naar top
Menu
Logo Print
Artikel - 05/01/2018

MEER ADEM VOOR DE VERBRANDINGSMOTOR

Turbo's boosten motorvermogen

Om bij de heersende downsizingtrend het vermogen op peil te houden, speelt de turbo een belangrijke rol. Die slaagt er namelijk in om een kleinere en lichtere motor toch de nodige punch te geven door de toevoer van samengeperste lucht. Naast een overzicht van de bouw, de werking en de recentste ontwikkelingen bieden wij u ook een blik achter de schermen van het revisieproces van een turbo.

VOORDELEN

  • gunstige verhouding gewicht-vermogen; met een turbo kan er uit een kleine motor meer vermogen gehaald worden;
  • gunstiger brandstofverbruik, zeker over lange afstanden;
  • betere verbranding en daardoor minder schadelijke emissie;
  • minder lawaai dan vrij aanzuigende motor; fungeert ook als extra uitlaatdemper;
  • betere prestaties op grotere hoogtes; meer energie omdat de tegendruk van ijlere lucht op hoogte lager is.
  • invetten
  • meten
  • balanceren
  • montage
  • afstellen

NADELEN

  • 'turbolag': de turbo begint pas echt te werken vanaf een bepaald toerental; aandrijving door uitlaatgassen die pas in grote hoeveelheid vrijkomen bij een hoog toerental;
  • warmte: uitlaatgassen hebben al snel temperaturen ≥ 800 °C en verwarmen de inlaatlucht, waardoor die minder zuurstofrijk wordt, wat de verbranding niet bevordert;
  • extra belasting: het hogere vermogen belast de motor meer, waardoor die als geheel minder lang meegaat; kan vermeden worden door warm te rijden en de motor na stilstand te laten koelen.

1. Demontage

Bij de binnenkomst wordt de turbo volledig ontmanteld.

2. Reiniging

Vervolgens worden de onderdelen grondig gereinigd. Daar komen een industriële oven en een speciale wasmachine aan te pas.

3. Inspectie

Na de reiniging volgt een inspectie van de onderdelen.

4. Stralen

Na inspectie volgt een oppervlaktebehandeling van de gietijzeren onderdelen. Die worden gestraald met een sterke straalkorrel. Aluminium onderdelen krijgen een beurt met een keramische glasparel in een andere straalmachine. Het lagerhuis wordt nog nabehandeld met een ultrasoon reinigingsbad om alle vuil te verwijderen.

5. Bewerken

Waar nodig, worden zaken zoals schroefingangen bewerkt om opnieuw te voldoen.

6. Invetten

Alle onderdelen worden nu ingevet om roestvorming te voorkomen.

7. Meten

Vervolgens worden alle dimensies van de onderdelen gecontroleerd om te zien of er geen afwijking in de maatvoering zit. Belangrijk is dat de rechtheid van de turbineas wordt gecheckt.

8. Balanceren

De turbo balanceren is een van de belangrijkste revisieprocesonderdelen. Elke component dient apart gebalanceerd te worden op een balanceermachine, voor de montage tot één draaiend geheel.

9. Montage

Na de uitbalancering van de onderdelen kunnen die gemonteerd worden. Daarop moet de turbo als geheel worden uitgebalanceerd met behulp van een binnenwerkbalanceermachine. Daarna volgt er nog een eindtest op toerentallen zoals die ook op de motor behaald worden.

10. Afstellen

Vervolgens moet de ruimte op de lagers van het binnenwerk gecontroleerd worden (verificatie met gegevens van de turbofabrikant). De laatste afstelling is die van de actuator, volgens de fabriekswaarden.

Verpakken

De gereviseerde turbo kan stevig verpakt worden; klaar voor transport naar de klant.

MOTORVERMOGEN

Elke motor en zeker ook de automotor levert een vermogen. Bij verbrandingsmotoren wordt dat geleverd door een combinatie van brandstof, zuurstof en ontbrandingstemperatuur. Een van deze drie factoren veranderen heeft invloed op het vermogen. Meer vermogen bij een gelijkblijvende temperatuur kan bekomen worden door meer aanvoer van brandstof en zuurstof. Dit vergt meer cilinderinhoud en dus een grotere, zwaardere en duurdere motor. De snelheid van de brandstof- en luchtaanvoer zou ook kunnen worden verhoogd, waardoor het toerental toeneemt, maar de motoronderdelen ook sneller slijten.

