Als mensen het hebben over raceauto's of high-performance sportauto's, dan is het onderwerp turbochargers komt meestal aan de orde. Turbocompressoren verschijnen ook op grote dieselmotoren. Een turbo kan het vermogen van een motor aanzienlijk verhogen zonder het gewicht aanzienlijk te verhogen, wat het enorme voordeel is dat turbo's zo populair maakt!
In dit artikel zullen we leren hoe een turbocompressor het vermogen van een motor verhoogt terwijl hij extreme bedrijfsomstandigheden overleeft. We zullen ook leren hoe wastegates, keramische turbinebladen en kogellagers turbocompressoren helpen hun werk nog beter te doen. Turboladers zijn een soort geforceerd inductiesysteem . Ze comprimeren de lucht die in de motor stroomt (zie Hoe automotoren werken voor een beschrijving van de luchtstroom in een normale motor). Het voordeel van het comprimeren van de lucht is dat de motor meer lucht in een cilinder kan persen, en meer lucht betekent dat er meer brandstof kan worden toegevoegd. Daarom haal je meer kracht uit elke explosie in elke cilinder. Een motor met turbocompressor produceert in totaal meer vermogen dan dezelfde motor zonder opladen. Dit kan de vermogen-gewichtsverhouding van de motor aanzienlijk verbeteren (zie Hoe paardenkracht werkt voor details).
Om deze boost te bereiken, gebruikt de turbocompressor de uitlaatstroom van de motor om een turbine te laten draaien. , die op zijn beurt een luchtpomp . laat draaien . De turbine in de turbocompressor draait met snelheden tot 150.000 omwentelingen per minuut (rpm) - dat is ongeveer 30 keer sneller dan de meeste automotoren kunnen gaan. En omdat hij is aangesloten op de uitlaat, zijn de temperaturen in de turbine ook erg hoog.
Blijf lezen om erachter te komen hoeveel meer vermogen u van uw motor kunt verwachten als u een turbocompressor toevoegt.
Inhoud
Een van de zekerste manieren om meer vermogen uit een motor te halen, is door de hoeveelheid lucht en brandstof die de motor kan verbranden te vergroten. Een manier om dit te doen is door cilinders toe te voegen of de huidige cilinders groter te maken. Soms zijn deze wijzigingen niet haalbaar -- een turbo kan een eenvoudigere, compactere manier zijn om vermogen toe te voegen, vooral voor een aftermarket-accessoire.
Met turbocompressoren kan een motor meer brandstof en lucht verbranden door meer in de bestaande cilinders te stoppen. De typische boost die door een turbocompressor wordt geleverd, is 6 tot 8 pond per vierkante inch (psi). Aangezien de normale atmosferische druk 14,7 psi op zeeniveau is, kunt u zien dat u ongeveer 50 procent meer lucht in de motor krijgt. Daarom zou je verwachten dat je 50 procent meer vermogen krijgt. Het is niet perfect efficiënt, dus u krijgt mogelijk een verbetering van 30 tot 40 procent in plaats daarvan.
Een oorzaak van de inefficiëntie komt voort uit het feit dat de kracht om de turbine te laten draaien niet gratis is. Het hebben van een turbine in de uitlaatstroom verhoogt de restrictie in de uitlaat. Dit betekent dat de motor bij de uitlaatslag tegen een hogere tegendruk moet duwen. Dit trekt een klein beetje vermogen af van de cilinders die tegelijkertijd afvuren.
De turbocompressor is vastgeschroefd aan het uitlaatspruitstuk van de motor. De uitlaat van de cilinders laat de turbine draaien , die werkt als een gasturbinemotor. De turbine is via een as verbonden met de compressor , die zich tussen het luchtfilter en het inlaatspruitstuk bevindt. De compressor brengt de lucht die in de zuigers gaat onder druk.
De uitlaat van de cilinders gaat door de turbinebladen , waardoor de turbine gaat draaien. Hoe meer uitlaatgassen er door de bladen gaan, hoe sneller ze draaien.
Aan het andere uiteinde van de as waaraan de turbine is bevestigd, bevindt zich de compressor pompt lucht in de cilinders. De compressor is een soort centrifugaalpomp - hij zuigt lucht naar binnen in het midden van zijn bladen en slingert deze naar buiten terwijl hij draait.
Om snelheden tot 150.000 tpm aan te kunnen, moet de turbine-as zeer voorzichtig worden ondersteund. De meeste lagers exploderen bij snelheden als deze, dus de meeste turboladers gebruiken een vloeistoflager . Dit type lager ondersteunt de as op een dun laagje olie dat constant om de as wordt gepompt. Dit heeft twee doelen:het koelt de as en sommige andere turbocompressoronderdelen, en het laat de as draaien zonder veel wrijving.
Er zijn veel afwegingen bij het ontwerpen van een turbocompressor voor een motor. In het volgende gedeelte zullen we enkele van deze compromissen bekijken en zien hoe ze de prestaties beïnvloeden.
Te veel boost?Met lucht die onder druk door de turbocompressor in de cilinders wordt gepompt en vervolgens verder wordt samengedrukt door de zuiger (zie Hoe automotoren werken voor een demonstratie), is er meer kans op kloppen. Klopt gebeurt omdat als je lucht comprimeert, de temperatuur van de lucht stijgt. De temperatuur kan voldoende stijgen om de brandstof te ontsteken voordat de bougie ontsteekt. Auto's met turboladers moeten vaak op brandstof met een hoger octaangetal rijden om kloppen te voorkomen. Als de vuldruk erg hoog is, moet de compressieverhouding van de motor mogelijk worden verlaagd om kloppen te voorkomen.
