Onderwerpen:
- Werking
- Turbogat
- Twin-turbo
- Tri-turbo
- Twin-scroll turbo
- Variabele geometrie turbo
- Dumpvalve
- Wastegate
- Intercooler
- Compressorkarakteristiek (surge- & chokeline)
- Combinatie turbo en compressor
- Elektronische turbo
Werking:
De uitlaatgassen die de cilinders uit komen, worden vanuit het uitlaatspruitstuk naar de turbo gevoerd. Door de uitlaatgasdruk gaat het turbinewiel draaien (de rode gassen). Vervolgens verlaten de uitlaatgassen de turbo via het zelfde turbinewiel naar de uitlaat. Door middel van een as word het compressorwiel aangedreven (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. De intercooler koelt de gecomprimeerde lucht af (bij koelere lucht presteert de motor beter). De lucht komt vervolgens in het inlaatspruitstuk terecht.
Met het toepassen van een turbo komt er meer lucht de cilinders binnen bij de inlaatslag dan bij een atmosferische motor, waarbij er allen aangezogen wordt doordat de zuiger omlaag beweegt. 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.
De turbodruk wordt gemeten door de laaddruksensor. Aan de hand van het signaal dat deze sensor naar de ECU stuurt wordt de turbodruk afgeregeld.
De turbo zit zo dicht mogelijk na het uitlaatspruitstuk gemonteerd. Soms zijn het spruitstuk en de turbo als één geheel uitgevoerd. De turbo moet zo dicht mogelijk na de cilinderkop gemonteerd worden, want neemt de snelheid van de uitlaatgassen zo min mogelijk af en gaat er zo min mogelijk druk verloren.
Turbogat:
Oudere turbo’s hebben vaak last van het beruchte turbogat. De turbo werkt op de uitlaatgassen van de motor. Als het gaspedaal in één keer tot de bodem ingedrukt wordt, heeft de motor vanuit een laag toerental in een keer veel toegevoerde lucht nodig, maar op dat moment moet de turbo nog op gang komen van de uitlaatgassen die vrij komen. De turbo levert dan nog niet genoeg druk. Pas wanneer de motor een hoger toerental heeft bereikt, komt de turbo pas goed op gang. Meestal gebeurt dat rond de 2000 t/pm en is dit voelbaar doordat de auto harder accelereert.
Dit turbogat wordt als een groot nadeel gezien. Daardoor zijn ook veel mensen voorstander van een mechanische compressor. Deze werkt constant, omdat deze direct door de krukas aangedreven wordt en dus altijd met hetzelfde 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.
Twin-turbo:
De toevoeging ’twin-turbo’ duidt 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 wordt de lucht dan door een kleine turbo aan de motor geleverd en bij hogere toerentallen wordt de 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.
In de onderstaande vier afbeeldingen zijn de situaties beschreven in welke situaties de turbo’s beiden werken, of wanneer slechts een van de twee werkt. De vier rondjes zijn de cilinders, de rode en blauwe delen zijn de uitlaatgassen en inlaatlucht. De intercooler is met “I.C.” aangegeven.
Laag motortoerental en lage motorbelasting:
Bij toerentallen onder de 1800rpm is er een kleine volumestroom van het uitlaatgas. Met het kleine volume is de inzet van de kleine turbo mogelijk. De klep tussen het uitlaatspruitstuk en de grote turbo staat gesloten. De uitlaatgas wordt dus alleen overgebracht van de kleine naar de grote turbo. De grote turbo wordt daarmee alvast op toeren gebracht. Er is sprake van een serieschakeling, omdat beiden turbo’s ingezet worden.
Midden motortoerental en matige belasting:
Tussen 1800 en 3000rpm opent de klep tussen het uitlaatspruitstuk en de grote turbo. Op dit moment worden beiden turbo’s direct door uitlaatgassen vanaf de motor aangedreven. Ook hier is sprake van een serieschakeling, omdat beiden turbo’s ingezet worden.
Hoog motortoerental en hoge belasting:
Boven de 3000rpm wordt de volumestroom van de uitlaatgas te groot voor de kleine turbo. De turbo wordt uitgeschakeld om de zogenaamde “chokeline” niet te passeren (zie het hoofdstuk compressorkarakteristiek verderop de pagina). De wastegate van de kleine turbo is hierbij geopend, zodat alle uitlaatgas die naar de turbo gevoerd wordt, langs de turbo wordt geleidt. Het uitlaatgas komt dan dus niet bij het compressorwiel terecht.
De grote turbo wordt hierbij wel volledig voorzien van uitlaatgas. De klep blijft open staan, zodat de grote turbo een hoog toerental kan maken en daarmee veel inlaatlucht naar het inlaatspruitstuk kan verplaatsen.
