Turbolader
Een turbolader of kortweg turbo (ook turbocharger) is een pomp die het brandstof-luchtmengsel voor een verbrandingmotor in de cilinders perst. Hij bestaat uit een turbine en een compressor, waarbij de turbine de energie van de uitlaatgassen gebruikt om de compressor op het inlaatspruitstuk aan te drijven.
Een turbo dient om het vermogen van diesel- en benzinemotoren te verhogen door meer lucht en brandstof in de cilinder te brengen. DAF behoorde tot de eerste motorfabrikanten in Europa die het belang van turbocharging inzagen en het ook daadwerkelijk toepasten. Daarnaast zijn er ook mechanisch aangedreven turbo's, vaak superchargers genoemd
Inhoud |
[bewerk] Geschiedenis
In 1905 verkreeg de Zwitserse ingenieur Alfred Buchi een patent op het gebied van de turbocharger. Deze turbo was toen alleen nog maar toepasbaar voor langzaamlopende scheepsdiesels. Deze draaide met een toerental van 100-120 omwentelingen per minuut. De zuigersnelheid was laag, materialen werden niet zwaar belast en de thermische belasting (warmte) was laag.
De materialen waaruit een moderne turbolader is opgebouwd werden ontwikkeld tijdens de Tweede Wereldoorlog. Stellite en het nog korter geleden samengestelde Inconel zijn legeringen welke zijn ontwikkeld voor straalmotoren van vliegtuigen. Deze materialen worden ook toegepast voor speciale turbinewielen. Ook in de turbo zit een turbinewiel dat zeer heet kan en mag worden
Sindsdien is het gieten van metalen en het beschikbaar komen van diverse andere materialen dusdanig verbeterd dat turbocharging ook economisch een goede oplossing is om het motorvermogen te laten toenemen. In het kort kunnen we stellen dat turbochargers:
- kleiner geworden zijn en lager in gewicht
- een verhoging van het rendement van turbine en compressor hebben bereikt
- minder onderdelen hebben
- minder serviceproblemen hebben, zoals lekkage en lagerproblemen.
[bewerk] Waarom turbocharging?
Om uit een motor meer vermogen te halen, terwijl zijn gewicht en afmetingen nagenoeg gelijk blijven zijn er meerdere mogelijkheden:
- Meer brandstof geven.
- Meer omwentelingen laten maken.
Dit laatste is bijna nooit mogelijk, daar het toerental meestal al optimaal is. Met meer omwentelingen komt het gevaar van het over zijn toeren jagen met alle nadelige gevolgen van dien. Meer brandstof geven kan ook maar in beperkte mate. Als er niet voldoende lucht (zuurstof) meer aanwezig is om de brandstof te verbranden is het alleen maar verspilling van energie. Toevoegen van brandstof zonder de daarbij benodigde lucht (zuurstof) resulteert in oververhitting en een zwaar rokende motor.
Om het vermogen te vergroten is het dus niet voldoende om alleen maar meer brandstof te geven maar ook om de hiervoor benodigde lucht (zuurstof) aan te voeren. Dit aanvoeren zal dan moeten gebeuren onder een hogere druk dan de atmosferische druk. Dit kan door middel van turbocharging en supercharging.
[bewerk] Superchargers
Superchargers zijn mechanisch aangedreven turbo's. Een bekende is de Roots supercharger, gebruikt door Mercedes-Benz en daarvoor door Eaton flink aangepast. Dan is er de G lader, deze is enkele jaren gebruikt bij VW, waarbij de lucht wordt samengeperst door een excentrisch slakkenhuis. Supercharge werd o.a. in de race-auto's van Bentley in de 30er jaren toegepast.
Het nadeel van deze superchargers was dat ze nogal onbetrouwbaar waren en dat ze veel vermogen vroegen. Bij lage snelheid weinig druk, zodat het rendement bij lage toerentallen flink terug liep. Ook erg veel wrijving van de 2 tandwielen, dus meer slijtage. Dit wordt wel eens een beetje voorkomen door vlakbij de inlaat van de Roots een olienevelaar te plaatsen. Het principe is eenvoudig, twee “tandwielen” die in elkaar lopen. Het gaat hierbij om een lang uitgerekt tandwiel met weinig tanden. Hooguit 6 tanden (ook wel lobben genoemd). Deze zitten in een behuizing opgesloten. 1 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. Voordeel is dat dit systeem al werkt bij stationair draaiende motor. Dus ideaal wat betreft de 2tact diesels. En door middel van een elektromagneetkoppeling kan men de Roots zowel in als uitschakelen. Deze supercharger wordt nu nog steeds veel gebruikt vooral bij dragsters en die speciale Amerikaanse hotrods. En ondertussen is er qua techniek ook veel verbeterd.