Een van de grootste problemen met turbo's is dat ze niet onmiddellijk een vermogensboost geven als je gas geeft. Het duurt een seconde voordat de turbine op snelheid is voordat de boost wordt geproduceerd. Dit resulteert in een gevoel van vertraging wanneer je het gaspedaal intrapt, en dan springt de auto vooruit als de turbo in beweging komt.
Een manier om turbovertraging te verminderen, is door de traagheid . te verminderen van de roterende delen, voornamelijk door hun gewicht te verminderen. Hierdoor kunnen de turbine en compressor snel accelereren en eerder een boost gaan geven. Een zekere manier om de traagheid van de turbine en compressor te verminderen, is door de turbocompressor kleiner te maken. Een kleine turbocompressor zal sneller en bij lagere motortoerentallen een boost geven, maar kan mogelijk niet veel boost geven bij hogere motortoerentallen wanneer er een echt grote hoeveelheid lucht in de motor gaat. Hij loopt ook het gevaar te snel rond te draaien bij hogere motortoerentallen, wanneer er veel uitlaatgassen door de turbine gaan.
De meeste turboladers voor auto's hebben een wastegate , waardoor het gebruik van een kleinere turbolader de vertraging vermindert en voorkomt dat deze te snel draait bij hoge motortoerentallen. De wastegate is een klep waarmee de uitlaat de turbinebladen kan omzeilen. De wastegate meet de vuldruk. Als de druk te hoog wordt, kan dit een aanwijzing zijn dat de turbine te snel draait, zodat de wastegate een deel van de uitlaatgassen rond de turbinebladen omzeilt, waardoor de bladen langzamer gaan draaien.
Sommige turboladers gebruiken kogellagers in plaats van vloeistoflagers om de turbine-as te ondersteunen. Maar dit zijn niet uw gewone kogellagers -- het zijn supernauwkeurige lagers gemaakt van geavanceerde materialen om de snelheden en temperaturen van de turbocompressor aan te kunnen. Ze laten de turbine-as draaien met minder wrijving dan de vloeistoflagers die in de meeste turboladers worden gebruikt. Ze maken ook het gebruik van een iets kleinere, lichtere schacht mogelijk. Dit helpt de turbocompressor sneller te accelereren, waardoor de turbovertraging verder wordt verminderd.
Keramische turbinebladen zijn lichter dan de stalen bladen die in de meeste turboladers worden gebruikt. Nogmaals, hierdoor kan de turbine sneller op snelheid draaien, wat de turbovertraging vermindert.
Sommige motoren gebruiken twee turbo's van verschillende maten. De kleinere draait zeer snel op snelheid, waardoor vertraging wordt verminderd, terwijl de grotere het overneemt bij hogere motortoerentallen om meer boost te geven.
Wanneer lucht wordt gecomprimeerd, warmt het op; en wanneer lucht opwarmt, zet het uit. Dus een deel van de drukverhoging van een turbocompressor is het resultaat van het verwarmen van de lucht voordat deze de motor ingaat. Om het vermogen van de motor te vergroten, is het doel om meer luchtmoleculen in de cilinder te krijgen, niet per se meer luchtdruk.
Een interkoeler of inlaatluchtkoeler is een extra onderdeel dat er ongeveer uitziet als een radiator, behalve dat er lucht door zowel de binnenkant als de buitenkant van de intercooler gaat. De inlaatlucht gaat door afgedichte doorgangen in de koeler, terwijl koelere lucht van buiten door de koelventilator van de motor over de vinnen wordt geblazen.
De intercooler verhoogt het vermogen van de motor verder door de perslucht die uit de compressor komt af te koelen voordat deze de motor ingaat. Dit betekent dat als de turbocompressor werkt met een boost van 7 psi, het systeem met intercooler 7 psi koelere lucht zal aanzuigen, die dichter is en meer luchtmoleculen bevat dan warmere lucht.
Een turbocompressor helpt ook op grote hoogte , waar de lucht minder dicht is. Normale motoren zullen op grote hoogte minder vermogen ervaren, omdat de motor voor elke slag van de zuiger een kleinere luchtmassa krijgt. Een motor met turbocompressor kan ook minder vermogen hebben, maar de vermindering zal minder dramatisch zijn omdat de dunnere lucht gemakkelijker door de turbocompressor kan worden gepompt.
Oudere auto's met carburateurs verhogen automatisch de brandstofsnelheid om overeen te komen met de grotere luchtstroom die naar de cilinders gaat. Moderne auto's met brandstofinjectie zullen dit tot op zekere hoogte ook doen. Het brandstofinjectiesysteem vertrouwt op zuurstofsensoren in de uitlaat om te bepalen of de lucht-brandstofverhouding correct is, dus deze systemen zullen automatisch de brandstofstroom verhogen als er een turbo wordt toegevoegd.
Als een turbocompressor met te veel boost wordt toegevoegd aan een auto met brandstofinjectie, levert het systeem mogelijk niet genoeg brandstof - of de software die in de controller is geprogrammeerd, staat dit niet toe, of de pomp en injectoren zijn niet in staat om het te leveren. In dit geval zullen andere aanpassingen moeten worden gedaan om het maximale uit de turbocompressor te halen.
Oorspronkelijk gepubliceerd:4 december 2000
