TURBO SCHERPRECHTER TUSSEN EMISSIE STIKSTOFOXIDEN EN FIJN STOF

Turbotechnologie vandaag en morgen

Twee van de boosdoeners voor milieu en mens zijn NOx, dat zorgt voor ozonvorming en zure regen, en PM, de roetdeeltjes die schadelijk zijn voor onze luchtwegen. Om het NOx laag te houden, moet de temperatuur in de verbrandingskamer naar beneden. Om de PM laag te houden, moeten we meer zuurstof toedienen, waardoor de temperatuur stijgt. Het is met andere woorden onmogelijk om voor beide waarden uitmuntend te scoren. Turbotechnologie blijkt een scherprechter in dit proces te zijn.

OPTIMALE VERBRANDING?

Om aan beide grenzen, NOx en PM, te voldoen, hebben we nood aan een optimale verbranding. Het gebruik van compressoren en het perfectioneren van de ontstane turbodruk is een zware scherprechter. De gemiddelde effectieve druk op de zuiger tijdens de arbeidsslag wordt bepaald door de compressieverhouding, de vullingsgraad en het verloop van het verbrandingsproces, met de nadruk op de vullingsgraad, die de belangrijkste rol op zich neemt. Om die vullingsgraad zo hoog mogelijk te houden, moeten aanzuigweerstanden, luchtfilter, inlaatspruitstuk … minimaal zijn. Inspuiting zorgt tegenover het gebruik van een carburator bij benzinemotoren, door het wegnemen van weerstanden, voor meer vermogen. De meest efficiënte manier om de vullingsgraad te optimaliseren is drukvulling alias turbo-oplading.

 

TURBO

Turbo is een samentrekking van TURbine en BOoster. De uitlaatgassen drijven aan turbinezijde de rotor aan, die ook de compressorzijde aandrijft. De compressor perst lucht onder druk via het inlaatkanaal de motor in. Hierdoor wordt de hoeveelheid lucht in de verbrandingskamer groter. De samengeperste lucht betekent dat er minder brandstof in de cilinders gespoten moet worden, met als resultaat vermogenswinst. Door gebruik te maken van de uitlaatgassen, kost het de motor geen extra energie. De moderne dieselmotoren, met hun brede toerentalspreidingen, hebben nood aan een hoge turbodruk bij lage toeren, terwijl de huidige benzinemotoren veel vermogen vragen bij hoge toeren en dus bij hogere uitlaatgastemperaturen. Vandaar dat de turbo qua materiaalsoort en constructie (vorm) verschilt bij benzine en diesel. In de vrachtwagenwereld is de turbo de oplossing om meer vermogen uit een 'kleinere motor' te putten en zo het nuttige laadvermogen te verhogen en de return on investment te optimaliseren.

 

TYPES

De samengeperste lucht kan op verschillende manieren opgewekt worden:

• Pulsdruk wordt vandaag nog weinig toegepast. Naast het bekomen van drukvermogen is er een mechanische aandrijving tussen de motor en de drukvulling.

• Mechanische drukvulling haalt het drukvermogen van de krukas, de mechanische verbinding tussen de motor en de drukvulling. We hebben mechanische drukvulling zonder en met inwendige compressie. Een van de meest gebruikte compressoren zonder inwendige compressie is de Roots compressor, die als een pomp fungeert. Wanneer de compressor meer lucht levert dan de motor kan verteren, ontstaat er een overdruk in de inlaat. De spiraalcompressor, beter bekend als de G-lader, is een compressor die van inwendige compressie gebruikmaakt. Het nadeel aan dit systeem zijn de hoge kosten, waardoor de G-lader van de markt verdwenen is.

• Uitlaatgasdrukvulling (turbocharging) werkt volgens het principe van de constante druk. De turbocharger is niets anders dan een door de uitlaatgassen aangedreven compressor. Hoe meer energie in de uitlaatgassen, hoe hoger de turbine in de toeren gaat.

