές». Εφόσον ισχύουν αυτά τα δύο, τα κουζινέτα προτιμούνται σε heavy duty εφαρμογές, όπου τα άλογα και η απόκριση δεν είναι πρωταρχικά κριτήριά μας. Δεν είναι τυχαίο που στα Group N παλιότερα η Mitsubishi, στα Evo, προτιμούσε (αντισταθμίζοντας τη χασούρα στο spool με ελαφρύτερες φτερωτές, όπως είδαμε σε προηγούμενες συνέχειες) μέχρι το τέλος τα δικά της (ΜΗΙ) τούρμπο με κουζινέτα έναντι των πολύ πιο απαιτητικών -από πλευράς ανοχών (και επομένως και αξιοπιστίας, αν ξεφύγει λίγο αυτή)- ρουλεμανάτων τούρμπο, τα οποία είχε από πιο νωρίς αρχίσει να αγαπάει πολύ περισσότερο η Subaru (ΙΗΙ). Σε επίπεδο WRC ωστόσο και οι δύο χρησιμοποιούσαν ρουλεμανάτα.

Το θρος το αρχοντικό…

Το τρίτο κομμάτι του «τριπλού» κουζινετάτου συστήματος έδρασης είναι, όπως είπαμε, το θρος, το οποίο εδράζεται σταθερά σε τσέπη του χυτού του κεντρικού κελύφους του cartridge και ανάμεσα σε -κατά περίπτωση- «αυτάκια» του άξονα. Εδώ δεν μιλάμε για δακτύλιο πλέον, αλλά για φέτα φρούτου με τρύπα στη μέση για τον άξονα και μια καλή δαγκωματιά στη μία της πλευρά (σαν πιο γεμάτος ρότορας αυτόματου μηχανικού ρολογιού για τους λάτρεις του σπορ): αν η δαγκωματιά δεν φτάνει μέχρι την τρύπα, σημαίνει ότι ο άξονας περικλείεται ολόκληρος γύρω-γύρω από μέταλλο θρος και έτσι έχουμε το «θρος 360 μοιρών». Αν η δαγκωματιά φτάνει μέχρι τον άξονα (γίνει Pacman, δηλαδή), τότε αρχίζετε να αφαιρείτε μοίρες από τις 360, συνήθως 90 και έχουμε έτσι το «υποδεέστερο» θρος των 270 μοιρών. Ο δίσκος του θρος έχει δύο πλευρές: το λάδι εισέρχεται από το κέντρο του από μία μικρή δίοδο και ρέει προς τα έξω ανάμεσα στην επιφάνεια του θρος και τις εκατέρωθεν μεταλλικές ροδέλες-όριά του (σαν λιλιπούτειος δίσκος συμπλέκτη υγρού τύπου ανάμεσα σε όμοια βολάν και πλατό), οι οποίες συνήθως είναι από βαμμένο χάλυβα και εντός πολύ κλειστών ανοχών. Αλλά ας δούμε το θρος και λειτουργικά εκτός από μορφολογικά. Εφόσον, όπως είπαμε, οι πιέσεις εντός του τούρμπο δρουν στην πίσω πλευρά των φτερωτών και προς τα έξω, η γενική τάση είναι αυτές να τείνουν να απομακρύνουν τις φτερωτές μεταξύ τους. Η επιφάνεια του θρος, που αντιστοιχεί στην πλευρά «τραβήγματος» του συμπιεστή, είναι η επιφάνεια που είναι εγγύτερα στο στρόβιλο (αφού είναι αυτή που πρώτη θα κοντράρει το θρος κατά την παραμικρή αξονική κίνηση του άξονα προς το συμπιεστή) και αντίστροφα για την άλλη πλευρά. Αυτό το «παράδοξο» μπορεί να μπερδέψει, αλλά η κατανόησή του είναι άκρως σημαντική, σε περίπτωση που το τούρμπο πάθει βλάβη προερχόμενη από υπερβολικές διαφορικές πιέσεις (μία τυπική τιμή μέγιστης διαφορικής πίεσης μεταξύ εισαγωγής-εξαγωγής, που οφείλει να αντέχει ένα τούρμπο, είναι τα 1,4 bar) και πρέπει να εντοπίσουμε την πηγή του κακού (συμπιεστής ή στρόβιλος). Μεγάλη διαφορική πίεση σημαίνει μεγάλες αξονικές μετατοπίσεις και μεγάλες μετατοπίσεις σχεδόν πάντα οδηγούν σε διαρροή λαδιού από τα στεγανοποιητικά. Αναβαθμίζοντας τώρα το τούρμπο μας με μεγαλύτερη φτερωτή συμπιεστή, ανάλογης αυξημένης αξονικής αντοχής πρέπει να είναι και το νέο μας θρος: αναβαθμισμένο θρος δεν σημαίνει μόνο μεγαλύτερες επιφάνειες σε εμβαδό, αλλά και μεγαλύτερες-αποδοτικότερες κοιλάδες ή/και γεωμετρία ραμπών για την τροφοδοσία του με λάδι.

