Turbo theorie

Drukvulling door turbocompressor

Een bepalende factor voor het vermogen van een verbrandingsmotor is de maximale hoeveelheid lucht/brandstofmengsel die per slag verbrand kan worden.

Bij een gewone (atmosferische) motor wordt die hoeveelheid bepaald door de cilinderinhoud en de buitenluchtdruk. In de praktijk wordt door stromingsverliezen de buitenluchtdruk niet bereikt in de verbrandingskamer.

Wanneer we meer lucht in de motor kunnen krijgen, dan kan ook meer brandstof worden ingespoten en zal het maximaal bereikbare vermogen toenemen. Beter gezegd: De verhouding gewicht/vermogen en het litervermogen zal toenemen (fig. 1).

Figuur 1: Vergelijking van koppel en vermogen van een atmosferische en druk-gevulde motor met gelijke cilinderinhoud (Volvo B230F v.s. B230FK)

Om meer mengsel in de motor te krijgen moet de inlaatlucht er op de één of andere manier in worden geperst i.p.v. aangezogen. We noemen dit drukvulling. Drukvulling kan op verschillende manieren bereikt worden, doorgaans door een compressor in het inlaattraject te plaatsen. Er zijn compressors die rechtstreeks door de krukas aangedreven worden, de z.g. Roots compressor. Maar de meest bekende, en ook door Volvo toegepaste in de 700/900 serie, is de turbocompressor. Daarover gaat het op deze pagina.

De turbocompressor is een luchtpomp die door een turbinewiel in het uitlaattraject wordt aangedreven. Figuur 2 geeft het principe hiervan weer.

Figuur 2: Schematische weergave turbolading

Bij turbolading zorgt de energie die in de uitlaatgassen zit voor de aandrijving van een turbocompressor. Deze kinetische energie wordt omgezet in mechanische energie.

Het toerental van de turbocompressor hangt in beperkte mate af van het toerental van de motor, maar veel meer van het geleverde motorvermogen. Meer vermogen leidt tot meer energie in de uitlaatgassen en dus tot een hogere turbocompressorsnelheid. Dit is op zichzelf gunstig omdat op het moment dat meer motorvermogen gevraagd wordt de inlaatdruk verhoogd wordt en het gevraagde vermogen verder kan worden opgevoerd. Zonder turbodrukregeling kan men stellen dat de vuldruk direct evenredig is met de uitlaatgasenergie, dus het vermogen van de motor. Theoretisch houdt dit in dat het motorvermogen oneindig hoog kan worden opgevoerd. Immers: Meer vermogen geeft een hogere vuldruk, hetgeen weer leidt tot een hoger motorvermogen, waardoor de vuldruk weer hoger wordt, etc.

Bij personenwagens die over een breed toerengebied werken is het belangrijk dat een hoge vuldruk ook bij een relatief laag toerental wordt bereikt. Wanneer we kiezen voor een nauwe doorlaat aan uitlaatzijde dan komt de turbine snel op gang en kan de gewenste vuldruk snel worden bereikt. Een overdrukklep moet er voor zorgen dat het toelaatbaar-vermogen niet overschreden wordt - zie het kopje 'Turbodrukregeling' hieronder.

De hitte van de uitlaatgassen maken de noodzakelijke smering bij de zeer hoge toerentallen en de gewenste lage temperatuur van de inlaatgassen niet eenvoudig. Zij vormen tegenstrijdige eisen waar de constructeur rekening mee moet houden. Figuur 3 laat de (gevaarlijke) temperatuurverhoging zien die optreedt na het direct stilzetten van een volbelaste motor. Door het aanbrengen van hitteschilden en koelmantels probeert men het uitlaatgas-gedeelte gescheiden te houden van het inlaatgedeelte. Voor koeling en smeren is de turbo aangesloten op het smeeroliecircuit van de motor en vaak ook nog op het koelwatercircuit voor extra koeling.

Figuur 3: Optredende temperatuurverhoging na het stilzetten van de motor (tek. Grohe).

De turbo-techniek is in grote lijnen gelijk voor benzine- en Dieselmotoren. Er is echter één groot verschil:

Bij een benzinemotor wordt het vermogen geregeld op basis van de cilindervulling; de hoeveelheid brandstof is afhankelijk van de hoeveelheid lucht. De druk in het inlaatspruitstuk wordt geregeld door de gasklep (of beter gezegd; smoorklep).

Een Diesel heeft altijd de maximale hoeveelheid lucht en het vermogen wordt geregeld wordt door meer of minder brandstof in te spuiten. De druk in het inlaatspruitstuk mag altijd maximaal zijn.

Een nevenefect van de turbo is dat de temperatuur en druk van het uitlaatgas dalen, hetgeen voor de werking van de katalysator niet altijd even gunstig is.