Bij het prototype van de Saab SVC motor met variabele compressie wordt een mechanisch aangedreven compressor toegepast, zo te zien van het type Lysholm. Saab doet dat om ook bij lage toerentallen een hoge gemiddelde effectieve druk (dus hoog koppel) te krijgen. De maximale vuldruk bedraagt hierbij 2,8 bar.
[bewerk] Turbocharger
Een betere oplossing is de turbocharger zoals hij nu wordt gebruikt. Hij bestaat uit een radiaal stroom turbine welke op zijn beurt een centrifugaal compressor aandrijft. Deze turbo heeft aan de uitlaatzijde in een slakkenhuis (dat meestal roestig van kleur is) een schoepenwiel zitten. Dit schoepenwiel wordt aangedreven door de warmte uit de uitlaatgassen, dus niet zozeer door de druk. Aan dit schoepenwiel (turbinewiel) zit een as. Deze as wordt aangedreven door het turbinewiel en drijft op zijn beurt weer een ander schoepenwiel (compressorwiel) aan. Dit compressorwiel zit ook in een nauwe behuizing wat de vorm heeft van een slakkenhuis. De aandrijving wordt niet gehaald uit de uitstroom, maar wel uit de warmte van de uitlaatgassen.
De uitlaatgassen hebben zodra ze de cilinders verlaten nog een bepaalde druk. Deze druk varieert natuurlijk per type motor, bijvoorbeeld 0,6 tot 0,7 bar (60 tot 70kPa). Deze gassen stellen een bepaalde hoeveelheid voor (massa) met een druk en een temperatuur van ongeveer 675 graden Celsius. Deze gassen hebben potentiële energie, ofwel de mogelijkheid van arbeid. De vorm van het turbinehuis (de uitlaatzijde van de turbo) zorgt ervoor dat deze potentiële energie wordt omgezet in kinetische energie, arbeid van bewegen. De uitlaatgassen krijgen letterlijk een enorme snelheid en met deze snelheid botsen ze tegen de turbineschoepen aan.
Dan gaat de turbo aan het werk. Er wordt aan de turbineschoepen een impuls gegeven die de kinetische energie omzet in mechanische energie aan de as van het turbinewiel. De mechanische energie die nu is gewonnen heeft ook wat gekost. De druk en de temperatuur zijn gedaald, bij turbines spreekt men van “Vallen”. De restdruk is nu nog maar 0,03-0,07 bar en ook de temperatuur is ruwweg met 100 graden gedaald.
De compressorzijde werkt precies andersom. De druk stijgt, hetgeen trouwens het doel is van de compressor, en de temperatuur stijgt, omdat samengeperste lucht warm wordt. In de jacht naar meer vermogen bij gelijk motorgewicht heeft men een simpele methode gevonden die het doel van meer vermogen mogelijk maakt : inlaatluchtkoeling. Zoals gezegd wordt het vermogen vergroot door meer brandstof en zuurstof. Meer brandstof wordt verkregen door de opbrengst van de inspuitpomp oftewel de injectoren te vergroten. Meer zuurstof om de brandstof te verbranden met een zo groot mogelijk rendement, wordt bereikt met de luchtkoeler (intercooler).
Vergelijk 2 identieke motoren, de een heeft een luchtkoeler (intercooler) en de andere niet. In een motor met een luchtkoeler wordt de gecomprimeerde lucht gekoeld, waardoor de luchtdruk na de koeler gaat dalen. De ongekoelde lucht zal dus een hogere druk hebben dan de gekoelde lucht. Het gewicht van de lucht is in beide gevallen gelijk. Om de druk van de lucht in beide gevallen aan elkaar gelijk te maken wordt de druk voor de luchtkoeler hoger gemaakt. We kunnen dan bereiken dat zowel de gekoelde als ongekoelde lucht gelijke druk hebben voor het binnentreden in de verbrandingscilinder. De koude lucht bevat meer gewichtsprocenten zuurstof dan warme lucht : er is dus voor de verbranding meer zuurstof beschikbaar met een intercooler.