 

Ρουλεμάν το αυτοκρατορικό…

Θυμάστε τη «ρουλεμανάτη»..? Βουτάς το χέρι σου σε ένα βάζο μέλι, αμέσως μετά το βγάζεις και, όπως είναι, το βουτάς στο διπλανό με τα στραγάλια και ξεκινάς…Το τούρμπο δεν έχει μέλι και στραγάλια, αλλά έχει αντίστοιχα λάδι και μεταλλικά ή κεραμικά σφαιρίδια, πάμε να τα δούμε. Μέχρι πριν κάποια χρόνια, τα κουζινέτα ήταν ο κανόνας όχι απλά στα «νορμάλ» τούρμπο, αλλά και στα performance. Σιγά σιγά (αρχές δεκαετίας ’90 ήταν τα πρώτα δειλά βήματα, ναι, εποχές μετάβασης από Uno Turbo σε Punto GT) στα δεύτερα άρχισαν σταδιακά να κυριαρχούν τα ρουλεμανάτα τούρμπο και, ως συνήθως σε αυτές τις περιπτώσεις, όλο και περισσότερα σημαίνει ταυτόχρονα και όλο και φθηνότερα, οικονομίες κλίμακος και έτσι, ενώ κάποτε μιλάγαμε μόνο για αγωνιάρικες εφαρμογές, πλέον τα ρουλεμάν κατακτούν -εκτός από φουλ street projects- ακόμα και τούρμπο παραγωγής, ειδικά τα τελευταία 5-6 χρόνια…Και γιατί ήταν, και σε μεγάλο βαθμό παραμένουν, σχετικά με τα κουζινετάτα ακριβότερα..? Γιατί είναι δύσκολο να κατασκευάσεις ρουλεμάν, που να αντέχει στο κολασμένο περιβάλλον ενός τούρμπο, γι’ αυτό…Ένα ρουλεμάν μουαγιέ ή ένα ρουλεμάν για πατίνι θα σου βγει φθηνό, άλλα ένα ρουλεμάν, που πρέπει να γυρνάει στις 150.000rpm με μία χιλιάδα βαθμούς και δυο-τρία bar πίεσης, αρχίζει και γίνεται ακριβό σπορ…Πρέπει λοιπόν να έχουν κάποια σοβαρά πλεονεκτήματα για να δικαιολογούν τα πολλά παραπάνω γκαφρά, δεν μπορεί… Ξεκινάμε από το πολύ βασικό ότι έδραση άξονα τούρμπο σε ρουλεμάν αυτομάτως σημαίνει ότι δεν υπάρχει ανάγκη για θρος / αξονική έδραση, πράγμα που στην πράξη μεταφράζεται σε ούτε λίγο ούτε πολύ 40% λιγότερη αντίσταση / παρασιτική τριβή περιστροφής του άξονα. Αλλά και στα υπόλοιπα δύο ακτινικά έδρανα-κουζινέτα, μέσω του ρουλεμάν απαλείφεται η παρασιτική αντίσταση στις ανοχές των πρώτων λόγω συνεκτικών δυνάμεων του λαδιού μέσα στο λιπαντικό φιλμ, κάτι που οδηγεί εμπειρικά σε περίπου 15% ταχύτερο σπουλάρισμα στην περίπτωση των ρουλεμάν. Δοκιμές έχουν δείξει ότι -παρά τη μεγαλύτερη ροπή αδρανείας των σφαιριδίων στα ρουλεμάν- συνολικά ένα ρουλεμανάτο τούρμπο απαιτεί μέχρι και 50% λιγότερη ισχύ στον άξονά του από το στρόβιλο σε σχέση με τα κουζινέτα για ίδιο ρυθμό περιστροφής. Ένα πολύ Power παράδειγμα είναι αυτό των παλιότερων Skyline GT-R, όπου η ίδια η NISMO έδινε τιμή 400rpm χαμηλότερου spool-up για το ρουλεμανάτο τούρμπο του R34 N1 σε σχέση με το απλό του R33 N1. Αλλά κατασκευαστικά, πώς και το θρος είναι περιττό και το ρουλεμάν κάνει τη δουλειά και του αξονικού και του ακτινικού