DRUKVULLING

De oplossing om het motorvermogen te vergroten, ligt in het samenpersen van de lucht voor de intrede in de motor. De aanlevering van deze samengeperste lucht voor de verbranding in de motor kan op vier manieren.

Pulsdrukvulling

Een verouderde drukvulling is de pulsdrukvulling, waarbij het nodige drukvermogen uit de uitlaatgassen wordt gehaald, maar er ook een mechanische aandrijving is tussen motor en drukvulling. Die wordt vandaag nog zelden toegepast.

Mechanische drukvulling

De mechanische drukvulling (supercharging) haalt het drukvermogen van de mechanische verbinding tussen motor en drukvulling: de krukas. Er bestaan types met en varianten zonder inwendige compressie.

  • zonder inwendige compressie: fungeert als pomp; als de compressor meer lucht levert dan de motor kan aanzuigen, ontstaat er overdruk in de inlaat.
  • met inwendige compressie: o.a. spiraalcompressoren; de productie werd stilgelegd door hoge productiekosten.

Uitlaatgasdrukvulling

Turbo's met uitlaatgasdrukvulling werken volgens het principe van de constante druk. De turbocharger is in principe een compressor die door de uitlaatgassen wordt aangedreven.

Registerdrukvulling

Het registerdrukvullingssysteem is een van de nieuwste ontwikkelingen. Hierbij start het turboproces met een kleine turbo, waarna een grote turbo de luchttoevoer naar de motor overneemt. Resultaat: 20% meer vermogen, meer koppelvermogen bij lage toerentallen en een breder toerengebied.

WERKING TURBO

Uitlaatgassen, afkomstig uit de cilinders waar de verbranding plaatsvindt, drijven het turbinewiel in de turbo aan. Dit wiel is met een starre as gekoppeld aan een compressorwiel en drijft het aan. Het draaiende compressorwiel zuigt lucht aan en perst die lucht samen. Bij het openen van de inlaatklep stroomt de gecomprimeerde lucht de cilinder binnen.

Vermogensevenwicht

Hoe meer energie de uitlaatgassen leveren, hoe meer toeren de turbine en ook de compressor maakt. Zo wordt er meer lucht in de motor gepompt, waardoor die meer energie kan leveren. De motor en de turbo zijn niet mechanisch met elkaar verbonden, enkel stromingstechnisch door inlaatlucht en uitlaatgassen. Bijgevolg hangt het toerental van de turbo ook niet af van het motortoerental, maar van het motorvermogen. Meer brandstof in de motor doet de uitlaatgassen sneller stromen, waardoor de turbo sneller draait, de vuldruk stijgt en er meer lucht in de cilinders gepompt wordt. Daardoor kan er ook meer brandstof worden toegevoegd.

Resultaat: een steeds betere verbranding van een grotere hoeveelheid. Bij een gelijkblijvende cilinderinhoud ontstaat er zo een groter motorvermogen.

OPBOUW TURBO

Compressor

De compressor is de benaming voor het geheel van een aluminium compressorhuis en het compressorwiel. De vorm van het compressorhuis comprimeert de lucht, waarna die onder druk naar de verbrandingsruimte gaat.

In het compressorhuis bevindt zich het compressorwiel dat star op de turbineas is gemonteerd; het draait m.a.w. even snel als het turbinewiel (zie verder).

De schoepen van het compressorwiel zijn gevormd om de lucht aan te zuigen. Deze aangezogen lucht wordt naar de omtrek van het wiel geleid en tegen de wand van de compressor gedrukt. De samengedrukte lucht gaat dan via het inlaatspruitstuk in de motor.

De hoge rotatiesnelheden deden de vlakke compressorwielen evolueren naar compressorwielen met een versterkte achterzijde en zelfs 'boreless' wielen. Vaak wordt er op de compressoruitgang ook een recirculatieklep geplaatst. Die opent automatisch wanneer de druk in de luchtinlaat wegvalt, waardoor de lucht bij de compressoruitgang teruggeleid wordt naar de compressorinlaat.

