Drukvulling: turbo, compressor, comprex, intercooler, ...

[Wutputt]

Er zitten hier op het forum genoeg technische knobbles om technische onderwerpen op een eenvoudige manier uit te leggen aan de andere forumleden. Dus het wordt ‘ns tijd dat we topics opstarten waarin verschillende technische begrippen aan bod komen en waar leden vragen kunnen stellen over deze onderwerpen.


Ik zal alvast de spits afbijten met een onderwerp dat zo oud is als de straatstenen: drukvulling.


Voor we echt van start kunnen gaan is het interessant even stil te staan bij de types motoren die er bestaan. In de ene hoek hebben we de vrij aanzuigende of atmosferische motoren (op sommige fora ook NA motoren genaamd, van het Engelse normally aspirated). En in de andere hoek de drukgevulde motoren. Het onderscheid tussen deze motoren zit hem in de manier waarop ze hun lucht aanzuigen. Een atmosferische motor is de gewone motor, zoals die in de 19e eeuw uitgevonden is geweest. Hij ademt z’n lucht in zoals wij dat doen. De luchtdruk in de motor is dan ook ongeveer dezelfde als de luchtdruk buiten. Een drukgevulde motor heeft een extra middeltje in z’n inlaat om meer lucht in te blazen dat hij normaal zou kunnen. Men kan het vergelijken met het zetten van een blazer op de mond van een persoon. De blazer duwt een hoop extra lucht binnen. Bij een drukgevulde motor is de luchtdruk in de motor dan ook groter als de luchtdruk in de omgeving.

Wat is het nut van meer lucht in de motor? Meer lucht in de motor pompen, betekent dat er na het inspuiten van de brandstof er ook meer mengsel in de cilinders zit. Dit vertaalt zich in meer energie tijdens de verbranding en dus meer koppel en vermogen.

Bij de drukgevuldemotoren zijn er ruwweg 3 manieren om meer lucht in de motor te persen:

1. Turbo: deze wordt aangedreven door de uitlaatgassen van de motor
2. Compressor: deze wordt via een riem of ketting rechtstreeks aangedreven door de motor
3. Comprex: dit is een speciaal geval dat zowel door de uitlaatgassen als rechtstreeks door de motor wordt aangedreven

Op deze drie types van drukvulling kom ik later in detail terug. Eerst gaan we even een zijsprong nemen en de intercooler behandelen. Zogoed als alle huidige drukgevulde motoren zijn uitgerust met een intercooler, die na de turbo of compressor is geplaatst. De reden hiervoor is simpel: pers je lucht samen, dan warmt ie op. En warme inlaatlucht wil je vermijden. Ten eerste zet warme lucht uit, waardoor het effect van het comprimeren van de lucht deels teniet gedaan wordt. Ten tweede is de temperatuur in de cilinders groter, waardoor de motor makkelijker gaat kloppen (d.i. een hevige ongecontroleerde zelfontploffing van het mengsel) en zo schade oploopt. Vandaar de intercooler die de warme inlaatlucht terug afkoelt.



Er zijn 2 types intercoolers: een lucht-luchtkoeler en een water-luchtkoeler. De lucht-luchtkoeler wordt het meeste toegepast: omgevingslucht stroomt dan over de intercooler om de inaatlucht af te koelen. Bij auto’s met motor vooraan wordt de intercooler vaak onderaan de radiator geplaatst. Bij sommige sportieve wagens (denk Mitsubishi EVO), bestaat er de mogelijkheid koud water over de lucht-lucht intercooler te spuiten om voor extra afkoeling te zorgen. Naast de lucht-luchtkoeler heb je de water-luchtkoeler. In dit geval wordt koelwater gebruikt om de inlaat lucht af te koelen.

[Wutputt]

De turbo


En nu zijn we aanbeland bij het meest bekende en meest gebruikte type van drukvulling: de turbocompressor, of ook wel turbo. Zoals gezegd in de vorige post gebruikt de turbo de energie in de uitlaatgassen om de inlaatlucht samen te persen. De turbo bestaat uit twee delen: het compressorwiel dat de inlaatlucht samenperst (blauwe gedeelte op onderstaande figuur), en het turbinewiel dat de energie van de uitlaatgassen gebruikt om rond te draaien (rode gedeelte op onderstaande figuur). Compressor- en turbinewiel zijn niet meer dan twee schoepenraden, die in een slakkenhuis zitten.