έδρανου? Όπως είπαμε, τα ρουλεμάν σε ένα άξονα τούρμπο με τέτοια περικλύονται σε κυλινδρικό κλωβό-cartridge. Όπως τα σφαιρίδια μπορούν να ασκήσουν δυνάμεις περιφερειακά σε διάφορες γωνίες, το ίδιο μπορεί να γίνει και στην αξονική διεύθυνση κόντρα στα πλαϊνά τοιχώματα του cartridge (σε αντίθεση με τα ανοικτά στο πλάι κουζινέτα) και έτσι με ένα σμπάρο δυο τριγώνια. Μιλάμε τώρα πολύ συχνά για συγκεκριμένα ποσοτικά πλεονεκτήματα στο spool-up των ρουλεμανάτων τούρμπο και δραματική μείωση στο turbo-lag, αλλά τι συμβαίνει στην πράξη..? Τεκμηριώνεται πειραματικά η βελτίωση αυτή? Δείτε το συνοδευτικό διάγραμμα της Garrett περί ρουλεμάν vs κουζινέτου σε δύο ακριβώς ίδια -κατά τα άλλα- τούρμπο και στο ακριβώς ίδιο μοτέρ και οι διαφορές γίνονται πολύ πιο παραστατικές: και στις δύο περιπτώσεις έβαλαν τα δίλιτρα μοτέρ να επιταχύνουν από τις 2.000rpm. Κοιτώντας το διάγραμμα (κάθετος άξονας είναι ο ρυθμός περιστροφής του τούρμπο σε Hz, πολλαπλασιάζετε με 60 για να βγάλετε τις rpm του, οριζοντίως είναι ο χρόνος μετά το πάτημα του γκαζιού), βλέπουμε ότι η μεγαλύτερη διαφορά είναι στα 0,4 δευτερόλεπτα: σε αυτό το χρονικό διάστημα, το ρουλεμανάτο τούρμπο έχει φτάσει τις 72.000rpm τη στιγμή που στο ίδιο σημείο το κουζινέτο είναι στις 42.000 μολις rpm. Καθώς ο χρόνος περνάει, το κουζινέτο τελικά από κάποιο σημείο και μετά φτάνει το ρουλεμάν και από εκεί και μετά πηγαίνουν μαζί στο μέγιστο ρυθμό περιστροφής. Έχει να κάνει με το γεγονός ότι ενώ αρχικά το κουζινέτο «ζορίζεται» να σπάσει το υδροδυναμικό του φιλμ συνεκτικά, όταν πάρει φόρα, δεν έχει περιορισμό σε υψηλούς ρυθμούς περιστροφής σε σχέση με ένα ρουλεμανάτο, το οποίο έχει και επιπρόσθετα φυγοκεντρικά φαινομένα στα σφαιρίδια να αντιμετώπισει. Τι σημαίνει όλο αυτό στην πράξη? Ότι η ρουλεμανάτη κάνει τη διαφορά κατά βάση σε οδηγικές καταστάσεις με πολύ πάτα-άσε και μεταβολές στο φορτίο και λιγότερο σε σταθερές καταστάσεις, που από τη στιγμή που πατάς, μετά θα μείνεις εκεί. Αυτός είναι και ο λόγος που σε ένα δυναμόμετρο, όπου τα φορτία είναι σχετικά σταθεροποιημένα, το πλεονέκτημα του ρουλεμάν δεν φαίνεται ξεκάθαρα ως μετρήσιμο μέγεθος στα διαγράμματα, όπως θα φαινόταν π.χ. μετρώντας την απόκριση σε μία πίστα (όχι ντράγκστερ, οι άλλες με τις στροφές…).   