Turbo Motors Uitgelegd: Belangrijke Feiten & Innovaties

Heb je gehoord over het hoge-vermogen invoerapparaat in een verbrandingsmotor? Het geheim is de turbocharger. Ook bekend als turbo, uitgevonden in de vroege twintigste eeuw door een ingenieur in Zwitserland, Alfred Buchi. Hij introduceerde een prototype om de kracht van dieselmotoren te verhogen.

Vandaag is turbocharging een standaardapparaat voor de meeste benzine- en dieselmotoren. Onderzoek loopt nog steeds naar manieren om turbocharger-ontwerpen te verbeteren voor betere prestaties bij lagere productiekosten. Hoewel trilling-geïnduceerde spanningen en lagerprestaties grote uitvalfactoren zijn. Een rotodynamische analyse zou een belangrijk deel van het turbocharger-ontwerpproces moeten zijn.

In een automobielmotor wordt kracht geproduceerd in de verbrandingskamer met inlaat brandstof/lucht-mengsel. Na de compressie wordt het mengsel als uitlaatgas vrijgegeven, wat afvalproducten zijn en vervuiling veroorzaken. Maar in plaats van de uitlaatgassen onbruikbaar te laten, gebruikt de turbocharger het om de motor sneller te laten draaien.

Vandaag kijken we naar definitie, functies, toepassingen, onderdelen, geschiedenis, diagram, typen, werking, voor- en nadelen van een turbocharger. Dit artikel is breed, dus lees door om de kennis te verwerven.

Turbocharger Definitie

Een turbocharger is een turbine-aangedreven, gedwongen inductie-apparaat dat de efficiëntie en krachtuitgang van verbrandingsmotoren verhoogt door extra gecomprimeerde lucht in de verbrandingskamer te dwingen. Deze hete lucht-inductie werkt omdat de compressor meer lucht en proportioneel meer brandstof in de verbrandingskamer kan dwingen dan normale atmosferische druk.

Een turbocharger is een apparaat gemonteerd op een voertuigmotor om de algehele efficiëntie te verbeteren en de prestaties te verhogen. Turbochargers waren oorspronkelijk bekend als turbosuperchargers omdat alle gedwongen inductie-apparaten als superchargers geclassificeerd worden. Een supercharger is een term voor een mechanisch aangedreven gedwongen inductie-apparaat.

Het verschil tussen een turbocharger en een conventionele supercharger is dat een turbocharger wordt aangedreven door een turbine aangedreven door de uitlaatgassen van de motor. Terwijl een supercharger mechanisch wordt aangedreven door de krukas van de motor, vaak verbonden met een riem. Echter, turbochargers zijn efficiënter maar minder responsief. De term Twin-charger verwijst naar een motor met zowel een turbocharger als een supercharger.

Geschiedenis

Korte geschiedenis: credits gaan naar Alfred J Buchi (1879–1932), werkzaam bij Gebruder Sulzer Engine Company in Winterthur, Zwitserland. Het project werd een jaar voor de Eerste Wereldoorlog ontwikkeld, geoctrooierd in Duitsland in 1905. Hij verbeterde het project tot zijn dood na vier decennia.

Andere ingenieurs verdienen ook erkenning. Jaren eerder was Sir Dugald Clark (1854–1932), een Schotse uitvinder van een tweestuksmotor. Hij experimenteerde met het scheiden van compressie- en expansiefasen van verbranding met twee afzonderlijke cylinders.

Zijn experiment werkte als supercharging, het verhoging van zowel luchtstroom in cylinders als hoeveelheid brandstof die verbrand kon worden. Andere ingenieurs als Louis Renault, Gottlieb Daimler en Lee Chadwick deden ook mee aan supercharging-systemen.

Functies van Turbocharger

De primaire functie is het verhogen van de werkefficiëntie van een automobielmotor. Doelstellingen waarom turbo blijft bestaan ondanks beperkingen:

• Extra kracht zonder verhoging van motorcilinderinhoud.
• Laat de motor sneller draaien zonder toename van brandstofverbrandingssnelheid.
• Maakt gebruik van koolstofdioxide (uitlaatgas) in plaats van vervuiling te veroorzaken.

