Turbolader: verschil tussen versies

Tussen 1885 en 1896 onderzochten Gottlieb Daimler en Rudolf Diesel de mogelijkheden om het vermogen van de motor te verhogen en het brandstofverbruik te verminderen door gecomprimeerde lucht in de motor te brengen. Uiteindelijkdoor hetmiddel wasvan de Zwitsereen Alfred J. Buchi die in 1925 het eerste succes boekte met de uitlaatgas turbopomp. In [[1905]] verkreeg de Zwitserse ingenieur [[Alfred Buchi]] een patent op het gebiedprincipe vanzo'n pomp door de uitlaatgassen aan te drijven, de ''turbocharger''. In 1925 volgde een patent voor een praktische toepassing. Deze turbo was toen alleen nog maar toepasbaar voor langzaamlopende scheepsdiesels. Deze draaiden met een [[toerental]] van 100-120 omwentelingen per minuut. De [[zuiger]]snelheid was laag, materialen werden niet zwaar belast en de thermische belasting (warmte) was laag.

Dit laatste is bijna nooit mogelijk, daar het toerental meestal al optimaal is bij de geplande levensduur. Een hoger toerental betekent onherroepelijk een kortere levensduur van alle lagers, drijfstangenbewegende etcdelen. Meer brandstof geven kan ook, maar in beperkte mate. Als er niet voldoende lucht (en dandaarvan met namede zuurstof) meer aanwezig is om de brandstof volledig te verbranden is hetwordt alleen maar verspillingbrandstof van brandstofverspild. Toevoegen van brandstof zonder de daarbij benodigde zuurstof resulteert in een te rijk mengsel, waarbij de motor zal gaan roken en meer brandstof gaat verbruiken. Ook kan er roet neerslaan op de uitlaatkleppen en/of de bougie waardoor de motor zal gaan weigeren.

Om het vermogen te vergroten is het dus niet voldoende om alleen maar meer brandstof te geven, maar er zal ookmoet de hiervoor benodigde zuurstof moeten worden toegevoegd. Dit zal dan moetenmoet gebeuren onder een hogere luchtdruk dan de [[luchtdruk|atmosferische druk]]. Dit heet drukvulling en kan door middel van ''turbocharging'' en ''supercharging''.

Door de toepassing van drukvulling stijgt de vullingsgraad van de cilinders en daarmee het vermogen van de motor. Tegenwoordig is de trend het zogenaamde ''downsizen'' van motoren: het volume van de motor verkleinen en dus het gewicht verkleinen. Om tot dit resultaat te komen zonder iets af te doen aan vermogen en souplesse van de motor, wordt vaak een turbo toegepast. Door de hogere druk komt er meer lucht in de motor en verbetert de vullingsgraad, waardoor er ook meer brandstof kan worden toegevoerd, bij optimale verbranding. Hierdoor wordt het vermogen groter en verbetert het rendement. De verhouding vermogen/mechanische verliezen stijgt waardoor nogmaals het rendement verbetert.

Een supercharger is een mechanisch aangedreven compressor. Een bekende is de [[Roots compressor|Roots supercharger]], gebruikt door [[Mercedes-Benz]] en daarvoor door Eaton flink aangepast. Dan is er de G-lader <ref>[http://www.volksforum.com/albums/files/5/7/2/ladergereviseerd.JPG G-Lader]</ref>, deze is enkele jaren gebruikt bij [[Volkswagen]], waarbij de lucht wordt samengeperst door een excentrisch [[slakkenhuis (pomp)|slakkenhuis]]. Supercharging werd o.a.onder andere in de race-auto's van [[Bentley (auto)|Bentley]] al in de jaren dertig30 toegepast.

Het nadeel van deze superchargers was dat ze nogal onbetrouwbaar waren en dat ze veel vermogen vroegen. Bij lage snelheid gaven ze weinig [[Druk (grootheid)|druk]], zodat het rendement bij lage toerentallen flink terugliep. Ook was er veel [[wrijving]] van de twee [[tandwiel]]en, en dus meer [[slijtage]]. Dit wordt wel eens verminderd door vlak bij de inlaat van de Roots een [[olievernevelaar]] te plaatsen.{{Bron?||2010|08|07}} Het principe is eenvoudig, twee “tandwielen” die in elkaar lopen. Het gaat hierbij om een lang uitgerekt tandwiel met weinig tanden. Er bevonden zich hooguit zes tanden (ook wel lobben genoemd). Deze zitten in een behuizing opgesloten. Eén van de tandwielen wordt aangedreven door de [[krukas]]. En zo zal er dus een pompende werking ontstaan. De lucht wordt aangezogen en samengeperst in de inlaat. Een groot voordeel is dat dit systeem al werkt bij stationair draaiende motor. Dusen dus ideaal is voor [[tweetaktmotor|tweetakt]]diesels. En doorDoor middel van een [[koppeling (aandrijving)|elektromagneetkoppeling]] kan men de Roots zowel in- als uitschakelen. Deze supercharger wordt nu nog steeds veel gebruikt, vooral bij [[dragster]]s en Amerikaanse [[Hot Rod]]'s. Intussen is er qua techniek ook veel verbeterd.