Επόμενο κριτήριο υπεροχής του ρουλεμάν στον άξονα είναι η ικανότητα να φέρει πολύ μεγαλύτερα απόλυτα φορτία δυνάμεων. Ένα τυπικό θρος μπορεί να αντέξει απροβλημάτιστα περίπου 0,7kg/cm^2 (0,7 bar χονδρικά) πίεση, η οποία -σε επίπεδο διαφορικών μεγεθών- μπορεί να ξεπεραστεί σχετικά εύκολα από μία high boost εφαρμογή και έτσι να πάθει ζημιά το θρος και κατ’ επέκταση όλο το τούρμπο. Το θρος γενικώς μπορεί να θεωρηθεί ως ο αδύναμος κρίκος ενός τούρμπο με κουζινέτα. Ένα τυπικό ρουλεμανάτο τούρμπο μπορεί να αντέξει δέκα φορές περίπου μεγαλύτερα φορτία τόσο στο αξονικό επιπέδο του θρος, όσο και στο ακτινικό των κλασσικών κουζινέτων. Και δεν είναι μόνο οι σταθερές δυνάμεις, αλλά και οι «κρουστικές» καταπονήσεις: απότομες μεταβολές στο φορτίο μέσω π.χ. μεταβολών της πίεσης διαχειρίζονται γενικώς καλύτερα από διάταξη (διπλού) ρουλεμάν μέσα σε cartridge παρά με συνδυασμό κουζινέτου+θρος. Το ίδιο ισχύει και για την ικανότητα απόσβεσης κραδασμών με το ρουλεμάν σε ρόλο εν είδει αποσβεστήρα των κινήσεων του άξονα. Τα πλεονεκτήματα προχωράνε και στο θέμα λίπανση, που θα δούμε αναλυτικότερα τον επόμενο μήνα: τα ρουλεμανάτα απαιτούν αισθητά μικρότερες παροχές λαδιού από τον κινητήρα σε σχέση με τα κουζινέτα, τα οποία άλλωστε στηρίζουν τη λειτουργία τους σε αψεγάδιαστο και αξιόπιστο φιλμ λιπαντικού. Γι’ αυτόν το λόγο, τα ρουλεμανάτα τούρμπο προσφέρονται με συγκεκριμένης διάστασης-διατομής στραγγαλιστικά στην είσοδο λαδιού του cartridge, αφού υπερβολική παροχή λαδιού έχει τα ακριβώς αντίθετα αποτελέσματα από τα επιθυμητά, «κολυμπώντας» το ρουλεμάν και αυξάνοντας τις ρευστομηχανικές απώλειες, αλλά και τις πιθανότητες για διαρροή από τσιμούχες κτλ.. Το γεγονός ότι τα ρουλεμάν απαιτούν λιγότερο λάδι από τα κουζινέτα αποτελεί πλεονέκτημα και σε συνθήκες μειωμένης / μη αρκετής παροχής λαδιού: αυτό αφορά και ζημιές π.χ. διαρροής, όπου, αν μείνουμε από λάδι, το κουζινέτο θα αρπάξει νωρίτερα από ένα ρουλεμάν. Αλλά και σε συνθήκες φυσιολογικής «πείνας» στο λάδι, π.χ. όταν σβήσουμε τον κινητήρα και σταματήσει η εξαναγκασμένη παροχή, ένας άξονας με ρουλεμάν θα είναι πιο χαρούμενος σε σχέση με έναν με κουζινέτα. Υπάρχεια και μία τρίτη κατηγορία εδράσεων, που αξίζει να αναφέρουμε, τα «υβριδικά ρουλεμανάτα»: εδώ αντί για διπλό κουζινέτο ή διπλό ρουλεμάν έχουμε ένα κουζινέτο (από την πλευρά του στροβίλου) και ένα ρουλεμάν (στην πλευρά του συμπιεστή) στον ίδιο άξονα και επειδή ένα ρουλεμάν -υπό την παρουσία ενός κουζινέτου- δεν αρκεί για τα αξονικά φορτία, η υβριδική διάταξη έχει και θρος. Καταλαβαίνει κανείς ότι εξαιτίας αυτού οι υβριδικές εδράσεις συνεχίζουν να έχουν τα περισσότερα από τα κουσούρια των παραδοσιακών τούρμπο, αλλά σε κάθε περίπτωση και π.χ. σε δρομίσιες, μη φουλ απαιτητικές εφαρμογές, που τα ρουλεμάν δεν είναι εκ των ων ουκ άνευ, θα κάνουν μια χαρά τη δουλειά τους.

