Hoe turbochargers werken

  • Jacob Hoover
  • 0
  • 2613
  • 445
Afbeeldingengalerij: turbochargers Het turbocompressorsysteem van de Mitsubishi Lancer Evolution IX. Zie meer afbeeldingen van turbocompressoren. YOSHIKAZU TSUNO / AFP / Getty-afbeeldingen

Als mensen het hebben over raceauto's of high-performance sportwagens, dan is het onderwerp turbochargers komt meestal naar boven. Turbochargers 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 en tegelijkertijd extreme bedrijfsomstandigheden doorstaat. We zullen ook leren hoe wastegates, keramische turbinebladen en kogellagers turbochargers helpen hun werk nog beter te doen. Turbochargers zijn een soort gedwongen inductiesysteem. Ze samenpersen 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 krijg je meer kracht van elke explosie in elke cilinder. Een motor met turbocompressor levert in totaal meer vermogen dan dezelfde motor zonder opladen. Dit kan de vermogen-gewichtsverhouding van de motor aanzienlijk verbeteren (zie How Horsepower Works voor details).

-Om deze boost te bereiken, gebruikt de turbocompressor de uitlaatgasstroom van de motor om een turbine, die op zijn beurt een luchtpomp. De turbine in de turbolader draait met snelheden tot 150.000 omwentelingen per minuut (tpm) - dat is ongeveer 30 keer sneller dan de meeste automotoren. 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 turbocharger toevoegt.

Inhoud
  1. Turbochargers en motoren
  2. Ontwerp van turbocompressor
  3. Onderdelen voor turbocompressoren
  4. Twee turbochargers en meer turbo-onderdelen gebruiken
Waar de turbocompressor zich in de auto bevindt.

Een van de zekerste manieren om meer vermogen uit een motor te halen, is door meer lucht en brandstof te verbranden. Een manier om dit te doen is door cilinders toe te voegen of de huidige cilinders groter te maken. Soms zijn deze veranderingen misschien niet haalbaar - een turbo kan een eenvoudigere, compactere manier zijn om stroom toe te voegen, vooral voor een aftermarket-accessoire.

Turbochargers zorgen ervoor dat een motor meer brandstof en lucht kan 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 50 procent meer vermogen te krijgen. Het is niet perfect efficiënt, dus u kunt een 30 tot 40 procent verbetering in plaats daarvan.

Een oorzaak van de inefficiëntie komt voort uit het feit dat het vermogen om de turbine te laten draaien niet gratis is. Het hebben van een turbine in de uitlaatstroom verhoogt de beperking in de uitlaatgassen. Dit betekent dat bij de uitlaatslag de motor tegen een hogere tegendruk in moet duwen. Dit trekt een klein beetje kracht af van de cilinders die tegelijkertijd vuren.-

-

Hoe een turbocompressor in een auto wordt aangesloten. Met dank aan Garrett

De turbocompressor is vastgeschroefd aan de uitlaatspruitstuk van de motor. De uitlaat van de cilinders draait de turbine, 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.

Binnenin een turbocompressor Met dank aan Garrett

De uitlaat van de cilinders gaat door de turbinebladen, waardoor de turbine gaat draaien. Hoe meer uitlaatgassen er door de messen gaan, hoe sneller ze draaien.

Aan het andere uiteinde van de schacht waaraan de turbine is bevestigd, de compressor pompt lucht in de cilinders. De compressor is een soort centrifugaalpomp - hij zuigt lucht aan 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 zorgvuldig worden ondersteund. De meeste lagers exploderen bij snelheden als deze, dus de meeste turbochargers gebruiken een vloeistoflager. Dit type lager ondersteunt de as op een dun laagje olie dat constant om de as wordt gepompt. Dit dient twee doelen: het koelt de as en enkele van de andere turbodelen, en het laat de as draaien zonder veel wrijving.

Er zijn veel afwegingen bij het ontwerpen van een turbolader voor een motor. In de volgende sectie 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. Kloppen gebeurt omdat als u lucht comprimeert, de temperatuur van de lucht toeneemt. 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 octaangehalte rijden om kloppen te voorkomen. Als de vuldruk echt hoog is, moet de compressieverhouding van de motor mogelijk worden verlaagd om kloppen te voorkomen.

Turbochargers geven motoren een boost bij hoge snelheden. © Fotograaf: Max Dimyadi | Bureau: Dreamstime.com

Een van de grootste problemen met turboladers is dat ze niet onmiddellijk een vermogensboost geven wanneer u gas geeft. Het duurt een seconde voordat de turbine op snelheid is voordat er een boost wordt geproduceerd. Dit resulteert in een gevoel van vertraging als je op het gas trapt, en dan schiet de auto vooruit als de turbo in beweging komt.

