Turbo:


Op deze pagina worden de volgende onderdelen beschreven:
-Werking
-Turbogat
-Bi-turbo
-Variabele turbo
-Dumpvalve
-Wastegate
-Intercooler
-Compressorkarakteristiek (surge- & chokeline)

 

Werking:
De uitlaatgassen die de cilinders uit komen, worden vanuit het uitlaatspruitstuk naar de turbo gevoerd. Door de druk gaat het turbinewiel draaien (in de onderstaande afbeelding de rode gassen). Vervolgens verlaten de uitlaatgassen de turbo via het zelfde turbinewiel. Door middel van een as word het compressorwiel aangedreven (afb. de blauwe gassen).
Het compressorwiel zuigt de lucht via de zijkant (waar het luchtfilter afgebeeld staat) aan, en voert het onder druk (via de blauwe pijl) via de turboslang naar de intercooler, en vanaf daar naar het inlaatspruitstuk.
Er komt op deze manier meer lucht in de cilinders als wanneer er normaal aangezogen word zonder turbocompressor.
Door op deze manier meer lucht naar de cilinders toe te voeren, en daar meer brandstof aan toe te voegen, zal er een hoger vermogen beschikbaar zijn.


(Afb. turbo, rood: uitlaatgas, blauw: inlaatlucht)

De turbo zit zo dicht mogelijk na het uitlaatspruitstuk gemonteerd. Soms zijn het spruitstuk en de turbo 1 geheel. De turbo moet zo dicht mogelijk na de cilinderkop gemonteerd worden, want neemt de snelheid van de uitlaatgassen af en gaat er veel kracht verloren.

















(Afb. van een turbo)



Turbogat:
Oudere turbo's hebben vaak last van het turbogat. De turbo werkt natuurlijk op de uitlaatgassen van de motor. Als het gaspedaal ineen keer helemaal word ingedrukt heeft de motor vanuit een laag toerental in n keer veellucht nodig, maar dan moet de turbo nog op gang komen van de uitlaatgassen die dan vrij komen. De turbo levert dan nog niet genoeg druk. Pas wanneer de motor een hoger toerental heeft bereikt, komt te turbo pas goed op gang. Meestal gebeurd dat rond de 2000 t/pm.
Dit turbogat word als een groot nadeel gezien, en daardoor zijn ook veel mensen voorstander van een compressor. Deze werkt constant, omdat deze mechanisch aangedreven word, en altijd met het zelfde toerental als de motor mee draait. Een compressor zal wel vanaf het stationaire toerental bij gas geven gelijk al druk leveren.

De turbo's die tegenwoordig in auto's worden gebouwd hebben daar minder last van. Mede dankzij de variabele turbo.


(Afb. van een opengewerkte turbo)

 

Bi-turbo:
Het voorvoegsel 'bi' stamt uit het Latijn en betekent twee. De toevoeging 'biturbo' duidt dan ook op de aanwezigheid van twee turbo's. Die 2 turbo's kunnen naast elkaar op 1 cilinderrij zitten, of 1 turbo per cilinderrij. Dit geeft de bestuurder het voordeel van een groter koppel bij lage toerentallen, betere prestaties in het hoge toerengebied en een soepeler motorkarakter. Bij lage toerentallen word de lucht dan door een kleine turbo die snel op gang is naar binnen gezogen, bij hogere toerentallen wordt de andere grotere turbo functioneel. De grotere turbo heeft een groter turbogat, omdat deze meer lucht nodig heeft om op gang te komen, maar dat wordt dan door de kleine turbo opgeheven.



Variabele turbo:
Een normale turbo heeft last van het turbogat; pas als de motor een bepaald aantal toeren draait, krijgt de turbo voldoende uitlaatgassen toegevoerd om in werking te kunnen treden. Een variabele turbo heeft in het uitlaatkanaal verstelbare schoepen. Door een stelring zijn deze schoepen te verdraaien. Deze stelring wordt door middel van een vacum verdraaid. De ECU regelt door middel van een magneetklep het vacum. Door de schoepen te verstellen kan de luchtstroom gericht worden. De hoek waar de lucht de schoepen van de turbine raakt is hierdoor gunstiger. Hierdoor kan bij lage toerentallen, en dus ook lagere uitlaatgasdrukken de turbo toch al op een hoger toerental draaien. Zowel bij lage als hoge toerentallen kan een hoge vuldruk verkregen worden. Hierdoor is de werking van de turbo over een groot toerengebied optimaal.

