emner:
- drift
- Turbohul
- Twin turbo
- Tri-turbo
- Twin scroll turbo
- Turbo med variabel geometri
- Dump ventil
- Wastegate
- intercooler
- Kompressorkarakteristik (surge & chokeline)
- Kombination turbo og kompressor
- Elektronisk turbo
Operation:
Udstødningsgasserne, der kommer ud af cylindrene, føres fra udstødningsmanifolden til turboen. Udstødningsgastrykket får turbinehjulet til at rotere (de røde gasser). Udstødningsgasserne forlader så turboen via det samme turbinehjul til udstødningen. Kompressorhjulet drives ved hjælp af en aksel (de blå gasser). Kompressorhjulet suger luften ind fra siden (hvor luftfilteret er vist) og forsyner den under tryk (via den blå pil) via turboslangen til intercooler. Intercooleren køler den komprimerede luft (motoren klarer sig bedre med køligere luft). Luften kommer derefter ind i indsugningsmanifolden.
Ved brug af turbo kommer der mere luft ind i cylindrene under indsugningsslaget end ved en naturlig indsuget motor, som kun trækkes ind, fordi stemplet bevæger sig nedad. Ved at tilføre mere luft til cylindrene på denne måde og tilføre mere brændstof, vil der være større effekt til rådighed.
Turbotrykket måles ved ladetryksensor. Turbotrykket justeres ud fra det signal, som denne sensor sender til ECU'en.
Turboen monteres så tæt som muligt efter udstødningsmanifolden. Nogle gange er manifolden og turboen designet som én helhed. Turboen skal monteres så tæt som muligt på topstykket, fordi hastigheden på udstødningsgasserne falder mindst muligt, og så lidt tryk som muligt går tabt.
Turbo lag:
Ældre turboer lider ofte under det berygtede turbolag. Turboen virker på udstødningsgasserne fra motoren. Hvis speederpedalen trykkes helt i bund i én omgang, har motoren brug for meget luft ved lavt omdrejningstal, men i det øjeblik skal turboen stadig starte fra de udstødningsgasser, der frigives. Turboen leverer endnu ikke nok tryk. Først når motoren har nået et højere omdrejningstal, starter turboen ordentligt. Dette sker normalt omkring 2000 o/min og er mærkbart, fordi bilen accelererer hårdere.
Denne turboforsinkelse ses som en stor ulempe. Som et resultat er mange mennesker for en mekanisk kompressor. Dette virker konstant, fordi det drives direkte af krumtapakslen og derfor altid med samme hastighed som motoren drejer. En kompressor vil straks levere tryk fra tomgang, når du accelererer. De turboer, der er bygget i biler i dag, er mindre påvirket af dette, blandt andet takket være den variable turbo.
Twin turbo:
Tilføjelsen 'twin-turbo' angiver tilstedeværelsen af to turboer. Disse 2 turboer kan placeres ved siden af hinanden på 1 cylinderrække, eller 1 turbo per cylinderrække. Dette giver føreren fordelen af større drejningsmoment ved lave hastigheder, bedre ydeevne i højhastighedsområdet og en mere jævn motorkarakter. Ved lave hastigheder bliver luften så tilført motoren af en lille turbo, og ved højere hastigheder bliver den større turbo funktionel. Den større turbo har et større turbo lag, fordi den skal have mere luft for at komme i gang, men det ophæves så af den lille turbo.
De fire billeder nedenfor beskriver de situationer, hvor begge turboer virker, eller hvor kun en af de to virker. De fire cirkler er cylindrene, de røde og blå dele er udstødningsgasserne og indsugningsluften. Intercooleren er mærket "IC".
Lav motorhastighed og lav motorbelastning:
Ved hastigheder under 1800 rpm er der en lille volumenstrøm af udstødningsgassen. Den lille volumen gør det muligt at bruge den lille turbo. Ventilen mellem udstødningsmanifolden og den store turbo er lukket. Udstødningsgassen overføres derfor kun fra den lille til den store turbo. Den store turbo er allerede ved at blive skruet op. Dette er en seriekobling, fordi begge turboer bruges.
Mellem motorhastighed og moderat belastning:
Mellem 1800 og 3000 o/min åbner ventilen mellem udstødningsmanifolden og den store turbo. I øjeblikket drives begge turboer direkte af udstødningsgasser fra motoren. Dette er også en seriekobling, fordi begge turboer bruges.
Høj motorhastighed og høj belastning:
Over 3000rpm bliver volumenstrømmen af udstødningsgassen for stor til den lille turbo. Turboen er slukket for ikke at krydse den såkaldte "chokeline" (se kapitlet om kompressorkarakteristik længere nede på siden). Den lille turbos wastegate åbnes, så al udstødningsgas, der tilføres turboen, føres forbi turboen. Udstødningsgassen når så ikke kompressorhjulet.