Wanneer de uitlaatgassen (rode pijlen) over het turbinewiel stromen, brengen ze deze aan het draaien. Hoe sneller en hoe meer uitlaatgassen door de turbine stromen, hoe sneller deze gaat draaien. Aangezien het turbinewiel en het compressorwiel met een as aan elkaar verbonden zijn, draait het compressorwiel even snel mee. Hierdoor comprimeert het compressorwiel de inlaatlucht (blauwe pijlen).

Turbo’s draaien op waanzinnig hoge toerentallen, 200.000 toeren per minuut is geen uitzondering. Dit stelt zeer hoge eisen op voor de gebruikte materialen en het ontwerp van de turbo’s. En turbo mag ook niet te snel gaan draaien, want dan draait hij zich kapot. Ook de turbodruk begint op te lopen met stijgend toerental van de turbo, waardoor de motor beschadigd raakt. Om te voorkomen dat de turbodruk te hoog wordt en de turbo te snel zou draaien, zijn turbo’s uitgerust met een wastegate (*). De wastegate is gemonteerd op het slakkenhuis van het turbinewiel. De turbodruk kan zonder probleem oplopen tot een bepaalde waarde wordt bereikt. Dan gaat de wastegate open, zodat een deel van de uitlaatgassen niet meer langs het turbinewiel moeten stromen. Hierdoor stopt de turbo met snelheid te winnen en wordt de turbodruk begrensd.

Als we alles nu samenvoegen kunnen we volgend schema opstellen:

1. Luchtfilter
2. Compressorwiel turbo
3. Intercooler
4. Inlaatcollector
5. Inlaatklep
6. Uitlaatklep
7. Uitlaacollector
8. Turbinewiel turbo
9. Uitlaatpijp
10. Wastegate

*: niet allemaal, zo hebben VTG-turbo’s geen wastegate meer nodig, maar daar kom ik later op terug.

[Wutputt]

Turbo-lag


Een van de nadelen van de turbo is dat het even duurt voordat hij druk begint op te bouwen wanneer je het gaspedaal diep induwt. De turbo heeft als het ware even bedenktijd nodig voordat hij in actie schiet. Grotere turbo’s kunnen meer druk genereren en dus meer vermogen, maar hebben ook meer tijd nodig voordat ze druk beginnen op te bouwen. Grote turbo’s hebben ook last van een turbogat. Een motor met een turbogat creëert bij lage toerentallen weinig turbodruk, omdat de uitlaatgassen het turbinewiel niet snel rondgedraaid krijgen. Wanneer het toerental van de motor verder stijgt, krijgen de uitlaatgassen de turbo plots wel op snelheid, stijgt de turbodruk snel en voelt de bestuurder plost een hoop extra paarden onder z’n rechervoet.

Gelukkig zijn er door de jaren heen verschillende middeltjes tegen de traagheid van de turbo’s beschikbaar gemaakt, zoals:

• Biturbo
• Registerdrukvulling
• VTG-turbo
• TwinScroll
• Dumpvalves
• ALS

Biturbo

Het principe van biturbo slaat op het gebruiken van 2 kleinere turbo’s die sneller op druk komen in plaats van een grote turbo. Biturbo’s zijn pas interessant bij motoren met 6 cilinders of meer. Elke turbo voorziet dan de helft van de cilinders van druk. Bij V-motoren en boxer motoren heeft het biturbo-principe het extra voordeel dat de turbo dichter bij de uitlaat geplaatst kan worden, zodat er minder energie van de uitlaatgassen verloren gaat. Een voorbeeld hiervan is de Porsche 911 Turbo (vanaf type 993). Het biturboconcept kan nog verder doorgedreven worden, zoals bij de Veyron. Die is voorzien van 4 turbo’s waarbij elke turbo 4 cilinders voor zijn rekening neemt.


Registerdrukvulling

Daar waar bij de biturbo twee even grote kleine turbo’s worden gebruikt, maakt registerdrukvulling gebruik van 1 grote en 1 kleine turbo. Beiden voorzien de gehele motor van druk. De bedoeling van dit systeem is om de voordelen van de kleine turbo (snelle reactietijd) met de voordelen van de grote turbo (veel vermogen) te kunnen combineren. Bij lage toerentallen en lage belasting zorgt enkel de kleine turbo voor turbodruk. Stijgen het motortoerental verder, dan begint de grote turbo ook stilletjes aan druk op te bouwen. En bij hoge toerentallen en hoge belasting, wordt de kleine turbo afgesloten, en levert de grote turbo de volledige druk.