Toepassingen van Turbocharger

Turbochargers worden veel gebruikt in automobielmotoren: vrachtwagens, auto's, treinen, vliegtuigen, bouwmachines. Moderne Otto- en dieselmotoren hebben turbochargers.

Benzine- en Diesel-auto's:

Turbo-geblazen auto's zijn gangbaar bij benzine en diesel om krachtuitgang te verhogen bij gegeven cilinderinhoud. Het verhoogt ook brandstofefficiëntie, waardoor een kleinere cilinderinhoud mogelijk is. Deze motoren verliezen ongeveer 10% gewicht en besparen tot 30% brandstofverbruik bij zelfde piekpk.

De eerste turbo-geblazen personenauto was de Oldsmobile Jetfire optie. Het gebruikte het component op een 215 cu in aluminium V8 en op Chevrolet Corvair Monza Spyder koelvlak zescilinder motor.

Dieselauto's vertrouwen zwaar op turbochargers voor verbeterde efficiëntie, rijbaarheid en prestaties. Eerste productie was Garrett-geturbo-de Mercedes in 1978.

Vrachtwagens:

Voor dezelfde voordelen hebben diesel vrachtwagenturbos sinds 1938 turbocharging.

Vliegtuigen:

Door de jaren heen verhoogde de turbocharger ook de efficiëntie van vliegtuigen.

Motorfietsen:

Meeste Japanse bedrijven produceerden high-performance motorfietsen met turbo sinds begin jaren '80. Er zijn weinig geturbo-de motorfietsen, door overvloed aan grotere cilinderinhoud. Natuurlijk geaspireerde motoren bieden koppel en krachtvoordelen van kleinere motoren met turbo, maar leveren lineairere krachtkarakteristieken.

Onderdelen van Turbochargers

• Cartridges (volledig gemonteerde en gebalanceerde turbocharger-kernen)
• Vacuüm-actuatoren en pneumatische actuatoren
• Elektronische actuatoren (elektrische servo-aandrijvingen)
• Compressorbehuizingen (behuizingen van de koude sectie/deel van de turbocharger)
• Turbocharger reparatiesets (reserveonderdeelsets voor snelle kleine reparatie)
• Compressorwielen (turbocharger compressorwielen)
• As en wielen (turbochargerassen met turbinewiel, turbinerotoren)
• Drupringbehuizingen (behuizingen voor VNT-geometriebesturingselementen)
• Lagerbehuizingen (cartridge behuizingen, turbo kern behuizingen)
• Achterplaten (turbocharger kernplaat van compressorkant)
• VNT Drupringen (Ringen met druppen voor VNT turbochargers, VNT geometriebesturingsknopen)
• Warmteschermen (turbocharger kern warmteschermen)
• Pakkingssets (turbocharger pakkingssets)
• Actuator sensoren (druksensoren, standsensoren)
• VNT Pakkingen (interne pakkingen voor VNT turbochargers)
• Turbinebehuizingen (behuizingen van de warme sectie/deel van de turbocharger)
• Elektronische actuatoronderdelen (elektromotoren, assen, tandwielen van turbocharger servo-aandrijvingen).

Types Turbochargers

Enkele Turbo:

De eenvoudigste, meest voorkomende en goedkoopste turbocharger. Het heeft grenzenloze variabiliteit en als kleinere turbo biedt het betere low-end koppel omdat ze sneller opspoelen. Enkele turbo heeft kogellager en plain bearing die minder wrijving bieden voor compressor en turbine om op te draaien.

Voordelen: kleinere motoren mogen ook een turbo hebben, kosten-effectiviteit, eenvoud en makkelijke installatie. Verhoogt ook motorefficiëntie.

Beperkingen: redelijk smal effectief toerbereik. Enkele turbo's maken dimensionering een kwestie: keuze tussen betere high-end kracht of goed low-end koppel. Tenslotte kan de reactie traag zijn vergeleken met andere turbo-typen.

Twin Turbos:

Twin-turbo laat één turbocharger per cylinderbank toe (V8, V12, etc.). Alternatief: één turbo voor lage toer en bypass naar grotere turbo voor hoge toer. Twee vergelijkbare turbo's waarbij één bij lage toer en beide bij hogere toer (14, 16) werken. BMW X5 M en X6 M gebruiken twin-scroll turbo's, één aan elke kant van de V8.

