Emner:
- drift
- Turbohull
- Tvilling turbo
- Tri-turbo
- Twin scroll turbo
- Turbo med variabel geometri
- Dumpventil
- Wastegate
- Intercooler
- Kompressorkarakteristikk (overspenning og chokeline)
- Kombinasjon av turbo og kompressor
- Elektronisk turbo
Operasjon:
Eksosgassene som kommer ut av sylindrene føres fra eksosmanifolden til turboen. Eksostrykket får turbinhjulet til å rotere (de røde gassene). Avgassene forlater så turboen via det samme turbinhjulet til eksosen. Kompressorhjulet drives ved hjelp av en aksel (de blå gassene). Kompressorhjulet suger inn luften fra siden (der luftfilteret er vist) og tilfører den under trykk (via den blå pilen) via turboslangen til intercooler. Intercooleren kjøler ned den komprimerte luften (motoren yter bedre med kjøligere luft). Luften kommer deretter inn i inntaksmanifolden.
Ved bruk av turbo kommer det mer luft inn i sylindrene under innsugningsslaget enn med en naturlig aspirert motor, som kun trekkes inn fordi stempelet beveger seg nedover. Ved å tilføre mer luft til sylindrene på denne måten og tilføre mer drivstoff, vil høyere effekt være tilgjengelig.
Turbotrykket måles av ladetrykksensor. Turbotrykket justeres basert på signalet som denne sensoren sender til ECU.
Turboen er montert så nærme som mulig etter eksosmanifolden. Noen ganger er manifold og turbo utformet som en helhet. Turboen må monteres så nær sylinderhodet som mulig, fordi hastigheten på eksosgassene synker minst mulig og minst mulig trykk tapes.
Turbolag:
Eldre turboer lider ofte av det beryktede turboetterslepet. Turboen jobber på eksosgassene fra motoren. Hvis gasspedalen trykkes helt til bunns i en omgang, trenger motoren mye luft på lavt turtall, men i det øyeblikket må turboen fortsatt starte fra eksosgassene som slippes ut. Turboen gir ennå ikke nok trykk. Først når motoren har nådd høyere turtall starter turboen skikkelig. Dette skjer vanligvis rundt 2000 rpm og merkes fordi bilen akselererer hardere.
Denne turboetterslepet blir sett på som en stor ulempe. Som et resultat er mange mennesker for en mekanisk kompressor. Denne fungerer konstant, fordi den drives direkte av veivakselen og derfor alltid med samme turtall som motoren snur. En kompressor vil umiddelbart levere trykk fra tomgangshastighet når du akselererer. Turboene som bygges i biler i dag er mindre påvirket av dette, blant annet takket være den variable turboen.
Twin turbo:
Tillegget "twin-turbo" indikerer tilstedeværelsen av to turboer. Disse 2 turboene kan plasseres ved siden av hverandre på 1 sylinderrad, eller 1 turbo per sylinderrad. Dette gir føreren fordelen av større dreiemoment ved lave hastigheter, bedre ytelse i høyhastighetsområdet og en jevnere motorkarakter. Ved lave hastigheter blir luften tilført motoren av en liten turbo og ved høyere hastigheter blir den større turboen funksjonell. Den større turboen har større turboetterslep, fordi den trenger mer luft for å komme i gang, men dette blir da kansellert av den lille turboen.
De fire bildene nedenfor beskriver situasjonene der begge turboene fungerer, eller når bare én av de to fungerer. De fire sirklene er sylindrene, de røde og blå delene er eksosgassene og inntaksluften. Intercooleren er merket "IC".
Lavt motorturtall og lav motorbelastning:
Ved hastigheter under 1800rpm er det en liten volumstrøm av eksosgassen. Det lille volumet gjør det mulig å bruke den lille turboen. Ventilen mellom eksosmanifolden og den store turboen er stengt. Eksgassen overføres derfor kun fra den lille til den store turboen. Den store turboen er allerede i gang. Dette er en seriekobling, fordi begge turboene brukes.
Midt motorturtall og moderat belastning:
Mellom 1800 og 3000rpm åpner ventilen mellom eksosmanifolden og den store turboen. Foreløpig drives begge turboene direkte av eksosgasser fra motoren. Dette er også en seriekobling, fordi begge turboene brukes.
Høy motorhastighet og høy belastning:
Over 3000rpm blir volumstrømmen av eksosgassen for stor for den lille turboen. Turboen er slått av for ikke å krysse den såkalte "chokeline" (se kapittelet om kompressorkarakteristikk lenger ned på siden). Wastegate til den lille turboen åpnes, slik at all avgass som føres til turboen ledes forbi turboen. Avgassen når da ikke kompressorhjulet.