• Registerdrukvulling is een van de nieuwste ontwikkelingen. Het proces wordt opgebouwd door een grote turbo die de luchttoevoer naar de motor van een kleine turbo overneemt. De resultante is (tot 20%) meer vermogen, meer koppel bij lagere toeren en een breder toerentalgebied.

 

WERKING

De ideale auto zou uitgerust moeten zijn met twee motoren: een eerste om de wagen op snelheid te brengen en een tweede om die snelheid aan te houden. Dat is haalbaar, maar het is van het goede te veel. Turbo is de oplossing voor dit utopische idee. Deze op het eerste gezicht ingewikkelde techniek berust op eenvoudige principes. De uitlaatgassen bewegen het turbinewiel in de turbo. Het turbinewiel drijft via een starre as een compressorwiel aan. Op zijn beurt zuigt dat wiel lucht aan en comprimeert het de lucht. Vanaf het moment dat de inlaatklep zich opent, stroomt de samengeperste lucht de verbrandingskamer binnen. Hoe meer energie de uitlaatgassen leveren, hoe hoger de toeren zich opbouwen binnen de turbo. Dat zorgt voor meer lucht; meer lucht is een betere verbranding; een betere verbranding is meer vermogen. De turbo en motor zijn enkel stroomtechnisch met elkaar verbonden door de inlaatlucht en uitlaatgassen. Een betere verbranding van een grotere hoeveelheid brandstof is altijd het resultaat, en dat bij een gelijkblijvende cilinderinhoud.  

VOOR- EN NADELEN

Voordelen van de turbo:

• Met een turbo is het mogelijk om uit een kleine motor relatief veel vermogen te halen.
• Een gunstiger verbruik.
• Lagere uitstoot van schadelijke stoffen.
• De turbo werkt ook als een extra uitlaatdemper.
• De turbomotor behoudt zijn prestaties op grotere hoogtes, doordat de tegendruk van ijlere lucht lager is.

Nadelen van de turbo:

• Het turbogat. De turbo werkt bij oudere wagens pas na het bereiken van bepaalde toerentallen. Dat is vandaag opgelost door variabele geometrie en R2S.
• De warmte. Temperaturen kunnen snel tot 800 °C oplopen, waardoor de inlaatlucht opwarmt, wat resulteert in zuurstofarmere lucht.
• Extra belasting, door het hogere vermogen, ten koste van de levensduur. Aan te raden: motor na gebruik goed laten afkoelen en zo veel mogelijk warm rijden.

BOUW

Compressor

Het van aluminium vervaardigd compressorhuis en compressorwiel vormen samen de compressor. De vorm zorgt voor het comprimeren van de lucht, terwijl de grootte bepaald wordt door de specificaties van de motor. Het compressorwiel staat star op de turbineas geplaatst, waardoor de rotatiesnelheden identiek zijn. De vorm van de schoepen zorgt voor de aanzuiging van de lucht. De aangezogen lucht wordt tegen de wand van het huis gedrukt, waarna de samengeperste lucht via het inlaatspruitstuk naar de cilinder geleid wordt. Door de hoge rotatiesnelheden bij de moderne turbo's hebben we de compressiewielen zien evolueren van vlakke wielen naar aan de achterkant versterkte wielen. Recent zijn er ook 'boreless' wielen, die niet meer volledig doorgeboord zijn en dat om die hogere rotatiesnelheden aan te kunnen. Het gunstige gevolg laat zich zien in een gunstige evolutie op het vlak van materiaalmoeheid.

Recirculatieklep

Een recirculatieklep, meer en meer aanwezig, opent automatisch wanneer de druk in de inlaat wegvalt en leidt zo de lucht bij de compressoruitlaat naar de compressorinlaat terug. Bij het lossen van het gaspedaal of afremmen zorgt deze klep voor het aanhouden van de turbosnelheid, waardoor die onmiddellijk weer beschikbaar is bij het opnieuw accelereren.