Een enkel getal om het een en ander duidelijk te maken. Aangezogen lucht: 25 graden Celsius. Temperatuur gecomprimeerde lucht zonder koeling: 120 graden Celsius. Temperatuur gecomprimeerde lucht met koeling: 40 graden Celsius. Druk voor de cilinders: 0,57 bar. Een verschil van 80 graden door gebruik van een koeler.
[bewerk] Hoogtecompensatie
Een ander belangrijk voordeel van een turbocharged motor is hoogtecompensatie. Hoe hoger hoe ijler de lucht. Ijlere lucht heeft minder zuurstof en dat heeft de motor nodig voor een optimale verbranding. In 1961 heeft Daf proeven gedaan met een dieselmotor in samenwerking met C.A.V op het gebied van hoogtecompensatie. Hieruit kwamen de volgende cijfers : een niet opgeladen motor verloor 50% vermogen bij een stijging van 5000 meter boven zeeniveau, een opgeladen motor 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 spelen vandaag geen rol meer.
[bewerk] Turbinehuisproductie
[bewerk] Lagers en speling
Een turbine draait rond met een snelheid van meer dan 100.000 omwentelingen per minuut (omw./min.), wat een omtreksnelheid geeft aan het uiteinde van de turbinebladen van net onder de geluidssnelheid en soms zelfs eroverheen. Vandaar dat maat en afwerking van de lagers in de as wel zeer nauwkeurig moeten zijn. Toch is de speling tussen as en lager goed voelbaar met de hand. Afhankelijk van het type turbo ligt deze speling tussen de 0,05 en 0,2 mm. Deze speling mag erg veel lijken en kan de indruk wekken dat de turbo zijn beste tijd gehad heeft. Toch is deze speling normaal. Het lager draait met een snelheid van ongeveer 1/3 van de as ; het zijn zogenaamde zwevende lagers.
Als de motor loopt dan krijgt de motor ook olie op de te smeren onderdelen. Ook de turbo moet gesmeerd worden. De turbine-as ligt in de lagers (2 stuks) : aan de turbinezijde zit een lager en aan de compressorzijde zit ook een lager. Dit zijn glijlagers van brons of een andere legering en soms zelfs van keramiek. Het lagerhuis word gevuld met olie en de as heeft nu zijn smering. Onder aan het lagerhuis zit een dikke retourolieleiding.
In het lagerhuis is maar zeer weinig tot geen oliedruk. Maar de olie zal niet via de as naar het turbinehuis of compressorhuis lekken. Daarvoor zorgt een speciale afdichting op de turbine-as. Deze afdichting wordt gerealiseerd door een soort kleine zuigerveertjes. De druk op de veertjes is alleen de druk die in het motorcarter heerst. Deze druk kan natuurlijk verschillen, afhankelijk van de lekkage van gassen langs de motorzuigers. Normaal is deze druk ongeveer 0.02 bar. De druk aan de binnenzijde van de afdichtveertjes op de turbine-as is lager dan de uitlaatgasdruk. Deze druk is immers 0.6 à 0.7 bar. De functie van de zuigerveertjes is dus om te verhinderen dat de uitlaatgassen naar het lagerhuis kunnen komen en zo verder naar het carter en zodoende daar druk opbouwen. Ook aan de compressorzijde word de afdichting verkregen door een setje zuigerveertjes. De compressor bouwt druk op en zal dus ook via het lagerhuis waar geen druk heerst de lucht weg willen persen. Dit wordt verhinderd door deze veertjes. De as kan nu drijven op de olie die ook tussen de lagers zit en het lagerhuis. Omdat de as nu drijft noemen we dat zwevende lagering.
De olie heeft nog meer functies dan alleen maar smeren. De grote hoeveelheid olie die de turbine binnenkomt, dient voor het overgrote deel als koeling, hoewel een vloeistofgekoeld turbinehuis wat minder olie nodig heeft.
[bewerk] Balanceren
Vanzelfsprekend moet ook op balanceren veel nadruk worden gelegd. Een statische onbalans bijvoorbeeld van 0,023 mNm (dat is 2,3 gram.meter) bij een snelheid van 2000 omw/min geeft een radicale kracht van 0,095 N. Wanneer de omwentelingssnelheid toeneemt tot 90.000 omw/min dan word deze kracht 191 N. Dat is dus 19,1 kg wat er dan drukt op een lager. Deze cijfers geven misschien een indruk van de zeer kleine onbalans welke bij hoge snelheid grote krachten oproept.