Den store turboen er fullt forsynt med eksosgass. Ventilen forblir åpen, slik at den store turboen kan nå høy hastighet og dermed flytte mye innsugningsluft til inntaksmanifolden.
Tri-turbo:
I dag lages også "tri-turbo"-motorer. Tre turboer er montert på disse motorene, slik at et maksimalt fyllingsnivå kan oppnås i hvert turtallsområde. BMW bruker tri-turbo-teknologien med blant annet M550d. De to små turboene bruker variabel geometri, så de egner seg for både lave og høye hastigheter. Avhengig av hastigheten justeres turboen for bedre respons. Den store turboen bruker en wastegate.
To situasjoner er beskrevet nedenfor, som indikerer hvilken turbo som er i drift på hvilket tidspunkt.
Lavt motorturtall og lav belastning:
Kun en av de to små turboene er drevet. På grunn av størrelsen på turboen spoles den raskt opp. Den lille turboen sender eksosgassen til den store turboen. Dette vil allerede starte den store turboen.
Middels og høy motorhastighet og belastning:
Begge små turboene er drevne. De to små turboene driver den store turboen. Dette oppnår maksimalt ladetrykk ved alle middels og høye hastigheter.
Twin scroll turbo:
Når flere eksosgasser kommer sammen i eksosmanifolden, kan det oppstå interferensproblemer; trykkbølgene hindrer hverandre. Med en Twin-scroll turbo skilles eksosgassene fra hverandre og føres inn i turboen i to kanaler. Avgassene fra sylinder 1 og 2 kommer ikke sammen i inntaksmanifolden, men treffer turbinhjulet uavhengig av hverandre. Bruk av en Twin-scroll turbo resulterer i en raskere gassrespons og høyere effektivitet. Bildet nedenfor viser at avgassene fra sylinder 1 og 4 kommer sammen, og de fra 2 og 3 kommer sammen.
Med en konvensjonell turbo kommer eksosgassene i kontakt med hverandre i eksosmanifolden. Vi kaller dette "interferens". Bildet nedenfor viser trykkpulsene som skapes i eksosmanifolden til en sylinder.
Fordi vi har å gjøre med ventiloverlapping (inntaks- og eksosventilene er begge åpne under endringen fra eksosslag til inntaksslag), skapes det også undertrykk (lavere enn atmosfærisk trykk). Med ventiloverlapping bidrar avgassene til å trekke frisk luft inn i brennkammeret og drive bort den gjenværende eksosgassen. Dette tilfører forbrenningskammen mer oksygen, slik at volumetrisk effektivitet øker.
Når vi ser på trykkene i eksosmanifolden til en firesylindret motor, ser vi mye forstyrrelse. Hver positiv puls blir mindre høy på grunn av undertrykket på grunn av ventiloverlappingen. Dette er en ulempe med turbolag (reaksjonstid for å spole opp)
Bruk av twin-scroll turbo forbedrer responstiden, fordi avgassene fra sylindrene 1+4 og 2+3 separeres. Pulsene er mye sterkere fordi de ikke påvirkes av negative pulser i det øyeblikket. Produsenten kan derfor også øke tiden ventiloverlappingen skjer for å oppnå enda høyere volumetrisk effektivitet.
Turbo med variabel geometri:
En turbo med wastegate lider av turbolag; Først når motoren roterer et visst antall omdreininger tilføres turboen tilstrekkelig med avgasser til å komme i drift. En turbo med variabel geometri har ingen wastegate, men har justerbare blader i eksoskanalen. Disse bladene kan justeres ved å dreie på en justeringsring. Denne justeringsringen roteres ved hjelp av et vakuum. Den nødvendige mengden vakuum leveres av en magnetventil (magnetventil) basert på motorbelastningen og motorhastigheten, som styres av ECU.
Ved å justere bladene kan luftstrømmen styres. På grunn av en endring i luftstrømmen kan turboen allerede kjøre med høyere hastighet ved lave motorturtall, inkludert lavere eksostrykk. Plasseringen av bladene begrenser mengden avgass som kan strømme inn. For å kunne kjøre med høyere hastigheter vil bladene justeres innover ved høyere motorturtall. Et høyt fyllingstrykk kan oppnås ved både lave og høye hastigheter. Dette sikrer at turboen fungerer optimalt over et bredt turtallsområde, fordi motoren vil få samme ladetrykk ved lavt turtall som ved høyere turtall.