VTG-turbo

VTG-turbo slaat op variabele turbine geometrie, soms ook VNT (Variable Nozzle Turbine) genaamd. In het slakkenhuis van het turbinewiel worden enkele extra schoepen geplaatst, die verstelbaar zijn. Door de hoek van die extra schoepen te verstellen afhankelijk van het toerental, reageert de turbo sneller bij lagere toerentallen, én kan hij voldoende turbodruk leveren bij hogere toerentallen. Tot voor kort was deze techniek enkel beschikbaar bij dieselmotoren, omdat het verstelmechanisme te gevoelig was voor de hoge uitlaatgastemperaturen van benzinemotoren. Maar probleem heeft Borg Warner sinds kort kunnen tackelen en de eerste benzine VTG-turbo valt momenteel te bewonderen in de nieuwe Porsche 997 Turbo. VTG-turbo’s hebben geen wastegate meer nodig, aangezien ze door het verstellen avn de extra schoepen ook de maximale turbodruk kunnen begrenzen.


Twin Scroll-turbo

Bij een Twin Scroll-turbo is wordt het slakkenhuis van het turbinewiel in 2 verdeeld. Zo kunnen de uitlaatpulsaties van tegenovergesteld werkende cilinders gescheiden worden, zodat er uiteindelijk meer energie overblijft voor de turbo. In een 4-cilinder worden zo de uitlaatgassen van cilinder 1 en 4 gescheiden van de uitlaatgassen van cilinder 2 en 3. Want wanneer cilinders 2 en 3 naar boven bewegen bewegen cilinders 1 en 4 naar beneden.


Dump valves

Dump valves of blow off valves zijn kleppen die tijdens het los laten van het gaspedaal (om op te schakelen) de gecomprimeerde lucht die tussen turbo en motor zit verwijderen. Wanneer de gecomprimeerde lucht zou blijven zitten, remt hij de turbo af, waardoor het langer duurt om de turbodruk op te bouwen wanneer de bestuurder het gaspedaal terug induwt. Er zijn twee sooren blow off valves: de recirculerende en de vent-to-atmpshere. Bij de recirculerende wordt de gecomprimeerde lucht terug naar de inlaat van het compressorwiel gestuurd. Bij een vent-to-atmosphere ontsnapt de lucht naar de omgeving. Dit gaat samen met een kenmerkend ‘pssshht’-geluidje. Doordat de lucht naar de omgeving ontsnapt, wordt bij vele motoren de stuureenheid voor de gek gehouden, doordat ie de inkomnde lucht reeds voor de turbo heeft gemeten (*). Hierdoor ontstaat er tijdelijk een te rijk mengsel, waardoor er onverbrand mengsel in de hete uitlaat terecht komt, en daar plots verbrandt. Bij een open uitlaat is dit leuk (vlam in de pijp), maar de katalysatoren van een standaard uitlaatsysteem houden hier niet van.


ALS

ALS staat voor Anti Lag System, en wordt gebruikt bij WRC rallywagens. Dit systeem zorgt voor het befaamde bang-bang geluid, dat je hoort wanneer een WRC passeert. Wanneer de rijder het gaspedaal lost, injecteert de stuureenheid extra brandstof en past de ontsteking aan. Hierdoor belandt er een hoop onverbrand mengsel in de uitlaat, dat ter hoogte van het turbinewiel verbandt, waardoor de turbo draaiende wordt gehouden. Het is niet aan te raden dit systeem op een dagdagelijkse auto te installeren, aangezien het de levensduur van turbo en uitlaat drastisch verkleint.



*: motoren met een MAF (Mass Air Flow) meter hebben hier last van, motore met een MAP (Mass Air Pressure) meter niet.

[Wutputt]

Turbo plaatsen in een handomdraai gedaan?

Als ik een turbo, intercooler en een paar pijpen aanschaf, die op m’n motor monteer, heb ik dan in 1-2-3 een hoop paarden extra? Neen, het is veel meer dan even een turbo’tje op de motor schroeven. Je moet ten eerste de juiste turbo keizen: hij moet het luchtdebiet van je motor aankunnen, maar mag ook niet te groot zijn, want anders heb je een groot turbo-gat. De geleverde turbodruk mag niet te klein zijn maar ook niet te groot, want dan rij je jouw motor op korte tijd in de prak. En de turbo moet de uitlaatgastemperaturen die je na de ombouw zult realiseren aankunnen.