Ας μιλήσουμε για ...μπαλάκια

Και πιο συγκερκιμένα το υλικό των σφαιριδίων των ρουλεμανάτων τούρμπο. Πολύ λόγος γίνεται εδώ και χρόνια για τα τούρμπο με «κεραμικά ρουλεμάν». Κατ’ αρχήν να διευκρυνίσουμε ότι όταν λέμε «κεραμικό τούρμπο», πρέπει να ξέρουμε, αν αναφερόμαστε σε κεραμική φτερωτή στροβίλου (οι TiAl που είδαμε στο Part VI) ή σε κεραμικά ρουλεμάν. Εδώ μιλάμε για το δεύτερο. Εδράσεις τούρμπο με κεραμικά αντί για μεταλλικά σφαιρίδια υπήρχαν από παλιά, που αλλού, στην αεροναυπηγική βιομηχανία. Σιγά σιγά πέρασαν στα αγωνιστικά αντοχής, όπως αυτά των 24 ωρών του LeMans ή στα WRC και τελικά υιοθετήθηκαν και σε street performance τούρμπο, αντικαθιστώντας τα ατσάλινα σφαιρίδια. Κατά κανόνα, οι κατασκευαστές τούρμπο κρατάνε τα ατσάλινα σφαιρίδια για τα σχετικά μικρά τούρμπο και τα προτιμούν για τα πιο μεγάλα (διάμετρος cartridge ρουλεμάν 10+mm που φτάνει και μέχρι και 16mm για τα τέρατα) ή για τα μεσαίου μεγέθους αλλά high-end απόδοσης. Το κεραμικό υλικό, που χρησιμοποιείται για τα σφαιρίδια, είναι κατά κανόνα το νιτρίδιο του πυριτίου (Si3N4), ενώ, όταν αλλάζει το υλικό του σφαιριδίου, πρέπει φυσιολογικά να ταιριάξει και το υλικό στα λούκια-οδηγούς και στον κλωβό του ρουλεμάν, έτσι ώστε να μην έχουμε φαινόμενα εκτριβής- «αποσάθρωσης» του μετάλλου σε μικροσκοπικό επίπεδο, φαινόμενα που είναι πιο έντονα, όταν μιλάμε για ατσάλινα σφαιρίδια σε ατσάλινους οδηγούς ακόμα και όταν όλα είναι ΟΚ με τη λίπανση και σε φυσιολογικά φορτία. Τα σωματίδια, που προκύπτουν από τις τριβές αυτές, μεταφέρονται φυσικά στο λάδι, κάτι το οποίο οδηγεί με τη σειρά του σε δυνητικά περισσότερες φθορές τόσο στο τούρμπο, όσο και σε όλο το κύκλωμα λίπανσης και σε αυτό τα κεραμικά ρουλεμάν, που μένουν μακροπρόθεσμα «ολόκληρα», πλεονεκτούν ξεκάθαρα. Καλύτερα είναι και σε πρόσφυση τα κεραμικά σφαιρίδια, όπου κυριολεκτικά «σπινάρουν» δυσκολότερα απ’ ότι τα ατσάλινα μέσα στο κέλυφός τους (κυλάνε αντί να ολισθαίνουν με άλλα λόγια). Και από βάρος..? Και εδώ τα κεραμικά έχουν το πάνω χέρι: μιλάμε για μείωση μάζας περίπου στο 60%, με όλα τα πλεονεκτήματα σε ροπή αδρανείας, θερμοκρασίες, κραδασμούς, απόκριση, που αυτή επιφέρει. Καλή Χρονιά, αγόρια!!! (σιγά μην διαβάζουν τα θηλυκά για ρουλεμάν και κουζινέτα)