[bewerk] Lassen van turbinewiel aan as
Het turbinewiel is gelast op de as die hol is en erg dunwandig. Het lassen gebeurt in vacuüm. Waar niets is, kan ook geen warmteoverdracht plaatsvinden. Alle warmte van het turbinewiel wordt dus aan de buitenkant van de as geleid. Deze warmte wordt door de overvloedige smering van de lagers afgevoerd naar het motorcarter via de olie.
[bewerk] Onderdelen
- Lagerhuis, dit is uiterst nauwkeurig bewerkt en gehoond.
- Het turbinewiel en as. Het turbinewiel is gemaakt van inconel en kan trekspanningen weerstaan bij rotatiesnelheden van meer dan 100.000 omw/min bij een temperatuur hoger dan 800°C. Wiel en as zijn in een vacuüm (electron beam) gelast. Deze lasmethode is bijzonder nauwkeurig en geeft een nette las. De benodigde hitte voor elke las is zeer plaatselijk. De as zelf is een hoogwaardige staalsoort, inductie-gehard op de plaats van de lagers en daarna geslepen op diameter met extreme kleine toleranties in maatvoering.
- Het compressorwiel, gemaakt van een aluminiumlegering, nauwkeurig gegoten en daarna gebalanceerd.
- Het druklager is voornamelijk gemaakt van lood-brons, nauwkeurig bewerkt en gehoond.
- Hoofdlagers, eveneens gemaakt van lood-brons.
- Compressordeksel, ook wel slakkenhuis genoemd, van aluminium.
- Turbinedeksel, meestal gemaakt van hoogwaardig gietstaal.
- Klemband om het turbinehuis aan het lagerhuis te bevestigen.
[bewerk] Onderhoud van de turbo
Zolang ze niet in gebruik zijn, moeten turbochargers gesloten zijn. Dat houdt in alle gaten afpluggen, ook de inlaat en uitlaat. Stof en vuil zijn immers de grootste vijanden van een goede turbocharger.
De turbocharger is gedurende zijn werkend leven voor zijn onderhoud afhankelijk van de motor. Hij vraagt niet veel, maar wat hij vraagt is absoluut noodzakelijk, dit wil zeggen :
- Snel olie krijgen als de motor wordt gestart.
- Voldoende oliedruk, stationair ongeveer 0,7 bar en vollast minimaal toch wel 2,5 bar.
- Schone en kwalitatief goede smeerolie.
- Schoon en goed werkend luchtfilter.
- Juiste tegendruk in de uitlaatleiding (denk aan een berekende sportuitlaat).
- Een goed afgesteld brandstofsysteem.
[bewerk] Problemen
[bewerk] Symptomen
Het komt zelden voor dat de turbocharger zelf de schuldige is van het niet goed functioneren van de motor. Om welke redenen wordt een turbo verwisseld?
- Geluid, dit kan de volgende oorzaken hebben:
- Gas/lucht lekkage.
- Gas/lucht restrictie.
- Beschadigde turbocharger.
- Overmatig roken van de motor, dit kan de volgende oorzaken hebben:
- Gas/lucht lekkage.
- Gas/lucht restrictie.
- Slechte werking van brandstofpomp en/of verstuivers (dit is voor diesels)
- Slechte brandstofvoorziening doordat brandstoffilter verstopt zit
- Slecht werkende brandstofregeling (regelunit niet goed of chiptuning).
- Foutief afgestelde ontsteking (bij diesels verkeerd afgestelde pomp).
- Vuil- of roetafzetting op compressor/turbinewiel.
- Olielekkage van de motor.
- Beschadigde turbocharger.
- Verlies van motorvermogen, hier weer een aantal oorzaken die geheel of gedeeltelijk gelijk zijn aan de voorgaande:
- Gas/lucht lekkage.
- Gas/lucht restrictie.
- Slechte werking van brandstofsysteem.
- Ontsteking foutief (bij diesels verkeerd afgestelde pomp)
- Vuil- of roetafzetting op compressor/turbinewiel.
- Beschadigde turbocharger.
- Olielekkage van de turbine kan het gevolg zijn van:
- Gas/lucht lekkage.
- Gas/lucht restrictie.
- Verstopte carterventilatie (carterontluchting).
- Verstopte afvoer van de turbocharger.
- Overmatig stationair draaien.
- Motor Blow By
- Beschadigde turbocharger.