Een manier om de turbovertraging te verminderen, is door de traagheid van de draaiende delen, voornamelijk door hun gewicht te verminderen. Hierdoor kunnen de turbine en de compressor snel accelereren en eerder een boost geven. Een zekere manier om de traagheid van de turbine en de compressor te verminderen, is door de turbolader kleiner te maken. Een kleine turbocompressor zorgt voor een snellere boost en bij lagere motortoerentallen, maar kan mogelijk niet veel boost geven bij hogere motortoerentallen wanneer een echt grote hoeveelheid lucht de motor in gaat. Het is ook in gevaar om te snel te draaien bij hogere motortoerentallen, wanneer er veel uitlaatgassen door de turbine gaan.

De meeste auto-turbocompressoren hebben een wastegate, waardoor het gebruik van een kleinere turbocompressor mogelijk is om vertraging te verminderen en tegelijkertijd te voorkomen dat deze te snel draait bij hoge motortoerentallen. De wastegate is een klep waarmee de uitlaat de turbinebladen kan omzeilen. De wastegate voelt de boostdruk. 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 turbochargers 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 turbochargers worden gebruikt. Ze maken ook het gebruik van een iets kleinere, lichtere steel 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.

Een Mazda RX-8 roterende coupé uitgerust met een aftermarket turbocompressorsysteem. TOSHIFUMI KITAMURA / AFP / Getty-afbeeldingen

Sommige motoren gebruiken twee turbochargers van verschillende maten. De kleinere draait zeer snel op snelheid, waardoor vertraging wordt verminderd, terwijl de grotere het overneemt bij hogere motortoerentallen voor meer boost.

Wanneer lucht wordt gecomprimeerd, warmt het op; en wanneer lucht opwarmt, zet het uit. Een deel van de drukstijging van een turbolader is dus het resultaat van het verwarmen van de lucht voordat deze de motor in gaat. Om het vermogen van de motor te vergroten, is het doel om meer luchtmoleculen in de cilinder te krijgen, niet noodzakelijkerwijs meer luchtdruk.

Een intercooler of inlaatluchtkoeler is een extra component dat er ongeveer uitziet als een radiator, behalve dat lucht zowel door de binnenkant als de buitenkant van de intercooler stroomt. De inlaatlucht gaat door afgesloten doorgangen in de koeler, terwijl koelere lucht van buiten over de vinnen wordt geblazen door de koelventilator van de motor.

-

De intercooler verhoogt het vermogen van de motor verder door de onder druk staande lucht die uit de compressor komt te koelen voordat deze de motor in gaat. Dit betekent dat als de turbocompressor met een boost van 7 psi werkt, het intercoolersysteem 7 psi koelere lucht zal inbrengen, die dichter is en meer luchtmoleculen bevat dan warmere lucht..

Een turbolader helpt ook bij Grote hoogtes, 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 massa lucht krijgt. Een turbomotor kan ook een verminderd vermogen hebben, maar de vermindering zal minder dramatisch zijn omdat de dunnere lucht gemakkelijker door de turbolader kan worden gepompt.

Oudere auto's met carburateurs verhogen automatisch het brandstofverbruik om te passen bij 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 een turbo wordt toegevoegd.

Als een turbolader met te veel boost wordt toegevoegd aan een auto met brandstofinjectie, levert het systeem mogelijk niet genoeg brandstof - ofwel de software die in de controller is geprogrammeerd, staat dit niet toe, of de pomp en injectoren kunnen dit niet leveren. In dit geval zullen andere aanpassingen moeten worden aangebracht om het maximale uit de turbocompressor te halen.

Raadpleeg de links op de volgende pagina voor meer informatie over turbochargers en aanverwante onderwerpen.

Gerelateerde artikelen

  • Engine Quiz
  • Hoe automotoren werken
  • Hoe auto-ontstekingssystemen werken
  • Hoe paardenkracht werkt
  • Hoe koppelomvormers werken
  • Hoe de Aptera Hybrid werkt
  • Hoe Champ Cars werkt
  • Hoe NASCAR-raceauto's werken
  • Hoe autokoelsystemen werken
  • Hoe helpt lachgas een motor beter te laten presteren??

Meer geweldige links

  • Turbo International: How Turbos Work - geïllustreerd!
  • Mercedes-Benz: VNT-turbocompressor met variabele turbinegeometrie
  • Ray Hall Turbocharging - Twin Turbo 351 Windsor
  • Sport Compact Car Magazine: Turbo Basics



Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.

De meest interessante artikelen over geheimen en ontdekkingen. Veel nuttige informatie over alles
Artikelen over wetenschap, ruimte, technologie, gezondheid, milieu, cultuur en geschiedenis. Duizenden onderwerpen uitleggen, zodat u weet hoe alles werkt