(Afb. van een turbo met variabele schoepen)


 

Dumpvalve:
(ook wel een Blow-Off valve genoemd). De dumpvalve zit gemonteerd op een turboslang, waar de lucht vanaf de turbo naar de motor gevoerd wordt.
Als je in n keer ontzettend veel gas geeft, kan de turbo 130.000 rp/m halen, en word er een gigantische druk opgebouwd. Als je dan in n keer weer je gas los laat, is er een overvloed aan druk op weg naar de motor toe, maar de gasklep staat dan dicht. Zonder dumpvalve ontstaat er een tegendruk richting de turbo, en is de geleverde druk flink afgeremd. Wanneer er dan weer gas gegeven zou worden, duurt het extra lang voordat de turbo weer op gang komt.

(Afb. dumpvalve)

De dumpvalve voorkomt dit. Wanneer het gas los gelaten word, zal deze een grote hoeveelheid toegevoerde lucht afblazen. De lucht is dan uit het inlaatsysteem verdwenen. De turboschoepen worden niet afgeremd, en zullen sneller op gang komen als er weer gas gegeven wordt. De dumpvalve sluit direct als de toegevoerde lucht afgeblazen is.
In tegenstelling tot wat veel mensen denken, zorgt een dumpvalve dus niet voor meer vermogen.

De dumpvalve veroorzaken het typische afblaasgeluid als er een auto met een turbo het gas los laat en schakelt.

 

Wastegate:
Op de turbo zit een wastegate gemonteerd. Dat is een klep die word bediend door de wastegate actuator. Als die klep open is gaan de uitlaatgassen naar de uitlaat zonder de turbo aan te drijven. De wastegate zorgt bepaald dus eigenlijk waar de uitlaatgassen naartoe gaan: naar de turbo of naar de uitlaat.
Bij stationair draaien heeft de motor geen turbodruk nodig, dus zal de klep open staan. De klep sluit wanneer er vermogen gevraagd wordt bij het optrekken.

Intercooler:
De temperatuur van de gecomprimeerde lucht kan erg warm worden (rond de 60 graden Celcius). Voor een betere verbranding is het nodig dat de lucht afkoelt. Daar zorgt de intercooler voor.

De intercooler is een apart onderdeel, en wordt daarom op een andere pagina uitgebreid beschreven; zie de pagina Intercooler.











(Afb. schematische weergave uitlaatgas en inlaatlucht)


Compressorkarakteristiek (surge- & chokeline)
Bij het ontwerpen van een motor moet er rekening gehouden worden met de grootte van de turbo. Het afstemmen van het formaat van de turbo aan de motor wordt "matchen" genoemd.

-Bij een te grote turbo zal er een groot 'turbogat' optreden. De turbo zal minder snel op gang komen doordat het turbinehuis te groot is voor de lage hoeveelheid aan uitlaatgassen.
Pas bij hogere toerentallen zal de turbo op snelheid zijn en een hoge druk kunnen leveren.

-Bij een te kleine turbo zal het turbogat bijna niet aanwezig zijn. Het turbinewiel zal bij een kleine hoeveelheid uitlaatgas al snel op gang gebracht worden. Bij lage toerentallen wordt er al een hoge turbodruk verkregen.
Het nadeel is dat bij hogere toerentallen de hoeveelheid aan uitlaatgas te groot is. Er is meer uitlaatgas aanwezig dan dat er in de turbo past; in dat geval moet de waste-gate eerder openen en veel uitlaatgassen omleiden. Waste is een vertaling voor "verlies", wat ook van hier ook van toepassing is; de uitlaatgassen die door de waste-gate stromen hebben niet bijgedragen aan het aandrijven van de turbo.