Door de hogere drukken in de cilinder, moet ook de compressieverhouding verlaagd worden en het ontstekingstijdstip aangepast. Ook de cilinders, drijfstang en krukas moeten de hogere drukken en krachten aankunnen. Vaak betekent dit zwaardere bewegende onderdelen, waardoor het maximumtoerental lager ligt als bij een atmosferische motor. Omdat de temperatuur in de cilinder en van de uitlaatgassen zal hoger zijn, moeten koeling, uitlaatkleppen en uitlaatsysteem hierop voorzien zijn.

[Wutputt]

Laten nadraaien van de turbo

Het is aan te raden bij turbomotoren om na een rit de motor een minuutje op stationair toerental te laten draaien voor hem af te zetten. De as die het compressorwiel met het turbinewiel verbindt is gelagerd door middel van zwevende bus glijlagers, die de motorolie als smering gebruiken. Tijdens het rijden wordt de turbo zeer heet, bij een snelle rit komt hij zelfs gloeiendheet te staan. Wanneer je de motor direct na de rit stil zou zetten, stopt ook de oliepomp met werken en krijgen de lagers van de turbo geen smering meer. Doordat de turbo erg warm is, kan de olie in de lagers gaan verbranden, waardoor er lagerschade optreedt, hetgeen uiteindelijk het einde zal betekenen van de turbo.

Dit probleem stelt zich enkel bij benzinemotoren, aangezien de uitlaattemperaturen veel hoger liggen als bij dieselmotoren. Om de bestuurders wat tegen zichzelf te beschermen, zijn de meeste turbo’s op benzinemotoren voorzien van een watergekoeld ashuis.

[Wutputt]

Turbodiesels

99% van de auto’s met dieselmotor die vandaag verkocht worden zijn turbodiesels. Echter een kleine minderheid van de benzinemotoren zijn van een turbo voorzien. Hoe komt dit nu? Wel de turbo is de dieselmotor op z’n buik geschreven.

De verklaring gaat als volgt. Bij een benzinemotor moeten brandstof en lucht steeds in een juiste hoeveelheid worden gemengd. De hoeveelheid brandstof én de hoeveelheid lucht moeten continu aangepast worden. Een dieselmotor doet hier niet aan mee. Deze werkt steeds met een te grote hoeveelheid aan lucht en bij het gasgeven past ie enkel de hoeveelheid ingespoten brandstof aan. Doordat de luchthoeveelheid niet aangepast moet worden, kan turbodrukvulling makkelijker toegepast worden. Bovendien moet de compressieverhoudind (die bij een dieselmotor sowieso hoger ligt als bij een benzinemotor) niet sterk verlaagd worden zoals bij een benzinemotor, waardoor er meer winst gemaakt kan worden.

[Wutputt]

Compressoren

Nu hebben we het al een hele tijd over turbo’s gehad. Het wordt ‘ns tijd dat we de andere kant van de drukvulling bekijken met de compressoren. Een compressor of supercharger heeft net hetzelfde doel als een turbo: de inlaatlucht samenpersen om zo meer lucht in de cilinders te duwen. Tot zover de analogie tussen een turbo en een compressor. Het grootste verschil tussen beiden zit ‘m in de aandrijving. Een turbo wordt door de uitlaatgassen van de motor aangedreven. Een compressor wordt echter rechtstreeks door de motor aangedreven via een riem of ketting. Hierin schuilt dan ook het grote voordeel dat een compressor t.o.v. een turbo heeft: vanaf zeer lage toerentallen kunnen ze al druk leveren en ze reageren erg snel, daar waar de turbo vaak last heeft van turbolag.
Compressoren in verschillende geuren en kleuren te krijgen. Er is echt een waaier aan types:

• Roots-blazer
• Schroefcompressor
• Centrifugale compressor
• G-lader of scroll compressor

In de volgende posts zal ik wat dieper ingaan op de verschillen types compressoren. Eerst nog even de verschillen tussen en turbo en compressor verder toelichten. Doordat een compressor rechtstreeks door de motor aangedreven wordt, reageert hij direct en heeft hij geen last van een bedenktijd zoals een turbo. Hierdoor is er ook vanaf erg lage toerentallen reeds voldoende druk en dus vermogen. Doordat een turbo echter hogere overdrukken kan genereren, is het piekvermogen (bij hoge toerentallen) groter als bij een equivalente compressor. Een turbo springt ook efficiënter om met z’n energie, deels doordat hij niet voortdurend door de motor aangedreven moet worden en dus vermogen opslurpt. Echter er is geen winnaar tussen turbo en compressor. Beiden hebben hun voor- en nadelen en daarbijhorende karakteristieke eigenschappen. Zo zal de turbo meer geliefd zijn in bepaalde kringen als de compressor en omgekeerd.