Voordeel bij sequentiële of lage/hoge toer: breder, platter koppelcurve, betere low-end koppel, maar kracht loopt niet af bij hoge toer als bij enkele turbo. Beperkingen: kosten en complexiteit, component bijna verdubbeld. Er zijn lichtere alternatieven voor vergelijkbaar resultaat.

Twin-Scroll Turbo:

In bijna elk opzicht beter dan single-scroll turbo's omdat met twee scrolls de uitlaatpulsen verdeeld worden. Bij viercilindermotoren met brandvolgorde 1-3-4-2 kunnen cylinders 1 en 4 een scroll voeden, cylinders 2 en 3 de andere. Doel: er is overlap in de cylinder. Stel cylinder 1 eindigt machtsslag bij onderste doodpunt, uitlaatklep opent. Tegelijkertijd eindigt cylinder 2 uitlaatslag door klep te sluiten en inlaatklep te openen.

Bij traditionele single-scroll turbo-collector interfereert uitlaatdruk van cylinder 1 met cylinder 2 die verse lucht intrekt, omdat beide uitlaatkleppen tijdelijk open zijn. Dit vermindert hoeveelheid druk die de turbo bereikt en belemmert hoeveelheid lucht die tweede cylinder intrekt.

Voordelen: meer energie naar uitlaatturbine, breder toerbereik van effectieve boost door verschillende scroll-ontwerpen. Meer klepoverlap zonder uitlaatafzuiging te belemmeren, leidend tot meer tuning-flexibiliteit.

Beperkingen: kosten en complexiteit hoger dan enkele turbo's; vereist specifieke motorlay-out en uitlaatontwerp.

Variable Geometry Turbocharger (VGT):

Variabele geometrie turbo's zijn gangbaar op dieselmotoren en beperkt in productie door kosten en exotic materiaaleisen. Interne schuiven in de turbocharger veranderen de area-to-radius A/R ratio om te corresponderen met toer. Bij lage toer: lage A/R ratio verhoogt uitlaatgassnelheid en spoelt turbo snel op. Als toer stijgt, neemt A/R ratio toe om luchtstroom te verhogen, resulterend in lage turbo lag, lage boost-drempel en brede, gladde koppelband.

Voordelen: brede, plate koppelcurve, effectief bij heel wijd toerbereik. Vereist enkele turbo, vereenvoudigt sequentiële turbo-opzet tot iets compacters. Beperkingen: alleen in dieseltoepassingen waar uitlaatgassen lager zijn, zodat schuiven niet door hitte vernietigd worden. Bij benzine-motor: hoge kosten exotische metalen voor betrouwbaarheid.

Variable Twin-Scroll Turbocharger:

De variable twin-scroll turbo is aanzienlijk goedkoper dan VGT's, een voorkeur voor benzine-turbocharging. Het combineert VGT met twin-scroll: bij lage toer is één scroll volledig gesloten, alle lucht gedwongen in de andere. Als motorsnelheid stijgt, opent een klep om lucht in de andere scroll te laten voor goede high-end prestaties.

Voordelen: brede, plate koppelcurve, robuuster ontwerp dan VGT. Kosten en complexiteit zijn beperkingen; technologie was eerder ongewenst.

Elektrische Turbochargers:

Met toepassing van elektromotor in een turbocharger worden eigenschappen verbeterd en onmiddellijke boost aan de motor geleverd. Low-end koppel eenvoudig geproduceerd, lag geëlimineerd. Deze turbocharger is misschien de beste, misschien brengt een nieuwe versie het om.

Voordelen: wijd effectief toerbereik met gelijkmatig koppel. Verspilde energie hersteld door elektromotor direct verbonden met uitlaatturbine. Turbo lag en onvoldoende uitlaatgassen virtueel geëlimineerd door compressor met electrische kracht te laten draaien wanneer nodig.

Complexiteit en kosten zijn nadelen door rekening te houden met elektromotor. Verpakking en gewicht zijn ook een kwestie, met name met toevoeging van een batterij aan boord die voldoende stroom levert aan de turbo wanneer nodig. Vergelijkbare voordelen verkrijgbaar via andere typen als VGT's of twin-scrolls.