Den store turbo er fuldt forsynet med udstødningsgas. Ventilen forbliver åben, så den store turbo kan nå høj hastighed og dermed flytte en masse indsugningsluft til indsugningsmanifolden.
Tri-turbo:
Nu om dage laves der også "tri-turbo" motorer. Tre turboer er monteret på disse motorer, så der kan opnås et maksimalt fyldningsniveau i hvert hastighedsområde. BMW bruger tri-turbo teknologien med blandt andet M550d. De to små turboer bruger variabel geometri, så de er velegnede til både lave og høje hastigheder. Afhængigt af hastigheden justeres turboen for bedre respons. Den store turbo bruger en wastegate.
To situationer er beskrevet nedenfor, der angiver, hvilken turbo der er i drift på hvilket tidspunkt.
Lav motorhastighed og lav belastning:
Kun den ene af de to små turboer er drevet. På grund af turboens størrelse spoles den hurtigt op. Den lille turbo sender udstødningsgassen videre til den store turbo. Dette vil allerede starte den store turbo.
Mellem og høj motorhastighed og belastning:
Begge små turboer er drevne. De to små turboer driver den store turbo. Dette opnår maksimalt ladetryk ved alle mellem- og højhastigheder.
Twin scroll turbo:
Når flere udstødningsgasser samles i udstødningsmanifolden, kan der opstå interferensproblemer; trykbølgerne hindrer hinanden. Med en Twin-scroll turbo skilles udstødningsgasserne fra hinanden og føres ind i turboen i to kanaler. Udstødningsgasserne fra cylinder 1 og 2 samles ikke i indsugningsmanifolden, men rammer turbinehjulet uafhængigt af hinanden. Anvendelse af en Twin-scroll turbo resulterer i en hurtigere gasrespons og højere effektivitet. Billedet nedenfor viser, at udstødningsgasserne fra cylinder 1 og 4 kommer sammen, og dem fra 2 og 3 kommer sammen.
Med en konventionel turbo kommer udstødningsgasserne i kontakt med hinanden i udstødningsmanifolden. Vi kalder dette "interferens". Billedet nedenfor viser trykimpulserne skabt i udstødningsmanifolden på en cylinder.
Fordi vi har at gøre med ventiloverlapning (indløbs- og udstødningsventilerne er begge åbne under skiftet fra udstødningsslag til indsugningsslag), skabes der også undertryk (lavere end atmosfærisk tryk). Med ventiloverlapning hjælper udstødningsgasserne med at trække frisk luft ind i forbrændingskammeret og drive den resterende udstødningsgas væk. Dette tilfører forbrændingskammen mere ilt, så den volumetriske effektivitet øges.
Når vi ser på trykkene i udstødningsmanifolden på en firecylindret motor, ser vi en masse forstyrrelser. Hver positiv puls bliver mindre høj på grund af undertrykket på grund af ventiloverlapningen. Dette er en ulempe ved turboforsinkelsen (reaktionstid for at spolere op)
Brug af twin-scroll turbo forbedrer responstiden, fordi udstødningsgasserne fra cylinder 1+4 og 2+3 adskilles. Pulserne er meget stærkere, fordi de ikke påvirkes af negative pulser i det øjeblik. Producenten kan derfor også øge den tid, hvor ventiloverlapningen sker, for at opnå endnu højere volumetrisk effektivitet.
Turbo med variabel geometri:
En turbo med wastegate lider af turbolag; Først når motoren roterer et vist antal omdrejninger, forsynes turboen med tilstrækkelig udstødningsgas til at komme i drift. En turbo med variabel geometri har ingen wastegate, men har justerbare vinger i udstødningskanalen. Disse klinger kan justeres ved at dreje en justeringsring. Denne justeringsring drejes ved hjælp af et vakuum. Den nødvendige mængde vakuum leveres af en magnetventil (magnetventil) baseret på motorbelastningen og motorhastigheden, som styres af ECU'en.
Ved at justere bladene kan luftstrømmen styres. På grund af en ændring i luftstrømmen kan turboen allerede køre med et højere omdrejningstal ved lave motorhastigheder, herunder lavere udstødningsgastryk. Placeringen af vingerne begrænser mængden af udstødningsgas, der kan strømme ind. For at kunne køre med højere hastigheder vil knivene blive justeret indad ved højere motorhastighed. Et højt påfyldningstryk kan opnås ved både lave og høje hastigheder. Dette sikrer, at turboen fungerer optimalt over et bredt hastighedsområde, fordi motoren får samme ladetryk ved lav hastighed, som den gør ved højere hastighed.
