>> CHIPTUNING  ALGEMEEN  >>  DRUKVULLING  >>

Algemene uitlaatgas-turbolader

>> Functie en opdracht

Deze turbolader is een zeer oude en bekende vorm van drukvulling en is in 1920 uitgevonden. Reeds toen
werd vastgesteld dat bij verbrandingsmotoren onnodig veel energie uitstoten in de vorm van hitte en onder
druk staande uitlaatgassen. Het idee achter deze turbo is om deze uitlaatgasstroom te benutten om een
radiaalturbine aan te drijven en hierdoor de uitlaatstroom-energie in mechanische arbeid om te zetten.
Hierbij kunnen verschillende energiedelen van deze uitlaatgassen benut worden nl de uitlaatgasdruk en de
uitlaatgas-stromingssnelheid (kinetische energie).
Benut men de druk dan spreekt men van een "gelijke druk-drukvulling". Hier worden de uitlaatgassen eerst
verzameld om vervolgens met een constante druk vergeleidt te woden aan de turbine. Benut men de snelheid,
dus de turbo dicht bij de uitlaat, spreekt men van een "stoot-drukvulling", waarmee echter de thermische
belasting van de lagers groter wordt wegens de hetere uitlaatgassen.

De van de uitlaatgasenergie aangedreven radiaalturbine zet het verdichtingswiel, dat op de
gemeenschappelijke as is aangebracht, in een draaibeweging om. De opdracht van de verdichter of ook laadpomp genoemd, is de atmosferische lucht aan te zuigen, te verdichten om deze vervolgens met
overdruk (laaddruk) in de verbrandingsruimte te voeren.

De turbine en de verdichter van deze turboladers zijn meestal relatief klein en licht, wat haast verplicht is
opdat de motor, zelfs bij geringe toerentallen, een groot koppel zou opbouwen. De toerentallen van deze
turbo's kunnen tot 130.000 t/min gaan. Daarom moeten er speciale grondstoffen voor de constructie van de
onderdelen aangewend worden. Bovendien is de lagersmering aangesloten op het oliecircuit van de motor.
Als deze goed functioneert kunnen deze turbo's meegaan tijdens de hele levensduur van de motor.

Volgens metingen ligt de werkingsgraad van de turbine bij 50 % en van de verdichter bij 75 %, zodat de
werkingsgraad van deze complete groep op 75 % x 50 % = 37.5 % uitkomt. Dus slechts 37.5 % van de
uitlaatgasenergie kan benut worden voor de luchtcompressie.
Hoe hoger het toerental van de motor wordt, hoe sneller de uitlaatgassen stromen en dus des te sneller
moet de turbine met de verdichter roteren. Hierdoor wordt er meer lucht verdicht en wordt er dus ook meer
lucht onder de steeds toenemende druk in de motor aangevoerd. De laaddruk stijgt.
Deze laaddruk is afhankelijk van het doel en het gewenst vermogen van een specifieke motor.
De invloed van de laaddruk op het vermogen van een motor kan men eenvoudig berekenen. Hierbij moet men
weten dat het vermogen van een turbomotor direct in verhouding staat tot de laaddruk. Hoe meer vermogen,
hoe meer laaddruk. Hierbij geldt de volgende vuistregel :

waarbij Pla = de absolute laaddruk en Po = de omgevingsdruk is.
In het algemeen wordt laaddruk aangegeven als het verschil tussen de absolute laaddruk met de
atmosferische druk. Om bovenstaande verhouding te doen gelden moet hier de absolute druk gebruikt worden.
Bovendien is in de regel het ongeladen vermogen van een turbomotor kleiner dan een atmosferische motor
die niet voorzien is voor een drukvulling.

In specifieke domeinen worden volgende laaddrukken bereikt. De waarden zijn als overdruk aangeduid.
> STANDAARD TURBOMOTOR : 0.4 - 0.8 bar
> RALLY -EN SPORTWAGENS : 0.8 - 1.5 bar
> TURBOMOTOR VAN F-1 WAGENS : 1.8 - 2.4 bar

Zoals reeds vastgesteld stijgt de laaddruk met een hogere uitlaatgasstroom. Bij hogere toerentallen wordt
er dus teveel lucht, en bij lage toerentallen, te weinig lucht in de verbrandingsruimte gepompt.
Hierdoor zijn motoren met een ongeregeld laaddrukverloop "koppelzwak" en "stotterend". Dit laatste
betekent dat bij plotse versnellingen ze zeer traag reageren. Het fenomeen van geringe laaddruk bij lagere
toerentallen wordt ook als turbogat aangeduid en bekent onder de bestuurders. Zodra de motor dit
overwonnen heeft, dus wanneer het toerental in het middelste bereik ligt, stijgt de laaddruk en daarmee ook
het koppel aanzienlijk.
Om beide nadelen, zowel het turbogat bij lage toerentallen als de té hoge laaddruk bij hoge toerentallen dat
de motorbelasting onnodig verhoogt, te elimineren of tenminste binnen de grenzen te houden, gebruikt men
het principe van laaddrukregeling. Hier zijn er ook verschillende manieren om tot hetzelfde doel te komen.
Hieruit resulteren verschillende constructievormen van turboladers. Zie verder meer hierover.