Tri-turbo:
Tegenwoordig worden er ook “tri-turbo” motoren gemaakt. Op deze motoren zijn drie turbo’s gemonteerd, zodat in elk toerenbereik een maximale vullingsgraad behaald kan worden. BMW past de tri-turbo techniek toe met o.a. de M550d. De twee kleine turbo’s maken gebruik van variabele geometrie, zodat deze zowel voor lage als hoge toerentallen geschikt zijn. Afhankelijk van het toerental wordt de turbo aangepast voor een beter respons. De grote turbo maakt gebruik van een wastegate.
Hieronder staan twee situaties beschreven waarbij aangegeven wordt welke turbo op welk moment in werking is.
Laag motortoerental en lage belasting:
Slechts één van de twee kleine turbo’s wordt aangedreven. Door het formaat van de turbo wordt deze snel opgespoeld. De kleine turbo voert de uitlaatgas door naar de grote turbo. De grote turbo wordt hiermee alvast op gang gebracht.
Midden en hoog motortoerental en belasting:
Beide kleine turbo’s worden aangedreven. De twee kleine turbo’s drijven de grote turbo aan. Hiermee wordt de maximale vuldruk bereikt bij alle midden en hoge toerentallen.
Twin-scroll turbo:
Wanneer er meerdere uitlaatgassen in het uitlaatspruitstuk bij elkaar komen, kunnen er interferentieproblemen ontstaan; de drukgolven belemmeren elkaar. Bij een Twin-scroll turbo worden de uitlaatgassen gescheiden van elkaar, in twee kanalen de turbo in geleidt. De uitlaatgassen van cilinder 1 en 2 komen dus niet bij elkaar in het inlaatspruitstuk, maar raken onafhankelijk van elkaar het turbinewiel. Het toepassen van een Twin-scroll turbo resulteert in een sneller gas respons en een hogere efficientie. In de onderstaande afbeelding is te zien dat de uitlaatgassen van cilinder 1 en 4 bij elkaar komen, en de van 2 en 3 bij elkaar.
Bij een conventionele turbo komen de uitlaatgassen in het uitlaatspruitstuk met elkaar in aanraking. Dit noemen we “interferentie”. De onderstaande afbeelding toont de drukpulsen die in het uitlaatspruitstuk ontstaan van één cilinder.
Doordat we te maken hebben met klepoverlap (de in- en uitlaatkleppen staan tijdens de wisseling van uitlaatslag naar inlaatslag beiden geopend), ontstaan er ook negatieve drukken (lager dan de atmosferische druk). Met klepoverlap helpen de uitlaatgassen mee om verse lucht in de verbrandingskamer te zuigen en het resterende uitlaatgas weg te drijven. De verbrandingskamwordt hiermee van meer zuurstof voorzien, zodat de volumetrische efficiëntie stijgt.
Als we kijken naar de drukken in het uitlaatspruitstuk van een viercilinder-motor, zien we een we zeer veel interferentie. Iedere positieve puls wordt door de negatieve druk als gevolg van de klepoverlap minder hoog. Dit is ten nadelen van het turbogat (reactietijd om op te spoelen)
Het toepassen van de twin-scroll turbo komt de reactietijd ten goede, omdat de uitlaatgassen van cilinders 1+4 en 2+3 worden gescheiden. De pulsen zijn, omdat ze op dat moment niet door negatieve pulsen worden beïnvloed, een stuk sterker. De constructeur kan daarom ook de tijd dat klepoverlap plaatsvindt, vergroten om een nog hogere volumetrische efficiëntie te verkrijgen.
Variabele geometrie turbo:
Een turbo met een wastegate 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 geometrie turbo heeft geen wastegate, maar heeft in het uitlaatkanaal verstelbare schoepen. Door een stelring te verdraaien zijn deze schoepen aan te passen. Deze stelring wordt door middel van een vacuüm verdraaid. De benodigde hoeveelheid vacuüm wordt aan de hand van de motorbelasting en het motortoerental door een solenoïdeklep (magneetklep) verzorgd, welke aangestuurd wordt door de ECU.
Door de schoepen te verstellen kan de luchtstroom gericht worden. Door een verandering van de luchtstroom kan bij lage toerentallen, dus ook lagere uitlaatgasdrukken, de turbo toch al op een hoger toerental draaien. Door de stand van de schoepen is de hoeveelheid uitlaatgas dat binnen kan stromen beperkt. Om hogere toerentallen te kunnen draaien, zullen de schoepen bij een hoger motortoerental naar binnen versteld worden. Zowel bij lage als hoge toerentallen kan een hoge vuldruk verkregen worden. Hierdoor is de werking van de turbo over een groot toerengebied optimaal, want de motor zal bij een laag toerental al dezelfde vuldruk toegevoerd krijgen als bij een hoger toerental.
Dumpvalve:
De dumpvalve wordt ook wel een “blow-off valve” genoemd. De dumpvalve zit gemonteerd op een turboslang, waar de lucht vanaf de turbo naar de inlaatzijde van de motor gevoerd wordt. Als er gas wordt gegeven, kan de turbo van een personenauto 200.000 rotaties per minuut halen. Bij dat toerental wordt de maximale laaddruk bereikt. Als het gaspedaal in één keer losgelaten wordt, is er een overvloed aan luchtdruk aan de inlaatzijde van de motor, maar de gasklep staat dan dicht.