Dump ventil:
Dumpventilen kaldes også en "afblæsningsventil". Dumpventilen er monteret på en turboslange, hvor luften føres fra turboen til indsugningssiden af motoren. Ved acceleration kan en personbils turbo nå 200.000 omdrejninger i minuttet. Ved den hastighed nås det maksimale ladetryk. Når speederpedalen slippes på én gang, er der en overflod af lufttryk på indsugningssiden af motoren, men gasspjældet er lukket.
Uden dumpventil skabes et modtryk mod turboen, hvilket får den tilførte ladeluft til hurtigt at reducere turboens hastighed. Når du igen accelererer, tager det lang tid for turboen at komme op i fart igen. Tømningsventilen forhindrer dette. Når gassen frigives, vil den blæse en vis mængde tilført luft af. Den overskydende luft er så forsvundet fra indsugningssystemet. Turbobladene bremses ikke og vil derfor starte hurtigere, når gashåndtaget igen accelereres. Dumpventilen lukker med det samme, når den tilførte luft er blæst af. I modsætning til hvad mange tror, giver en dumpventil ikke mere kraft.
Dumpventilen forårsager den typiske afblæsningslyd, når gassen frigives under acceleration i en bil med turbo.
Wastegate:
En wastegate er monteret på hver turbo uden variable skovle. Wastegate sørger for, at trykket i turbinehuset (dvs. på udstødningssiden) ikke bliver for stort. Når turboen er i drift og trykket bygges op, lukkes wastegate. Al den luft, der forlader cylindrene under udstødningsslaget, bruges faktisk til at drive turbinehjulet. Dette når det maksimale påfyldningstryk.
Men i tomgang kræves der ikke noget ladetryk. I det øjeblik åbnes wastegate. Nogle af udstødningsgasserne ledes til udstødningen; det kan strømme direkte til udstødningen. Wastegate er dybest set en ventil mellem udstødningsmanifolden og motorens udstødning; al luft, der strømmer gennem wastegate, passerer ikke gennem turboen. Så i princippet bruges tilgængelig energi ikke. Navnet på wastegate kan derfor også forklares; "Waste" er engelsk for "tab".
Wastegate åbner også, når en vis hastighed nås; Ved acceleration skal turboen hurtigt stige, men når turbinen inklusive kompressorhjulet når en vis hastighed, skal denne hastighed holdes konstant. Ved at åbne wastegate ved denne hastighed kan overskydende udstødningsgas ledes direkte til udstødningen. Turboens hastighed kan styres ved at justere åbningsvinklen på wastegate. ECU regulerer baseret på data fra ladetryksensor i hvilket omfang wastegate er kontrolleret.
Intercooler:
Temperaturen på trykluften kan blive meget varm (mere end 60 grader Celsius). For bedre forbrænding skal luften køle af. Det sørger intercooleren for. Intercooleren er en separat del og er derfor beskrevet detaljeret på en anden side; se siden intercooler.
Kompressorkarakteristik (surge & chokeline)
Ved design af en motor skal der tages hensyn til turboens størrelse. At matche størrelsen af turboen til motoren kaldes "matching". Hvis turboen er for stor, vil der opstå et stort 'turbo gap'. Turboen starter mindre hurtigt, fordi turbinehuset er for stort til den lave mængde udstødningsgasser. Kun ved højere hastigheder vil turboen være oppe i fart og kunne levere højt tryk. Hvis turboen er for lille, vil turboforsinkelsen være næsten ikke-eksisterende. Turbinehjulet vil hurtigt starte med en lille mængde udstødningsgas. Højt turbotryk opnås allerede ved lave hastigheder. Ulempen er, at ved højere hastigheder er mængden af udstødningsgas for stor til denne lille turbo. Der er mere udstødningsgas, end der kan komme ind i turboen; i så fald skal wastegate åbne tidligere og aflede en masse udstødningsgasser. Affald er en oversættelse af ”tab”, hvilket også gælder her; udstødningsgasserne, der strømmede gennem wastegate, var ikke med til at drive turboen.
Størrelsen på turboen er derfor meget vigtig for motorens design. Hver turbo har fået en kompressorkarakteristik under designet. Kompressorkarakteristikken kan bruges til at bestemme, om den er egnet til en bestemt motor. Billedet nedenfor viser et eksempel på en kompressorkarakteristik.
Trykforholdet P2/P1 (på Y-aksen) er forholdet mellem indløbet (P1) og udløbet af turboen (P2). Trykket efter turbinehjulet er altid lavere end før. Det (dimensionsløse) trykforhold på 2,0 betyder, at trykket før turbinehjulet er dobbelt så højt som efter turbinehjulet. Volumenflowfaktoren (på X-aksen) er mængden af luft, der strømmer gennem turboen. De buede, vandrette linjer angiver turboakslens hastighed.