[Wutputt]

Roots-blazer

Zoals de naam het al zegt, is dit type compressor een blazer. De lucht wordt niet gecomprimeerd in de Roots-blazer, maar doordat ie een enorme hoeveelheid lucht snel de motor blaast, sneller dan de motor hem kan afvoeren, wordt de lucht op druk gebracht. De Roots-blazer comprimeert de lucht dus niet zelf, ie verplaatst hem gewoon snel. Onderstaande figuur geeft een voorbeeld van een eenvoudige Roots-blazer. Deze bestaat uit twee achtvormige rotors die in tegengestelde richting draaien. Zij raken elkaar juist niet, maar passen zeer nauwkeurig in het huis om het weglekken van de gecomprimeerde lucht te vermijden.



De rotors van de hierboven afgebeelde Roots-blazer bestaan uit twee lobben. Tegenwoordig zijn de meeste Roots-blazers uitgerust met drie lobbige schroefvormige rotors. Hierdoor stijgt de efficiëntie, aangezien de lekken verminderen, en daalt de geluidsproductie. Toch blijft de Roots-blazer met enkele nadelen zitten t.o.v. andere types compressor. Door zijn eenvoudige bouw is hij namelijk niet zo efficiënt en is hij minder geschikt voor motoren met een breed toerentalgebied. Om het brandstofverbruik van de Roots-blazer in toom te houden, wordt hij vaak van een omloopklep voorzien. Deze klep opent wanneer de bestuur hetgaspedaal lostlaat. Hierdoor kan de motor rechtstreeks lucht aanzuigen uit de luchtfilter, zonder een omweg te moeten maken lansg de Roots-blazer. Dit laat de Roots-blazer als het ware toe om te freewheelen, waardoor ie minder vermogen van de motor opsoupeert. Roots-blazers worden bvb gebruikt in Jaguar’s R-modellen.

[Wutputt]

Schroefcompressor

Een compressor die lijkt op de Roots-blazer is de schroefcompressor, of ook wel ‘ns de Lysholm compressor genoemd, naar zijn uitvinder. In tegenstelling tot de Roots-blazer brengt de schroefcompressor de lucht intern op druk, hetgeen hem efficiënter maakt. Een schroefcompressor bestaat uit een mannelijke en vrouwelijk rotor die mooi in elkaar passen, maar mekaar niet raken (zie onderstaande figuur). De rotors transporteren de inlaatlucht van de voorkant van de compressor naar achterachterkant. Hierbij wordt de ruimte tussen mannelijke en vrouwelijke rotor steeds kleiner, waardoor de lucht gecomprimeerd wordt (en ook warmer wordt, het is als het ware een liefdesspel ).



Net als de Roots-blazer levert de schroefcompressor reeds veel overdruk bij lage toerentallen, maar hij is ook geschikt voor grotere toerentalgebieden en werkt efficiënter. De keerzijde van de medaille is dat een schroefcompressor tamelijk veel kost. Doordat de schroefcompressor intern druk opbouwt, blijft hij redelijk wat vermogen opslurpen ook wanneer er geen druk nodig is. Een oplossing hiervoor is een elektromagnetische koppeling die samen met het openen van een omloopklep de comrpressor volledig kan uitschakelen wanneer er geen druk vereist is. Een voorbeeld van een moterenreeks met een schroefcompressor zijn de 55 AMG modellen van Mercedes.

[Wutputt]

Centrifugale compressor


De centrifugale compressor is in feite een in tweeën doorgesneden turbo, waarbij enkel het compressorwiel en z’n slakkenhuis behouden zijn. Het compressorwiel wordt hierbij rechtstreeks door de motor aangedreven via een riem. Door z’n analogie met een turbo, verschilt de centrifugale comrpessor nogal van de Roots-blazer en schroefcompressor. Daar waar bij de laatst genoemde de overdruk (ook wel boost genaamd) gelijkmatig toeneemt met het toerental, neemt die bij een centrifugale compressor exponentieel toe. M.a.w. wanneer het toerental stijgt neemt de boost steeds sneller en sneller toe.