Binnenwerk

Het centrale gedeelte van de turbo gemonteerd tussen compressorhuis en turbinehuis is het binnenwerk, waarin het lagerhuis geplaatst is. In het lagerhuis loopt de starre turbineas die draait in een zwevend lagersysteem met een of twee radiaallagers. Aan beide zijden van deze as zitten er schoepenwielen, met de omgekeerde stand van de turbinewielschoepen. Deze stand zorgt ervoor dat er lucht vanuit de luchtfilter wordt aangezogen. De smering van de turbineas en lagers (en ook koeling voor as, lagers en lagerhuis) gebeurt via het oliecircuit van de motor. Om dit circuit gesloten te houden, zitten er olieafdichtingen aan turbine- en compressorzijde. Aan beide zijden zitten er zuigerveertjes, die echter geen echte oliekeerringen zijn.

Turbine

De turbine wordt gevormd door het turbinehuis en de turbineas. Het gietijzeren turbinehuis is bestand tegen temperaturen boven 800 °C. Uitlaatgassen worden via het uitlaatspruitstuk van de motor naar het turbinehuis geleid. Omdat het kanaal binnen het turbinehuis steeds kleiner wordt, zal er automatisch een stroomversnelling van het gas plaatsvinden. De slakkenhuisvorm zorgt ervoor dat de gassen om het turbinewiel geleid worden en dat het begint te draaien.

De turbineas vormt met een las op het turbinewiel een starre verbinding met de compressor. De as is hol ter hoogte van deze las om als thermische brug de warmteoverdracht van het wiel naar de as te bemoeilijken. Aan de turbinekant van de turbineas zit er een groef met daarin het zuigerveertje. Het loopvlak van de radiaallagers is extra verhard en gladgepolijst. Het dunnere uiteinde van de as loopt door het compressorwiel en is aan het uiteinde voorzien van een schroefdraad waarop er een borgmoer zit voor de sluiting van de rotor.

De druk wordt meestal geregeld door een overdrukklep die een gedeelte van de uitlaatgassen om de turbine leidt wanneer de druk te hoog dreigt te worden. Deze 'wastegate' wordt meestal geopend en gesloten door de actuator (membraan dat aan het compressorhuis is gemonteerd).

TURBOTECHNIEK

Intercooler

De gecomprimeerde lucht wordt door het samenpersen warmer en minder zuurstofrijk. Omdat dit nadelig is voor een optimale verbranding, wordt er tussen de turbo en de motor een soort radiator 'intercooler' geplaatst om de lucht af te koelen.

Parallelle/serieschakeling

Gebruikmaken van meerdere turbo's is mogelijk, en wordt voornamelijk gedaan bij motoren van het V-type. Kleinere turbo's komen sneller op gang en reageren dus eerder op het gaspedaal. Het nadeel is dat twee kleine turbo's duurder zijn dan één grote. Bovendien is de synchronisatie heel gevoelig.

Het is ook mogelijk om turbo's in serie te schakelen, m.a.w. op één lijn te plaatsen. Dit creëert een versterkend effect.

Turbo-elektronica

Om tegemoet te treden aan eisen op het vlak van verbruik, emissie en geluid, berekenen kleine computers bij elk toerental de optimale turbodruk.

Variabele turbinetechniek

De variabele turbinetechniek het gebruikmaken van variatie in de grootte van de doorlaat lost de beperking van de uitlaatgasdoorlaat van het turbinehuis op. Een kleine doorlaat zorgt voor betere prestaties bij lage toerentallen, maar bereikt al snel zijn maximum aan vermogen. Bij een grote doorlaat keert het probleem zich om en wordt er ondergepresteerd bij lagere motortoerentallen.

Een variabele geometrie betekent in de praktijk een aantal beweegbare vanen rondom het turbinehuis. Daarmee wordt de hoek veranderd waarmee de uitlaatgassen op het turbinewiel terechtkomen. Een bijna dichte positie doet de turbo reageren alsof hij een kleine uitlaatgasdoorlaat heeft. Een opening van de vanen bij een grotere druk maakt dat de eigenlijke grootte van de uitlaatgasdoorlaat benut wordt. Er zijn ook varianten van deze variabele turbochargers met een 'slidevane'; een verschuifbare ring bepaalt in dat geval de toestroom naar de schoepen.