Turbodrukregeling - waste-gate

Het is belangrijk om de turbodruk onder controle te houden. Een ongeregelde turbocompressor zal een ontoelaatbare hoge druk opleveren en hierdoor de motor beschadigen (fig. 4).

Figuur 4: Koppelkromme van een benzinemotor met en zonder drukvulling, al dan niet afgeregeld (Grohe).

Het systeem met een afblaasklep of waste-gate is voor benzine- en Dieselmotoren vrijwel gelijk.

Figuur 5 toont het principe:

Figuur 5: De wastegate opent wanneer de inlaatdruk te hoog oploopt (tek. Lancia).

We zien dat de waste-gateklep door te openen de uitlaatgassen om de turbine heen leidt. De uitlaatgassen kunnen dan zonder de turbine te passeren in de uitlaatpijp verdwijnen. De klep wordt aangestuurd door de WGA (Waste Gate Actuator), die op zijn beurt reageert op de druk in het inlaatgedeelte. Is de druk daar te hoog dan wordt de veer van de WGA ingedrukt en opent de waste-gate klep. Het toerental van de turbine daalt en de inlaatdruk vermindert. De veerspanning in de WGA is bepalend voor de klepopeningsdruk.

Op de turbo's van de 7/900-serie is de waste-gate geïntegreerd met het turbinehuis. Bij grotere turbo's worden soms één of meer wastegates tussen uitlaatspruitstuk en turbo geplaatst.

Bij modernere motoren is de waste-gatedruk vaak variabel gemaakt; een door de computer gemoduleerd stuurvacuüm zorgt voor een afblaasdruk die afhangt van de rijomstandigheden.

Intercooler

Wanneer lucht wordt gecomprimeerd ontstaat warmte. Wanneer de compressie verkregen wordt door een turbocompressor dan zal de lucht ook nog opwarmen ten gevolge van turbocompressor zelf. De hete uitlaatgassen warmen het turbinewiel en het huis op en ten gevolge van geleiding zal ook het inlaatluchtgedeelte opwarmen. De cilindervulling neemt ten gevolge van de opwarming weer af. Met behulp van een intercooler kunnen we de temperatuur van de inlaatlucht afkoelen. Intercoolers kunnen zowel de buitenlucht als de motorkoelvloeistof gebruiken als koelmiddel. Figuur 6 geeft de opstelling weer.

Figuur 6: Een intercooler geplaatst tussen de turbo-compressor en de motor koelt de gecomprimeerde luchtstroom af voor een betere cilindervulling.

Bij de Volvo 700/900 zit de intercooler voor de radiator, deze werkt dus d.m.v. buitenlucht.

Turbogat en deceleratieklep (CBV)

Er is nog een probleem dat een rol speelt in de turbodrukregeling van benzinemotoren. Wanneer vanuit vollast het gaspedaal plotseling wordt losgelaten (gasklep gaat dicht) dan bouwt zich een forse druk op in het inlaatgedeelte. Deze druk remt de turbo sterk af. Bij het opnieuw openen van de gasklep moet de druk opnieuw worden opgebouwd, dit kost tijd en hierdoor ontstaat het z.g. 'turbogat'. Bovendien kan op termijn de turbo hierdoor beschadigd raken. Het openen van de waste-gate verhelpt dit niet. Toepassing van een deceleratieklep (Engels: Compressor Bypass Valve, CBV) biedt de oplossing. Aangestuurd door vacuüm in het inlaatspruitstuk wordt het inlaatgedeelte van de turbo kortgesloten; de turbodruk wordt afgeblazen naar de aanzuigzijde van de compressor (fig. 7).

Figuur 7: Een deceleratieklep of Compressor Bypass Valve voorkomt het z.g. turbogat dat ontstaat na deceleratie (tek. Seat).

Bij de turbo's van de 700/900-serie is de CBV geïntegreerd met de turbo. Hij zit direct op het compressorhuis gemonteerd en wordt aangestuurd (via een vacuümslang) door onderdruk in het inlaatspruitstuk.

Bij andere merken/motoren wordt de CBV ook wel los van de turbo als klep in het inlaattraject gemonteerd (zoals in fig. 7) Bij modernere motoren wordt hij door het motormanagement aangestuurd. Soms (m.n. bij hogere tubodruk - tuning) wordt i.p.v. de CBV ook wel een Blow Of Valve (BOV) of dump valve toegepast. Die blaast af naar de buitenlucht, i.p.v. terug het inlaattraject in. Bekend voorbeeld hiervan is b.v. de Subaru WRC, met het kenmerkende 'pfieeew'-geluid tijdens het schakelen.

Tekst en afbeeldingen overgenomen van TIMLOTO (http://www.timloto.org/nl/matrix/matrix_prestatie4.html) en aangepast voor de Volvo 700/900.

Overige bronnen en links:

http://en.wikipedia.org/wiki/Turbocharger

http://people.physics.anu.edu.au/~amh110/blow_off_valve.htm

Artikel in Factor 700, 2003-11