Werkingsprincipe

Met basiskennis van hoe een straalmotor werkt, is begrip van auto's met turbocharger makkelijker. Een straalmotor zuigt verse lucht aan de voorkant, mengt en verbrandt met brandstof in de kamer. Vervolgens blaast het hete lucht door de achterkant. De hete lucht roert voorbij een turbine van een compact metaal windmolen, die de compressor (luchtpomp) aan de voorkant van de motor aandrijft. De motor gebruikt het om lucht in de motor te duwen zodat brandstof goed verbrandt.

Een vergelijkbaar proces geldt voor de turbocharger op een auto-zuigermotor. Uitlaatgassen drijven de turbine aan, die een luchtcompressor doet draaien die extra lucht in de cylinders duwt. Dit zorgt ervoor dat meer brandstof per seconde verbrandt, waarom een geturbo-de auto meer kracht kan produceren. Meer energie per seconde.

Turbochargers bestaan uit twee helften verbonden door een as. Een helft bevat een turbine die gedraaid wordt door hete uitlaatgassen, de andere helft bevat een turbine die lucht aansuigt en comprimeert in de motor. Deze compressie biedt extra kracht en efficiëntie. Naarmate meer lucht de verbrandingskamer binnenkomt, wordt meer brandstof toegevoegd wat extra kracht oplevert.

Let op: gecomprimeerde lucht is heet, minder dicht en stijgt over radiators. Deze hete lucht is minder effectief om brandstof te laten verbranden. Daarom moet de lucht van de compressor afgekoeld worden voordat deze de cylinders binnenkomt. De hete lucht van de compressor passeert een warmtewisselaar die overtollige warmte verwijdert voordat het de verbrandingskamer binnenkomt.

Waar de extra kracht vandaan komt en hoeveel je kunt krijgen

Meeste mensen denken dat de turbine extra kracht levert uit ontvangen uitlaatgas, maar dat is niet waar. Het uitlaatgas drijft de compressor aan die lucht naar de verbrandingskamer overbrengt, waardoor de motor meer brandstof per seconde verbrandt. De extra kracht komt van de extra brandstof die sneller verbrandt.

De hoeveelheid extra kracht die een turbocharger geeft, wordt bepaald door hoe groot de componenten zijn. Turbochargers kunnen verbeterd worden om de motor krachtiger te maken, afhankelijk van gewenste kracht. Maar er is een verbeteringsgrens. Cylinders zijn zo groot dat ze zoveel lucht en brandstof kunnen ontvangen om te mengen.

Voordelen en Nadelen van Turbochargers

Voordelen:

• Extra kracht aan de motor.
• Gratis kracht aan de motor via verspilde uitlaatgassen; vereist geen motorkracht om te drijven.
• Gebruikt in zowel diesel- als benzine-motoren.
• Verbetert brandstofefficiëntie van motoren.

Nadelen:

Ondanks voordelen blijven twee hoofdbeperkingen. Nadelen van de turbocharger:

Een groot probleem is turbo lag. Dit gebeurt wanneer de gaspedaal ingedrukt wordt; het duurt voordat de motor op toer komt. Turbochargers nemen tijd om de motorsnelheid weer te geven.

Bij lage motorsnelheid is er onvoldoende uitlaatgas om de compressor te laten draaien voor de benodigde kracht. De benodigde uitlaat ontstaat na indrukken gaspedaal. Dit effect wordt verminderd door terug te schakelen naar lagere versnelling, maar expertchauffeurs merken soms de splitseconde vertraging in reactie.

De tweede beperking treedt niet op in alledaagse rijomstandigheden. Alleen wanneer de motor aan haar limiet geduwd wordt. De warmte van de uitlaatgassen wordt erg heet en zorgt ervoor dat de turbocharger begint te gloeien.

Daarom zijn de meeste geturbo-de sportauto's ontworpen met ventilaties aan de onderkant van de motor. Deze ventilatie houdt luchtcirculatie constant en koelt de onderdelen.

Concluderend: we hebben je de diverse functies van turbochargers blootgelegd. Een ervan is het verhogen van werking en brandstofefficiëntie van motoren. We zagen de verschillende typen turbo's en hun werking. Voordelen en nadelen onthuld.