De grootte van de turbo is dus erg belangrijk voor het ontwerp van de motor. Elke turbo heeft bij het ontwerp een compressorkarakteristiek gekregen. Aan de hand van het compressorkarakteristiek kan worden afgelezen of deze geschikt is voor een bepaalde motor. In de onderstaande afbeelding staat een voorbeeld van een compressorkarakteristiek.


(Afb. compressorkarakteristiek)

De drukverhouding P2/P1 (op de Y-as) is de verhouding tussen de inlaat (P1) en de uitlaat van de turbo (P2). De druk n het turbinewiel is altijd lager dan ervr. De (dimensieloze) drukverhouding van 2,0 betekent dat de druk voor het turbinewiel twee keer zo hoog is dan na het turbinewiel.
De volumestroomfactor (op de X-as) is de hoeveelheid lucht die door de turbo heen stroomt. De kromme, horizontale lijnen geven het toerental van de turbo-as aan.

In de afbeelding is te zien dat de rode lijn de surgeline en de blauwe lijn de chokelijn zijn.
De surgeline, ook wel de pompgrens genoemd, is het limiet waar de snelheid van het compressorwiel te laag is. De surgeline is de beperking van de luchtstroom door het te kleine compressorwiel. De drukverhouding is te hoog en de volumestroom te laag. De lucht wordt niet meer door de compressor aangezogen, stopt daardoor en hervat later weer de snelheid. Deze instabiele luchtstroming veroorzaakt drukschommelingen en pulsaties in het inlaattraject. Het pulseren wordt ook het "surgen" van de compressor genoemd. Vandaar de naam "surgeline".
De heen en weer stromende lucht veroorzaakt grote krachten die de turbo kunnen overbelasten. De schoepen van het compressorwiel kunnen afbreken en de lagers worden overbelast.

De chokeline is een andere grens die de compressor niet mag overschrijden. Hier heerst de maximale volumestroom bij een lage drukverhouding. De diameter van de compressorbehuizing bepaalt de maximale volumestroom.
Bij het overschrijden van de chokeline is het compressorwiel te klein om de (grotere) volumestroom aan te kunnen. Daardoor gaat er veel motorvermogen verloren.
De chokeline wordt ook wel de "overspin choke" genoemd.



In de onderstaande afbeelding is het compressorkarakteristiek te zien bij een motor in deellast.
Bij deellast dient de motor het laagste brandstofverbruik te hebben. Het laagste specifieke brandstofverbruik wordt bereikt bij het kleinste eilandje. De wastegate regelt de druk af, zodat deze dwars door het middelste eilandje heen loopt. In het begin is de wastegate gesloten, zodat de turbodruk oploopt. Het motormanagementsysteem opent de wastegate zoals aan de groene lijn in de afbeelding te zien is.
Het toerental van de turbo-as ligt daarbij tussen de 8000 en 9000 toeren per minuut.


(Afb. compressorkarakteristiek met vuldrukregeling)


Bij het rijden in de bergen is er sprake van een grotere geografische hoogte; de lucht is daar ijler. Dat heeft invloed op de werking van de turbo, want ijlere lucht bevat minder zuurstof, wat er voor zorgt dat de druk voor de compressor daalt. De drukverhouding, dus ook het compressortoerental moeten daarbij stijgen om op de uiteindelijke vuldruk uit te komen.
Deze situatie is te zien in de onderstaande afbeelding:

(Afb. vuldrukregeling bij zeeniveau en grote geografische hoogte)

De groene lijn geeft de deellast situatie aan bij het rijden op zeeniveau en de oranje lijn bij het rijden in de bergen.
Vanwege de ijlere lucht zal het compressortoerental stijgen naar 10000 omwentelingen per minuut.
Door het hogere toerental van de compressor zal ook de temperatuur van de inlaatlucht die naar de motor gevoerd wordt stijgen. De intercooler zal dus meer warmte af moeten voeren.

Nu is ook het verschil te zien in het brandstofverbruik; in de bergen zal het brandstofverbruik toenemen vanwege de hogere drukverhouding P2/P1 en het hogere turbotoerental.