Dumpventil:
Dumpventilen kalles også en "avblåsningsventil". Dumpventilen er montert på en turboslange, hvor luften føres fra turboen til inntakssiden av motoren. Ved akselerasjon kan en personbils turbo nå 200.000 XNUMX omdreininger i minuttet. Ved den hastigheten nås maksimalt ladetrykk. Når gasspedalen slippes på en gang, er det rikelig med lufttrykk på inntakssiden av motoren, men gassventilen er stengt.
Uten dumpventil skapes det et mottrykk mot turboen som gjør at den tilførte ladeluften raskt reduserer turboens turtall. Når du akselererer igjen, tar det lang tid før turboen kommer opp i fart igjen. Dumpventilen forhindrer dette. Når gassen slippes ut vil den blåse av en viss mengde tilført luft. Overskuddsluften har da forsvunnet fra inntakssystemet. Turbobladene bremses ikke og vil derfor starte raskere når gassen akselereres igjen. Dumpventilen stenger umiddelbart når den tilførte luften er blåst av. I motsetning til hva mange tror, gir ikke en dumpventil mer kraft.
Dumpventilen forårsaker den typiske avblåsningslyden når gassen slippes ut under akselerasjon i en bil med turbo.
Wastegate:
En wastegate er montert på hver turbo uten variable skovler. Wastegate sørger for at trykket i turbinhuset (dvs. på eksossiden) ikke blir for stort. Når turboen er i drift og trykket bygges opp, lukkes wastegate. All luften som forlater sylindrene under eksosslaget brukes faktisk til å drive turbinhjulet. Dette når det maksimale fyllingstrykket.
Men ved tomgang er det ikke nødvendig med ladetrykk. I det øyeblikket åpnes wastegate. Noen av eksosgassene ledes til eksosen; den kan strømme direkte til eksosen. Wastegate er i utgangspunktet en ventil mellom eksosmanifolden og motorens eksos; all luft som strømmer gjennom wastegate går ikke gjennom turboen. Så i prinsippet brukes ikke tilgjengelig energi. Navnet på wastegate kan derfor også forklares; "Waste" er engelsk for "tap".
Wastegate åpnes også når en viss hastighet er nådd; Ved akselerasjon må turboen øke raskt, men når turbinen, inkludert kompressorhjulet, når en viss hastighet, må denne hastigheten holdes konstant. Ved å åpne wastegate med denne hastigheten kan overflødig eksos ledes direkte til eksosen. Turboens hastighet kan kontrolleres ved å justere åpningsvinkelen til wastegate. ECU regulerer basert på data fra ladetrykksensor i hvilken grad wastegate er kontrollert.
Intercooler:
Temperaturen på trykkluften kan bli veldig varm (mer enn 60 grader Celsius). For bedre forbrenning må luften kjøles ned. Intercooler tar seg av det. Intercooleren er en egen del og er derfor beskrevet i detalj på en annen side; se siden intercooler.
Kompressorkarakteristikk (overspenning og chokeline)
Ved design av en motor må størrelsen på turboen tas i betraktning. Å matche størrelsen på turboen til motoren kalles "matching". Hvis turboen er for stor, vil det oppstå et stort "turbo gap". Turboen vil starte mindre raskt fordi turbinhuset er for stort for den lave mengden avgasser. Kun ved høyere hastigheter vil turboen være oppe i turtall og kunne levere høyt trykk. Hvis turboen er for liten, vil turboetterslepet være nesten ikke-eksisterende. Turbinhjulet vil raskt starte opp med en liten mengde avgass. Høyt turbotrykk oppnås allerede ved lave hastigheter. Ulempen er at ved høyere hastigheter er mengden av eksosgass for stor for denne lille turboen. Det er mer eksos enn det som får plass i turboen; i så fall må wastegate åpne tidligere og avlede mye avgasser. Avfall er en oversettelse av «tap», som også gjelder her; eksosgassene som strømmet gjennom wastegate bidro ikke til å drive turboen.
Størrelsen på turboen er derfor svært viktig for utformingen av motoren. Hver turbo har fått en kompressorkarakteristikk under konstruksjonen. Kompressorkarakteristikken kan brukes til å bestemme om den er egnet for en bestemt motor. Bildet nedenfor viser et eksempel på en kompressorkarakteristikk.
Trykkforholdet P2/P1 (på Y-aksen) er forholdet mellom innløpet (P1) og utløpet til turboen (P2). Trykket etter turbinhjulet er alltid lavere enn før. Det (dimensjonsløse) trykkforholdet på 2,0 betyr at trykket før turbinhjulet er dobbelt så høyt som etter turbinhjulet. Volumstrømfaktoren (på X-aksen) er mengden luft som strømmer gjennom turboen. De buede, horisontale linjene indikerer turboakselens hastighet.