Bij het [[prototype]] van de [[SaabSVC-motor]] SVC motor met variabele compressie van Saab wordt een mechanisch aangedreven compressor toegepast, zo te zienvermoedelijk van het type Lysholm.{{Bron?||2010|08|07}} Saab deed dat om ook bij lage toerentallen een hoge [[gemiddelde effectieve druk]] (dus hoog [[koppel (aandrijftechniek)|koppel]]) te krijgen. De maximale vuldruk bedraagt hierbij 2,8 bar.

Een betere oplossing is de ''turbocharger'' zoals hij nu wordt gebruikt. HijDie bestaat uit een radiaalstroomturbine, die op zijn beurt een centrifugaalcompressor aandrijft. Deze turbo heeft aan de [[Uitlaat (verbrandingsmotor)|uitlaatzijde]] een [[schoepenwiel]] zitten in een slakkenhuis. Dit schoepenwiel heet een turbinewiel en wordt aangedreven door de uitlaatgassen. Er is een [[as (mechanica)|as]] bevestigd aan het turbinewiel. Deze as drijft een ander schoepenwiel aan, namelijk het compressorwiel. Dit compressorwiel zit ook in een nauwe behuizing die gevormd is als een slakkenhuis. De aandrijving wordt niet gehaald uit de warmte, maar uit de stroom van uitlaatgassen.

De uitlaatgassen hebben zodra ze de cilinders verlaten nog een bepaalde druk. Deze druk varieert natuurlijk per type motor en uitlaat, bijvoorbeeld 0,6 tot 0,7 [[bar (druk)|bar]] (60 tot 70 kPa). Deze gassen stellen een bepaalde hoeveelheid voor (massa) met een druk enhebben een temperatuur van ongeveer 500-700 °C. Dezeen gassenhun hebbenstroming heeft [[potentiëlekinetische energie]], ofwelen daarmee de mogelijkheid van arbeid. De vorm van het turbinehuis (de uitlaatzijde van de turbo) zorgt ervoor dat deze potentiëlekinetische energie wordt omgezet in [[kinetische energie]]: arbeid van beweging. De uitlaatgassen krijgen een hoge snelheid en met deze snelheid botsen ze tegen de [[schoep|turbineschoepen]] aancompressorschoepen.

De compressorzijde werkt precies andersom. Het doel is lucht te maken voor in de cilinders die meer zuurstofmoleculen bevat per volume-eenheid. Aan de compressorzijde wordt de lucht samengeperst, de druk neemt toe maar als gevolg van de compressie stijgt ook de temperatuur. Uit de [[Algemene gaswet]] volgt dat bij gelijke druk de dichtheid daalt als de temperatuur stijgt. Om dat negatieve effect van temperatuurstijging te reduceren, wordt er vaak gebruikgemaakt van een [[luchtkoeler]] die de inlaatluchttemperatuur weer naar beneden brengt. Het resultaat is lucht met hoge druk en lage temperatuur en dus hoge dichtheid. Als deze dichtere lucht in de cilinders komt, komt er meer zuurstof in de cilinders en kan er dus meer brandstof worden ingespoten die volledig verbrandt. Met alsHet resultaat is meer vermogen bij hetzelfde toerental.

Enkele kengetallen; aangezogen lucht: 25°C, temperatuur gecomprimeerde lucht zonder koeling: 120°C, temperatuur gecomprimeerde lucht met koeling: 40°C, druk voor de cilinders: 0,57 bar. EenEr is een verschil van 80 graden door gebruik van een koeler.{{Bron?||2010|08|07}}

Een ander belangrijk voordeel van een turbomotor is hoogtecompensatie. Hoe groter de hoogte, hoe ijler de lucht. IJlere lucht bevat minder zuurstof en voor een [[stoichiometrie|stoichiometrische]] verbranding kan er dus ook minder brandstof aan toegevoegd worden. In [[1961]] heeft [[DAF (fabrikant)|DAF]] proeven gedaan met een dieselmotor in samenwerking met C.A.V op het gebied van hoogtecompensatie. Hieruit kwamen de volgende cijfers: een motor zonder turbo verloor 50% vermogen bij een stijging van 5000 meter boven zeeniveau, een motor met turbo verloor slechts 4% vermogen. Het brandstofverbruik dat veranderde, was respectievelijk 100% (zonder turbo) en 5% (met turbo). Deze getallen zijn enigszins kunstmatig: in 1961 was de toename in snelheid van de turbine alleen acceptabel tot 3000 meter om geen overbelasting van het materiaal te veroorzaken. Deze problemen spelenzijn vandaaglater geen rol meeropgelost.