Binnenwerk

Het binnenwerk, waarin het lagerhuis gemonteerd is, vormt de verbinding tussen compressor- en turbinehuis. In het lagerhuis loopt de starre turbineas met aan weerszijden de schoepenwielen. De schoepen van beide wielen staan omgekeerd, waardoor de lucht aangezogen wordt die komt van de luchtfilter. Motorolie, zorgend voor smering en koeling, wordt tussen het lagerhuis, de lagers zelf en lagers met de turbineas gespoten. De zuigerveren die we aan beide kanten terugvinden, werken niet als keerringen. Wanneer er terugval van tegendruk is of door schade verminderde uitlaatgasdruk zal er olielekkage optreden aan de turbinekant. De 'thrust collar', de backplate (afdichtingsplaatje) en het zuigerveertje zorgen er in combinatie met de inlaatdruk voor dat er geen olielekkage optreedt bij het stationair draaien van de motor.

Turbine

Het turbinehuis en de turbineas vormen de turbine. Het gietijzeren huis in hedendaagse benzines is zelfs bestand tegen temperaturen van om en bij de 1.000 graden. De vernauwing in het turbinehuis zorgt voor een stroomversnelling in de uitlaatgassen. Het turbinewiel is aan de as vastgelast. Ter hoogte van de las is de as hol om als thermische brug de warmteoverdracht tussen as en wiel te bemoeilijken. Aan de turbinekant zit er in de as een groef met het zuigerveertje erin. Het uiteinde van de as loopt door het compressorwiel en sluit door middel van een borgmoer de rotor op. De slakkenhuisvorm jaagt de gassen om het turbinewiel. De cilinderinhoud, het toerental en het gewenste vermogen bepalen de grootte en de doorlaat van de turbine. Een actuator, gemonteerd op het compressorhuis, is een membraan dat via een stangetje de 'waste gate' (overdrukklep) opent wanneer de druk te hoog oploopt. Zo wordt een deel van de uitlaatgassen om de turbine heen geleid.

 

WEETJES

• Een turbo kan zich in seconden opjagen van 20.000 tot 100.000 toeren per minuut.
• Blauwe rook bij stationair draaien verraadt een verhoogde carterdruk, maar ook een compleet kapotte turbo kan de oorzaak zijn.
• Een goed functionerende turbo is nauwelijks hoorbaar.
• Het verhogen van de turbodruk leidt veelal tot schade.
• Een versleten motor met carterdruk kan voor verhoogde oliedruk in de turbo zorgen.

EXTRA'S

Intercooler

Door het samenpersen van de lucht wordt de temperatuur hoger, met als gevolg dat het zuurstofgehalte afneemt. Om de verbranding te optimaliseren hebben we juist meer zuurstof nodig. Vooraleer we de lucht de cilinder in jagen, koelen we hem door de lucht via een radiator, de intercooler, tussen de turbo en motor te geleiden.

Parallelle schakeling

Meerdere turbo's kunnen ingebouwd worden, bij V-motoren bijvoorbeeld. Meestal kleinere turbo's die vlugger reageren bij het gas geven. Twee kleinere turbo's geven hier een beter rendement dan één grote. Nadeel is de kostprijs en op technisch vlak het synchroniseren van de turbo's. In serie geplaatste turbo's creëren een versterkend effect.

Variabele geometrie

Turbo's met een variabele geometrie regelen de turbodruk door te werken op de luchtstroom en zijn doorlaat. Door hiervan gebruik te maken, wordt de grootte van de doorlaat afgestemd op de gevraagde trekkracht en op de maximale snelheid. Beweegbare vanen zorgen voor de juiste luchtdoorlaat.

Elektronica

Met het constant verstrengen van de milieueisen doet ook de elektronica haar intrede. Computertjes berekenen de optimale turbodruk bij elk toerental. Een elektronische actuator, seriematig toegepast, maakt een snelle reactie van de turbo mogelijk.

Twin turbo (r2s)

De Twin Turbo techniek (of R2S) kwam er als antwoord op de vele elektronische problemen bij variabele geometrie. Een grote turbo neemt op het juiste moment de luchttoevoer naar de motor van een kleine turbo over. Meer vermogen, meer koppel op lage toeren en een breed toerentalbereik geven een resultante met meer dan 20% vermogenswinst.