Zonder dumpvalve ontstaat er een tegendruk richting de turbo, waardoor de geleverde laadlucht het toerental van de turbo snel af laat nemen. Bij opnieuw gas geven duurt het lang voordat de turbo weer op snelheid is. De dumpvalve voorkomt dit. Wanneer het gas los gelaten wordt, zal deze een bepaalde hoeveelheid toegevoerde lucht afblazen. Het teveel aan lucht is dan uit het inlaatsysteem verdwenen. De turboschoepen worden niet afgeremd en zullen dus 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 bij een auto met een turbo het gas los gelaten wordt tijdens het accelereren.
Wastegate:
Op elke turbo zonder variabele schoepen zit een wastegate gemonteerd. De wastegate zorgt dat de druk in het turbinehuis (dus aan de uitlaatzijde) niet te groot wordt. Op het moment dat de turbo in werking is en druk opbouwt, is de wastegate gesloten. Alle lucht die bij de uitlaatslag de cilinders verlaat, wordt daadwerkelijk gebruikt om het turbinewiel aan te drijven. Hiermee wordt de maximale vuldruk bereikt.
Echter, bij stationair draaien is er geen turbodruk nodig. Op dat moment opent de wastegate. Een deel van de uitlaatgassen wordt naar de uitlaat omgeleid; het kan direct naar de uitlaat stromen. De wastegate is in principe een klep tussen het uitlaatspruitstuk en de uitlaat van de motor; alle lucht die door de wastegate heen stroomt, gaat niet door de turbo heen. Er wordt dus in principe beschikbare energie niet gebruikt. De benaming van de wastegate is daarom ook te verklaren; “Waste” is Engels voor “verlies”.
Ook bij het bereiken van een bepaald toerental gaat de wastegate open; bij het accelereren dient de turbo snel op toeren te komen, maar als het turbine- dus ook het compressorwiel een bepaald toerental bereikt, moet dit toerental constant gehouden worden. Door bij dit toerental de wastegate te openen, kan het teveel aan uitlaatgas direct naar de uitlaat geleidt worden. Het toerental van de turbo kan geregeld worden door de openingshoek van de wastegate te regelen. De ECU regelt aan de hand van de gegevens van de laaddruksensor de mate waarin de wastegate aangestuurd wordt.
Intercooler:
De temperatuur van de gecomprimeerde lucht kan erg warm worden (meer dan 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.
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 voor deze kleine turbo. Er is meer uitlaatgas aanwezig dan dat er in de turbo past; in dat geval moet de wastegate 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 wastegate 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.
De drukverhouding P2/P1 (op de Y-as) is de verhouding tussen de inlaat (P1) en de uitlaat van de turbo (P2). De druk ná het turbinewiel is altijd lager dan ervoor. 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 afbeelding is de 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.
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 ervoor 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 afbeelding.
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 100000 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.
Combinatie van turbo en compressor:
Tegenwoordig kiezen autofabrikanten er steeds meer voor om de motor uit te rusten met een turbo en een compressor. De turbo heeft dan vaak een groter formaat en is uitgerust met een waste gate. De compressor dient ervoor om het turbogat te voorkomen; in lage motortoerentallen zorgt de compressor voor de laaddruk en brengt de turbo op gang. Bij hogere toerentallen neemt de turbo het over.
De gecomprimeerde lucht gaat via de compressor of omloopklep naar de turbo en via de turbo door de intercooler naar het inlaatspruitstuk.
Klik hier voor meer informatie over de Roots-compressor.
Elektronische turbo:
Een conventionele turbo heeft bij lage toerentallen last van een turbogat, doordat er uitlaatgassen nodig zijn om het turbinewiel aan te drijven. Een compressor heeft hier geen last van en levert vanaf een stationair toerental al laaddruk. Een combinatie van deze twee lijkt ideaal. Echter, een mechanische Roots-compressor moet aangedreven worden door de krukas. Hierbij gaat energie verloren. Autofabrikanten experimenteren dus met meerdere uitlaatgasturbo’s of elektrische turbo’s om het turbogat van de uitlaatgasturbo te voorkomen.
De elektrische turbo wordt door het motorregelapparaat aangestuurd. In slechts 250 milliseconden bereikt het compressorwiel een toerental van maarliefst 70.000 omwentelingen per minuut. De elektromotor in de turbo zorgt voor de aandrijving van het compressorwiel. Het compressorwiel verplaatst de inlaatlucht onder druk naar het compressorwiel van de uitlaatgasturbo. Het compressorwiel spint zeer snel op wanneer de elektromotor wordt aangestuurd.
Met behulp van de elektrische turbo heeft de motor een sneller aanspreekgedrag.Bij hogere toerentallen, waarbij de uitlaatgasturbo in staat is de volledige laaddruk te leveren, wordt de elektronische turbo uitgeschakeld.