Figuren viser, at den røde linje er overspændingslinjen og den blå linje er chokerlinjen. Surgeline, også kaldet pumpegrænsen, er grænsen, hvor kompressorhjulets hastighed er for lav. Surgeline er begrænsningen af luftstrømmen på grund af at kompressorhjulet er for lille. Trykforholdet er for højt og volumenstrømmen for lav. Luften suges ikke længere ind af kompressoren, så den stopper og genoptager senere sin hastighed. Denne ustabile luftstrøm forårsager tryksvingninger og pulsationer i indsugningskanalen. Pulsering kaldes også "surning" af kompressoren. Deraf navnet "surgeline". Luften, der strømmer frem og tilbage, forårsager store kræfter, der kan overbelaste turboen. Kompressorens hjulblade kan knække og lejerne blive overbelastede.
Chokelinjen er en anden grænse, som kompressoren ikke må overskride. Her sker den maksimale volumenstrøm ved et lavt trykforhold. Kompressorhusets diameter bestemmer det maksimale volumenflow. Når chokelinjen overskrides, er kompressorhjulet for lille til at klare det (større) volumenflow. Som følge heraf går meget motorkraft tabt. Chokelinen kaldes også "overspin-choken".
Figuren viser kompressorkarakteristikken med en motor med dellast. Motoren skal have det laveste brændstofforbrug ved dellast. Det laveste specifikke brændstofforbrug opnås med den mindste ø. Wastegate regulerer trykket, så det løber lige igennem den midterste ø. I første omgang lukkes wastegate, så turbotrykket øges. Motorstyringssystemet åbner wastegate som vist med den grønne linje på billedet. Turboakslens hastighed er mellem 8000 og 9000 omdrejninger i minuttet.
Når man kører i bjergene er der en større geografisk højde; luften er tyndere der. Det påvirker turboens drift, fordi tyndere luft indeholder mindre ilt, hvilket får trykket til kompressoren til at falde. Trykforholdet inklusive kompressorhastigheden skal stige for at nå det endelige påfyldningstryk. Denne situation kan ses på figuren.
Den grønne linje angiver dellastsituationen ved kørsel i havoverfladen og den orange linje ved kørsel i bjergene. På grund af den tyndere luft vil kompressorhastigheden stige til 100000 omdrejninger i minuttet.
Den højere hastighed af kompressoren vil også øge temperaturen på den indsugningsluft, der tilføres motoren. Intercooleren skal derfor aflede mere varme. Nu kan forskellen også ses i brændstofforbruget; I bjergene vil brændstofforbruget stige på grund af det højere trykforhold P2/P1 og den højere turbohastighed.
Kombination af turbo og kompressor:
Nu om dage vælger bilfabrikanterne i stigende grad at udstyre motoren med en turbo og en kompressor. Turboen har ofte en større størrelse og er udstyret med affaldslåge. Kompressoren tjener til at forhindre turboforsinkelse; Ved lave motorhastigheder sørger kompressoren for ladetrykket og starter turboen. Ved højere hastigheder tager turboen over.
Den komprimerede luft går via kompressoren eller bypassventilen til turboen og via turboen gennem intercooleren til indsugningsmanifolden.
Klik her for mere information om Roots-kompressoren.
Elektronisk turbo:
En konventionel turbo lider under turboforsinkelse ved lave hastigheder, fordi der skal udstødningsgas til at drive turbinehjulet. En kompressor lider ikke af dette og leverer ladetryk fra tomgang. En kombination af de to virker ideel. Dog skal en mekanisk Roots-kompressor drives af krumtapakslen. Energi går tabt i denne proces. Bilproducenter eksperimenterer derfor med flere udstødningsgasturboer eller elektriske turboer for at forhindre turboforsinkelsen i udstødningsturboen.
Den elektriske turbo styres af motorens styreenhed. På kun 250 millisekunder når kompressorhjulet en hastighed på ikke mindre end 70.000 omdrejninger i minuttet. Elmotoren i turboen driver kompressorhjulet. Kompressorhjulet flytter indsugningsluften under tryk til kompressorhjulet på udstødningsturboen. Kompressorhjulet snurrer meget hurtigt op, når elmotoren wordt kontrolleret.
Ved hjælp af den elektriske turbo har motoren en hurtigere reaktionsadfærd.Ved højere hastigheder, hvor udstødningsturboen er i stand til at levere det fulde ladetryk, slukkes den elektroniske turbo.