TURBO IN DE PRAKTIJK

Uit bovenstaande gegevens weten we dat de turbo als zeer complex ervaren wordt, en terecht. Turbo's kunnen gereviseerd worden (door gespecialiseerde bedrijven). Elk probleem kent zijn oplossing, maar beter is nog zo veel mogelijk voorkomen.

Troubleshooting

Schades aan turbo's zijn veelal gevolgschades. Een turbo is een zeer gevoelig onderdeel, het is dan ook aan te raden een kapotte turbo niet zomaar te vervangen zonder de oorzaak van de breuk te achterhalen.

• Onvoldoende smering is de grootste boosdoener. Er ontstaat hierbij een directe overdacht van de warmte, waarbij de olie verbrandt of verkoolt met vastlopende lagers en het breken van de turbineas als gevolg. Naast smering verzorgt de olie ook de koeling. Vervuilde olie brengt kleine deeltjes in de turbo, die op hun beurt werken als schuurpapier. Kleine vuildeeltjes stapelen zich ook op in de fijne leidingen, waardoor ze verstoppen. Vuil in de smeerolie verkoolt en zet zich vast op de binnenkant. Dus: volg het onderhoudsschema van de constructeur, want naast het vervangen van de oliefilter staat de luchtfilter tevens op het menu.

• Een vreemd voorwerp opzuigen kan voor veel schade aan de schoepen en de as zorgen. De verbinding tussen de luchtfilter en de turbo dient lekvrij en zuiver te zijn. Het is aan te raden om de motor enkele minuten stationair te laten draaien of de laatste kilometers traag te rijden om de turbo af te koelen en goed na te smeren als de wagen een rit achter de rug heeft waarbij de turbo hoge toeren heeft gemaakt.

• Een verstopte uitlaat, een probleem met de katalysator of een slecht functionerende EGR-klep zorgt voor een te hoge tegendruk. Een verhoogde tegendruk zorgt voor slijtage van de zuigerveer van de turbineas met als gevolg olielekkage naar de turbinekant toe. Kooldeeltjes in het lagerhuis wijzen op dit probleem.

• Een verstopte of defecte intercooler laat de temperaturen oplopen.

• Een verkeerd afgestelde brandstofpomp of een luchtfilter die meer dan verzadigd is, zorgt ook voor temperatuurstijgingen. Te hoge temperaturen veroorzaken scheurtjes, waardoor uitlaatgaslekkage ontstaat. Scheurtjes betekenen minder turbodruk en minder vermogen.

• Motoren die aan hoge belastingen blootgesteld worden kunnen na verloop van tijd krimpscheurtjes aan de turbinehuizen vertonen. Die zorgen voor een nadelige werking van de turbo.

• Materiaalmoeheid kan ook voorkomen, na een te lange of te hevige belasting. We zien hier geen andere sporen. Een schoep kan afbreken, het compressorwiel kan breken ...
  
  

TO DO BIJ VERVANGING VAN DE TURBO

• Controleer de aan- en afvoerleidingen van de olie op knikken in de leidingen of verstoppingen erin. Bij de minste twijfel vervang de desbetreffende leiding.

• Ververs de motorolie en vervang de filter. Zorg er wel altijd voor dat het oliecircuit volledig gevuld is voordat je de motor start.

• Controleer de carterventilatie. De carterontluchting is veelal aangesloten op de luchtaanvoerleiding van de turbo. Een verstopte carterventilatie kan ook voor olieafvoerproblemen van de turbo zorgen.

• De volledige luchttoevoer controleren.

• Controleer ook de uitlaat. Metaalresten zijn vernietigend.

• Het spruitstuk moet ook vrij van scheurtjes zijn, anders rendeert de turbo niet voor de volle 100%.

• Bij een pas geïnstalleerde turbo moet de motor eerst gestart worden zonder dat die aanslaat om zo oliedruk op te bouwen. Daarna kan men starten en langzaam in de toeren gaan. Controleer of alle verbindingen lekvrij zijn voor er naar een volle belasting overgegaan wordt.