De centrifugale compressor neemt nogal wat voor- en nadelen van de turbo over. Zo is hij erg efficiënt en compact, maar is hij eerder geschikt voor motoren waarbij maximumvermogen belangrijker is dan veel koppel in de lage toerentallen, vandaar dat centrifugale compressoren geen toepassing vinden in standaardwagens (bij mijn weten toch niet). Een centrifugale compressor draait ook sneller (zo’n 40.000 tpm) in vergelijking met een typische Roots-blazer of schroefcompressor, die in de grote-orde van 15.000 tpm draaien.

[Wutputt]

G-lader of scroll compressor

De scroll compressor is een buitenbeentje en dankt zijn naam zijn aan spiraalvormige lichamen, die eruitzien als een doorgedraaide G, vandaar ook de naam G-lader. Een spiraalvormige lichaam zit vast en het andere spiraalvormig lichaam maakt hierin cirkelvormige bewegingen. Hierdoor verkleint telkens de ruimte tussen de twee spiralen, waardoor er continu lucht aangezogen, gecomprimeerd en uitgestoten wordt. Et voilà, een compressor is geboren. Deze G-laders zijn vroeger gebruikt geweest op VW’s G40 en G60 motoren. Maar vinden nu geen toepassing meer, aangezien hun betrouwbaarheid te kritisch was. Ze blijven werken als ze goed onderhouden worden en er niet gefoefeld (= onderdoordacht de druk opvoeren) wordt.





Er zijn nog andere types compressoren gebruikt geweest om een drukgevulde motor te bouwen, maar deze hebben de laatste jaren geen toepassing meer gevonden onder de motorkap van een auto.

[Wutputt]

Comprex

De Comprex of drukpulscompressor is een type van drulvulling die het beste uit de wereld van de turbo wilt combineren met het beste uit de wereld van de compressor. Hij wordt zowel door de uitlaatgassen als door de motor aangedreven. Maar zijn drukvulprincipe is volledig anders omdat het geen gebruik maakt van een mechanisch compressorwiel. In een ronddraaiende trommel worden de drukpulsen van de uitlaatgassen doorgegeven aan de inlaatlucht, waardoor deze gecompimeerd wordt. Dit gebeurt allemaal vliegensvlug, zodat er weinig kans is dat de hete uitlaatgassen met de koude inlaatlucht vermengd worden. Het hele proces ga ik hier niet in detail uitleggen (dat kan wel op aanvraag), wegens nogal abstract. Maar ik ga wel even de voor- en nadelen toelichten. Doordat de inlaatlucht gecomprimeerd wordt via drukpulsen, reageert de comprex direct. Ook is er al voldoende laaddruk (= boost) beschikbaar bij lage toerentallen, net zoals een compressor. Maar een comprex heeft een klein werkingsbied, waardoor veel koppel bij lage toerentallen ook garant staat voor weinig vermogen bij hoge toerentallen. In de jaren ’90 heeft de comprex enkele toepassingen gekend bij diesels (bvb Opel Senator en Mazda 626).







_______________________

Aangezien er vraag is om het proces van de comprex meer in detail uit te leggen, zal ik m’n best doen het ‘ns klaar en duidelijk uit te leggen.

Nemen we volgende tekening er even bij. Via inlaatbuis 6, zuigt de comprex (2) verse lucht aan. De comprex wordt via een riem (3) door de motor aangedreven en comprimeert de inlaatlucht. De gecomprimeerde lucht (5) wordt dan naar de cilinders (1) gestuurd. Voordat de warme uitlaatgassen (4) via de uitlaat ontsnappen passeren ze de comprex, waar ze hun energie uitwisselen met de verse inlaatlucht, zodat deze gecomprimeerd wordt. De uitlaatgassen verlaten de comprex via uitlaatbuis 7.



Laten we even van naderbij bekijken wat er zich juist afspeeld in de comprex. Een comprex bestaat uit een ronddraaiende honinggraattrommel die verschillende kanaaltjes bevat. In zo’n kanaaltje delen uitlaatgassen en verse lucht energie uit op volgende wijze:



In een eerste fase wordt het kanaal gevuld met verse lucht doordat het kanaal verbonden is met inlaatbuis 6. Wanneer het kanaal gevuld is, wordt deze inlaat afgesloten en komt de andere kant van het kanaal in verbinding te staan met de hete uitlaatgassen van de motor (4). Op het moment dat deze het kanaal binnenkomen onstaat er een drukgolf die naar links beweegt. Het is deze drukgolf die de inlaatlucht comprimeert. Wanneer deze drukgolf het kanaal bijna doorgelopen is, komt het kanaal in verbinding te staan met de inlaatbuis van de motor. Hierdoor stroomt de gecomprimeerde inlaatlucht naar de cilinders. In een volgende fase is het kanaal volledig afgesloten. De drukgolf weerkaatst nu op de linkerwand en begint zich naar rechts te bewegen. In de laatste fase komt het kanaal in verbinding te staan met de uitlaat van de uitlaatgassen. De drukgolf helpt de uitlaatgassen naar buiten duwen. De eerste fase (vullen van het kanaal met verse lucht) en de laatste fase (verwijderen van uitlaatgassen) overlappen elkaar. Doordat de drukgolf naar rechts beweegt, helpt deze niet enkel het verwijderen van uitlaatgassen, maar ook het aanzuigen van verse lucht langs de andere kant.

Het verbinden van het kanaal met de verschillende in- en uitlaatbuizen wordt gerealiseerd doordat het kanaal ronddraait met de trommel. Hierdoor komt het steeds in verbinding te staan met de verschillende in- en uitlaten. Een trommel bestaat uit verschillende van deze kanalen zodat het hierboven vernoemde proces continu voordoet in dezelfde trommel:



Zoals je op volgende tekening kunt, zien blijft er steeds een klein beetje restlucht achter in het kanaal. Deze moet vermijden dat de hete uitlaatgassen en verse inlaatlucht zich gaan vermengen. De restlucht koelt daarenboven ook de comprextrommel. Bovenstaande voorstelling is nog steeds een vereenvoudiging van het werkelijke comprexprincipe, aangezien er in werkelijkheid per kanaal meerdere drukgolven onstaan, die verschillende keren kunnen weerkaatsen, waardoor de inlaatlucht meerdere keren gecomprimeerd kan worden. Maar het basisprincipe blijft echter hetzelfde.

De drukgolven bewegen zich voort aan de geluidssnelheid. Die is afhankelijk van de temperatuur: hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de geluidssnelheid. M.a.w. hoe meer gas je geeft, hoe hoger de uitlaatgastemperatuur en hoe een grotere druk die de comprex kan opbouwen. Hier is echter ook een nadeel aan verbonden. Je wilt namelijk dat de drukpuls op het juiste moment aankomt aan de inlaatbuis die de gecomprimeerde lucht naar de cilinder stuurt. Is de drukpuls te snel dan werkt hij het verwijderen van de gecomprimeerde lucht tegen. Is hij te traag, dan zal er niet voldoende druk opgebouwd kunnen worden. Dit is ook de reden waarom een comprex enkel perfect werkt in een klein werkingsgebied.

[Wutputt]

Turbo en Compressor gecombineerd

Een andere manier om de voordelen van een turbo en een compressor in een concept samen te voegen is het monteren van zowel een turbo als compressor voor de drukvulling van de motor. Als compressor wordt dan een Roots-blazer gebruikt. Het idee is om twee bijna tegengestelde drukvulmethoden te combineren, zodat ze elkaar aanvullen. De Roots-blazer levert reeds veel boost bij lage toerentallen, maar wordt onefficiënt bij hogere toerentallen. Een (grote) turbo daarentegen levert weinig boost onderin, maar bij hoge toerentallen is er boost à volonté beschikbaar. Bouw je ze samen in, dan heb je veel boost over het hele toerentalgebied van de motor.

Zeel interessant idee, maar praktisch is het wat ingewikkelder realiseerbaar. Het bekendste voorbeeld is de Lancia Delta S4 uit de jaren 80. Het recente voorbeeld is echter VW’s 1.4 TSI Twincharger uit de Golf GT, waarvan je hieronder een schema kunt zien. Dit is een eenvoudigere setup als die van de Delta S4 en met een intelligentere elektronische sturing. De inlaatlucht wordt via de luchtfitler aangezogen en passeert dan langs de Roots-blazer, die voorzien is van een omloopklep en magneetkoppeling. Na de Roots-blazer is het de beurt aan de turbo om de lucht te comprimeren, waarna de gecomprimeerde lucht afgekoeld wordt in de intercooler.