[bewerk] Oorzaken
Gas en luchtlekkage
Door het verlies van gas of lucht gaat het rendement van de turbocharger omlaag wat weer effect heeft op het rendement van de motor. Een verlies aan lucht kan de oorzaak van roken zijn, wegens teveel brandstof in verhouding tot de hoeveelheid lucht. Soms lost het verwisselen van de turbocharger het geluidsprobleem op, hoewel er aan de afgenomen turbo geen enkele afwijking is gevonden. Dit komt omdat bij het verwisselen de verbindingen opnieuw gas/luchtdicht zijn gemaakt en alleen hierdoor is het probleem opgelost. De oorzaak is dus meestal dat niet alle slangen nog goed vastzitten of dat de uitlaatpakking tussen turbo en pijp is doorgeslagen.
Luchtrestrictie
Luchtrestrictie geeft een tekort aan verbrandingslucht. Een ander gevolg is de kans op onderdruk in het compressordeel van de turbocharger wat dan tot gevolg heeft dat olie aangezogen kan worden uit het lagerhuis. Als de restrictie ernstig is kan de motor zelfs oververhit geraken. Luchtrestrictie ontstaat bijna altijd door een vuil luchtfilter.
Verstopte olieafvoer
Een verstopte olieafvoer of drukverhoging in het carter door bijvoorbeeld een verstopte carterventilatie is er de oorzaak van dat er geen olieafvoer uit de turbocharger meer plaatsvindt. Er ontstaat een drukopbouw in de olieafloop en het resultaat zal zijn dat de olie een andere uitweg zoekt, namelijk aan de compressorzijde en turbinezijde van de turbo. Gevolg: een blauw rokende motor en een hoog olieverbruik.
Beschadigde turbocharger
Tenslotte hebben we de mogelijkheid van een beschadigde turbocharger. Beschadigingen treden meestal op in de lagers zodat het turbine en/of compressorwiel tegen het huis kunnen schuren. De turbocharger kan beschadigd geraken door volgende oorzaken :
- Olie tekort. Wanneer de aanvoer van olie wordt onderbroken voor langere tijd beschadigt dit de lagers.
- Dit olietekort ontstaat heel vaak na bijvoorbeeld een oliefilterwisseling.
- Wegens een slechte of geheel niet werkende oliepomp.
- Wegens een verstopte olietoevoerleiding.
- Olievertraging. Hieronder wordt verstaan dat de olieaanvoer slechts voor een zeer korte tijd wordt onderbroken. De lagers worden niet direct beschadigd maar over een langere periode ontstaat schade aan de lagers. De oorzaak van vertraagde olieaanvoer is heel vaak een verkeerde startprocedure.
- Vuil in de lagers. Dit vuil is vaak afkomstig van een kapot of vervuild oliefilter. De lagers worden gegroefd en vroeger of later worden de lagers onherstelbaar beschadigd. Aluminium lagers waar het vuil zich op vasthecht met alle nadelige gevolgen.
- Rotor onbalans. Als de rotor in onbalans is treden er krachten op die de oorzaak kunnen zijn van bijvoorbeeld lagerbeschadigingen.
- Vuil of voorwerp in compressor of turbinewiel. Als een voorwerp tegen de compressor of turbinewiel komt veroorzaakt dit een beschadiging aan de turbinebladen, met als resultaat onbalans van de rotor en aanlopen van turbine of compressorbladen. Als vuil of stof (zand) aan de compressorzijde binnentreedt geeft dit erosieverschijnselen aan het compressorwiel wat tot beschadiging kan leiden. Dit benadrukt nogmaals het belang van een schoon en goed gemonteerd luchtfilter.
- Vuil in de olie. De turbineas is door vuil in de olie diep ingegroefd en onherstelbaar beschadigd.
- Oververhitting. Wanneer de turbo wordt blootgesteld aan extreem hoge uitlaatgassentemperatuur kan een gescheurd turbinehuis het gevolg zijn evenals beschadiging aan het lager aan de turbinezijde. Oververhitting kan ook ontstaan wanneer een motor na eerst vol belast te zijn geweest meteen gestopt wordt zonder de kans te krijgen om af te koelen. De hitte van het turbinehuis en turbinewiel trekt door de as en het huis zonder dat de warmte door de olie wordt afgevoerd, de aanwezige oliefilm wordt zo heet dat olie-carbonisatie (olieverkoling) optreedt. De resulterende koolstofdeeltjes zijn zo hard en scherp dat de lagers beschadigd kunnen worden. Normaal gesproken niet in een keer, maar als dit regelmatig gebeurt worden de lagers ernstig beschadigd.
- Verkeerde onderdelen. Dit gebeurt zelden of nooit, temeer daar dit al bij het inlopen van de motor opgemerkt zou zijn.