Figuren viser at den røde linjen er overspenningslinjen og den blå linjen er strupelinjen. Surgeline, også kalt pumpegrensen, er grensen der kompressorhjulets hastighet er for lav. Surgeline er begrensningen av luftstrømmen på grunn av at kompressorhjulet er for lite. Trykkforholdet er for høyt og volumstrømmen for lav. Luften suges ikke lenger inn av kompressoren, så den stopper og gjenopptar sin hastighet senere. Denne ustabile luftstrømmen forårsaker trykksvingninger og pulsasjoner i inntakskanalen. Pulsering kalles også "surging" av kompressoren. Derav navnet "surgeline". Luften som strømmer frem og tilbake forårsaker store krefter som kan overbelaste turboen. Kompressorhjulbladene kan bryte av og lagrene blir overbelastet.
Chokelinjen er en annen grense som kompressoren ikke bør overskride. Her skjer maksimal volumstrøm ved lavt trykkforhold. Diameteren på kompressorhuset bestemmer maksimal volumstrøm. Når chokelinjen overskrides, er kompressorhjulet for lite til å håndtere den (større) volumstrømmen. Som et resultat går mye motorkraft tapt. Chokeline kalles også "overspin-choke".
Figuren viser kompressorkarakteristikken med en motor med dellast. Motoren skal ha det laveste drivstofforbruket ved dellast. Det laveste spesifikke drivstofforbruket oppnås med den minste øya. Wastegate regulerer trykket slik at det går rett gjennom midtøya. Til å begynne med lukkes wastegate slik at turbotrykket øker. Motorstyringssystemet åpner wastegate som vist med den grønne linjen på bildet. Turboakselens hastighet er mellom 8000 og 9000 omdreininger per minutt.
Ved kjøring i fjellet er det større geografisk høyde; luften er tynnere der. Dette påvirker driften av turboen, fordi tynnere luft inneholder mindre oksygen, noe som gjør at trykket for kompressoren synker. Trykkforholdet, inkludert kompressorhastigheten, må øke for å komme frem til det endelige fylletrykket. Denne situasjonen kan sees på figuren.
Den grønne linjen angir dellastsituasjonen ved kjøring på havnivå og den oransje linjen ved kjøring i fjellet. På grunn av den tynnere luften vil kompressorhastigheten øke til 100000 XNUMX omdreininger per minutt.
Den høyere hastigheten på kompressoren vil også øke temperaturen på innløpsluften som tilføres motoren. Intercooleren vil derfor måtte lede mer varme. Nå kan forskjellen også sees i drivstofforbruk; I fjellet vil drivstofforbruket øke på grunn av høyere trykkforhold P2/P1 og høyere turbohastighet.
Kombinasjon av turbo og kompressor:
Nå for tiden velger bilprodusentene i økende grad å utstyre motoren med turbo og kompressor. Turboen har ofte større størrelse og er utstyrt med avfallsport. Kompressoren tjener til å forhindre turbolag; Ved lave motorhastigheter gir kompressoren ladetrykket og starter turboen. Ved høyere hastigheter tar turboen over.
Den komprimerte luften går via kompressoren eller bypassventilen til turboen og via turboen gjennom intercooler til inntaksmanifolden.
Klikk her for mer informasjon om Roots-kompressoren.
Elektronisk turbo:
En konvensjonell turbo lider av turboetterslep ved lave hastigheter, fordi det trengs avgasser for å drive turbinhjulet. En kompressor lider ikke av dette og leverer ladetrykk fra tomgang. En kombinasjon av de to virker ideell. En mekanisk Roots-kompressor må imidlertid drives av veivakselen. Energi går tapt i denne prosessen. Bilprodusenter eksperimenterer derfor med flere eksosgassturboer eller elektriske turboer for å forhindre turboetterslep til eksosgassturboen.
Den elektriske turboen styres av motorens kontrollenhet. På bare 250 millisekunder når kompressorhjulet en hastighet på ikke mindre enn 70.000 XNUMX omdreininger per minutt. Den elektriske motoren i turboen driver kompressorhjulet. Kompressorhjulet flytter inntaksluften under trykk til kompressorhjulet til eksosgassturboen. Kompressorhjulet spinner opp veldig raskt når den elektriske motoren blir kontrollert.
Ved hjelp av den elektriske turboen får motoren en raskere responsoppførsel Ved høyere turtall, hvor eksosgassturboen er i stand til å levere fullt ladetrykk, slås den elektroniske turboen av.