Bij de lage toerentallen geeft de Roots-blazer enkel laaddruk. Doordat de overbrengingsverhouding tussen motor Roots-blazer groot is, draait de Roots-blazer reeds snel bij lage toerentallen, waardoor er een grote laaddruk verzekerd is. Wanneer het toerental stijgt, gaat stilletjes aan de omloopklep van de Roots-blazer open, aangezien de turbo boost begint te leveren. In deze situatie staan zowel turbo als Roots-blazer in voor het leveren van de druk. Vanaf 3500 tpm wordt de Roots-blazer erg onefficiënt. Bij dit toerental komt de omloopklep volledig open te staan, zodat de turbo de inlaatlucht rechtstreeks via de luchtfilter kan aanzuigen. Niet enkel opent de motorstuureenheid de omloopklep, de Roots-blazer wordt volledig stilgelegd door dat de mageneetkoppeling die in z’n aandrijving verwerkt zit, geopend wordt. Bij de hogere toerentallen staat de turbo volledig in voor het leveren van de laaddruk. Doordat de werking van de Roots-blazer volledig elektronisch geregeld wordt via de omloopklep en magneetkoppeling, is een intelligente sturing mogelijk. Zo zal de Roots-blazer ook volledig uitgeschakeld worden bij lage toerentallen, wanneer de bestuurder niet veel koppel vraagt, zoals bvb bij traag acclereren of het rijden aan constante snelheid. Hierdoor is er een extra besparing qua brandstofverbruik mogelijk, doordat de Roots-blazer in zo’n geval niet aangedreven wordt door de motor en dus ook geen motorvermogen verbruikt.

[Wutputt]

Turbocompounding

Turbocompounding is een turbo-techniek die wordt toegepast op grote vrachtwagenmotoren, maar (voorlopig) zijn intrede nog niet gevonden heeft bij automotoren. Het idee achter turbocompounding is dat er nog steeds energie in de uitlaatgassen zit wanneer ze het turbinewiel van de turboverlaten. Waarom zou je hier niets meer kunnen doen? Bij turbocompounding wordt er dan ook na de turbo nog een extra turbinewiel met klokkenhuis gemonteerd. Deze keer drijft die geen compressorwiel aan, maar staat via een as, tandwieloverbrengingen en hydraulische koppeling in verbinding met de krukas van de motor. Hierdoor is er een paar procenten extra vermogen beschikbaar en daalt het verbruik bij hoge belasting. Daarenboven werkt de turbine van de turbocompounding net als die turbine van een turbo als geluidsdemper. In onderstaande figuur is een praktische uitvoering verduidelijkt.

1. Turbinewiel turbo
2. Compressorwiel turbo
3. Uitlaatrem
4. Hydraulische koppeling
5. Vliegwiel motor
6. Turbinewiel turbocompounding

Turbocompounding kan nog een stapje verder gaan. Bij volle belasting van de motor, gaat de wastegate van de turbo steeds open omdat de maximale laaddruk bereikt is. M.a.w. er zit meer energie in de uitlaatgassen dan nodig is om de inlaatlucht te comprimeren. Kan hier niets mee gedaan worden? Het antwoord is de axiale turbocompouding. Hierbij worden de turbo en het turbinewiel van de turbocompounding op dezelfde as gezet. Zodat ze beiden de krukas een handje toesteken. Maar zo is het ook mogelijk om het compressorwiel van de turbo een handje toe te steken bij lage toerentallen. En zo slaat men twee vliegen in een slag.

Om even een kijkje in de toekomst te nemen: ook met turbocompounding kan men de hybride-toer op gaan. Door een motor/generator-module op de turbo te plaatsen is het mogelijk energie van de turbo op te nemen, wanneer de uitlaatgassen meer energie bevatten dan nodig is om de inlaatlucht te comprimeren. Deze energie kan dan via een alternator/motor/starter aan de motor gegeven worden. Omgekeerd kan de motor/generator de turbo in de lage toeren bijstaan om voldoende boost te leveren. Een afgeleide hiervan kan mogelijk zijn toepassing vinden in de automotoren van de toekomst. Dit concept wordt ook wel ‘ns e-booster genaamd.

[Wutputt]

Moesten er nog vragen zijn, of wel je een bepaald onderwerp of concept wat dieper in detail uitgelegd krijgen, vraag maar

Verbeteringen en aanvulling zijn vanzelfsprekend ook welkom.

[Gast]

Gij...gij...gij allesweter

[Porker]

dit is voor na de examens

[Gast]

Schitterend topic. Morgen es de tijd nemen om alles door te nemen

[Gast]

Net volledig doorgenomen.

Zalig om alles 'es samen te zien, 't is een handig naslagwerkje.

Toppie !

[Gast]

proficiat, daar zit hééél wat tijd in!