Voert men géén laaddrukrregeling uit, dan krijgt men een onregelmatige turbomotor die op grond van hogervermelde beschreven negatieve fenomenen niet ingezet wordt voor massaproduktie. Enkel bij bv
bepaalde rijwedstrijden wordt deze ongeregelde turbomotor gebruikt waar dan de maximale laaddruk wordt
benut bij hoge toerentallen. Bij gemiddelde en lage toerentallen is deze motor zwak in koppel en vermogen.

Tenslotte kunnen we nog vermelden dat motoren ook meer dan één turbolader kan hebben. In dit geval staan
ze meestal parallel, en soms in serie. Deze constructiewijze laten een extreem hoge laaddruk toe.
Bij parallel geschakelde tot 3 bar en de in serie van 6 tot 7 bar. De thermische en mechanische belasting is echter veel hoger bij deze motoren en worden slechts toegepast bij wedstrijden en in sommige serie-wagens.

>> Laaddrukregeling

Zoals vastgesteld heeft het laaddrukverloop een grote invloed op de krachtontwikkeling in een met een turbo
uitgeruste motor. Een laaddrukregeling is echter noodzakelijk omdat bij lage toerentallen een turbogat
ontstaat en bij hoge toerentallen teveel laaddruk opgebouwd wordt. Bij een turbolader is de luchtcapaciteit
bij maximaal vermogen (vollast) vastgelegd. Wordt er weiniger vermogen verlangt (deellast) moet deze
laaddruk begrenst worden. Een groter laaddrukoverschot bij hoge toerentallen treedt ook op wanneer
men probeert door kleinere afmetingen hogere turbotoerentallen te bekomen bij lage motortoerentallen.
Een optimaal laaddrukverloop over het gehele toerentalbereik is te bereiken door een regeling aan de
uitlaatgaszijde, de inlaatgaszijde of handmatig. De beide laatste worden niet meer toegepast of enkel nog
bij wedstrijdrijden. Bij de inlaatzijde geregeld laaddrukverloop wordt een uitlaatventiel in de verzamelaar
geplaatst tussen de verdichteruitlaat en de motorinlaat dat opengaat bij een bepaalde laaddruk en de
gecomprimeerde lucht terug in de omgevingslucht of de aanzuigpijp blaast. Bij de handmatig geregelde
heeft de bestuurder zelf de mogelijkheid deze laadruk te variêren.
Verder zal enkel de uitlaatgaszijde geregelde laaddruk besproken worden waarbij er verschillende
constructies en procedures bestaan.

>> Laaddrukregeling door Wastegate of Bypass

De eenvoudigste regeling van de laaddruk komt door een bypass-ventiel of wastegate genaamd dewelke de
uitlaatgassen voor de turbolader onbenut in de uitlaatpijp voert. Hierbij maakt dus een deel van de
uitlaatgassen een omweg vanaf een bepaalde druk als het bypassventiel geopend wordt.

Naargelang de uitvoering van de lader worden bij vollast 20% tot 40% van de uitlaatgassen voorbij de turbo
gevoerd. De overige 60% tot 80% drijven de turbine aan en verzorgen de nodige laaddruk. In plaats van een
bypassventiel kan ook een bypassklep aangewend worden.
In het eenvoudigste geval wordt het ventiel of klep mechanisch-pneumatisch aangestuurd door de druk in de
aanzuigpijp en door veerdruk gesloten gehouden. Deze veer in het laaddruk-regelventiel bepaalt hoogte van de
laaddruk dmv haar constructie en veerkracht. Het laaddrukverloop wordt bepaald door de stuurdruk dewelke
het ventiel doet werken. Hierbij kan het ventiel of klep ofwel geïntegreerd zijn in de turbolader, ofwel zoals bij
de meeste turbo-benzinemotoren, gescheiden van de turbolader op een  goed gekoelde plaats vanwege de
hoge temperaturen bij deze benzinemotoren.
Het bypasventiel kan ook aan de verdichterzijde ingebouwd zijn. Omdat bij een gesloten gasklep een
"ophoopdruk" ontstaat door de aangezogen lucht, wordt het compressiewiel afgeremd. Om dit te vermijden
wordt een wastegate ingezet zodat de lucht vanuit de verdichterzijde naar de aanzuigzijde kan omgevoerd
worden. Tenslotte laten zich deze bypassventielen ook electronisch aansturen. Zie verder meer hierover.

>> Laaddrukregeling door Variabele Turbinegeometrie

Om te vermijden dat een deel van de uitlaatgassen onbenut in de uitlaat afstroomt en terzelfdertijd het
aanspreken van de turbolader verbeteren bij lage toerentallen werden turboladers ontwikkelt met variabele
turbinegeometrie. Hierbij reguleren verstelbare geleidingsschoepen van het turbinewiel en verstelbare
schuivers de uitlaatgasdruk. De regeling gebeurt electronisch.

	>> Klik hier voor een ANIMATIE >>