Een verbrandingsmotor met turbo is tegenwoordig meer gemeengoed dan een motor waar geen turbo op zit. Door de downsizingtrend van de moderne motoren, de strengere milieueisen en de steeds toenemende vermogens is het voor een fabrikant bijna onmogelijk geworden om een betaalbare motor te ontwikkelen zonder de drukvulling van een turbo.

De turbo kan zorgen voor een lucht ‘overschot’ in de cilinders, waardoor er een motor ontstaat die niet met een mengverhouding van 1:14 (1 deel benzine en 14 delen lucht) maar van 1:16 tot 1:18 kan draaien. Samen met een modern elektronisch motormanagementsysteem zijn er nu verbruikscijfers mogelijk van 1:15 tot 1:25. Maar hier was in eerste instantie de turbo niet voor bedoeld. In eerste instantie was het een onderdeel om het vermogen te verhogen.

Een klein stukje geschiedenis gaat hieronder vooraf. Tussen 1885 en 1896 onderzochten Gottlieb Daimler en Rudolf Diesel de mogelijkheden om het vermogen van de motor te verhogen en het brandstofverbruik te verminderen door gecomprimeerde lucht in de motor te brengen. Maar het was de Zwitser Alfred. J. Buchi die in 1925 het eerste succes boekte met de uitlaatgas turbo.

Het resultaat? Een vermogenswinst van 40%. De turbo werd officieel geïntroduceerd in de industrie. In den beginne werden de turbo’s alleen gemonteerd op grote (scheeps)motoren. Pas in 1938 werd de eerste turbomotor voor een truck gefabriceerd door Swiss Machine Works Saurer.

De jonge turbo werd in het begin van de jaren 60 ook gemonteerd op een Chevrolet Corvair en een Oldsmobile Jetfire. Het was geen daverend succes. De turbo zat in het midden tussen de hoek van de V8 ingebouwd. Na een korte periode verdween de turbo (om z’n vele problemen) dan ook weer van de markt. De turbo was tezamen met de carburatie ingebouwd als een unit. Mengverhoudingen waren slecht te regelen en ‘een goede loop’ was er bij geen enkele te garanderen.

Na de eerste oliecrisis in 1973 werden de eerste turbo’s toch op dieselmotoren gebouwd. Een turbo is heel makkelijk op een dieselmotor te monteren, immers er gaat alleen lucht in. Dus de ‘samengeperste’ lucht van een turbo is goed voor de vullingsgraad van de motor. Door het hoge koppel bij een laag toerental en de vermogenswinst van ongeveer 30% past de turbo goed op truckmotoren waardoor de truck nog een extra trekkrachtboost krijgt met optrekken. Brandstofverbruik en uitlaat emissievermindering zijn nog niet aan de orde, maar komen pas in de jaren ’80.

Met het eerste succes bij de dieselmotor monteert Saab ook de eerste turbo in een personenauto en wel het type 99. Met de extra trekkracht van de turbo is dit een revolutionaire auto. Alleen is er in het begin van de turbo nog het grote turbogat. Dit ontstaat doordat de turbo met een relatief laag toerental draait (ongeveer 50.000 t.p/m). Om te vertellen hoe het turbogat ontstaat eerst een stukje techniek.

Hoe werkt het?

De turbo bestaat uit twee gedeeltes, verbonden door een as met een heel precies lagerwerk. We bespreken eerst de uitlaatzijde van de turbo.

Aan deze kant is er niets meer dan een schoepenwiel waarlangs uitlaatgassen met een hoge snelheid stromen. Door de hoge uitstroomsnelheid gaat het schoepenwiel draaien, hoe meer uitlaatgassen er langs gaan des te sneller draait het schoepenwiel. Meer is er eigenlijk niet aan de uitlaat- ofwel de turbinekant.

Erg belangrijk is het middenlager in dit geheel. Lagerwerk mag geen weerstand geven, anders komt de turbo niet op toeren. Olielekkage langs het lager wil je ook niet hebben, anders rookt de motor als de turbo draait. Motorolie moet van een goede kwaliteit zijn om het lagerwerk optimaal te smeren.

De inlaatzijde, ofwel de compressorzijde genoemd, is de andere buitenzijde van de turbo. Hier wordt de lucht aangezogen door het compressorwiel dat aan de andere zijde van de as is gemonteerd en door de draaiende beweging gecomprimeerd het inlaatkanaal ingedrukt. Het inlaatspruitstuk staat nu onder een hogere druk dan normaal en er gaat meer lucht de motor in. Zit hier een maximum aan? Ja, door een klep in het uitlaatkanaal vlakbij de turbo te monteren en deze gaat open bij een vooraf afgestelde overdruk. Daardoor is de maximale turbodruk te regelen. Deze klep noemen we de wastegate.

In afb. 1 is de inlaatzijde blauw gekleurd. De lucht wordt aangezogen en het inlaatspruitstuk ingeperst. Ook staat er inlaatdruk op het membraam van de wastegate. Aan uitlaatzijde (oranje) zie je de uitlaatgassen door de turbo stromen en net daar boven de omleiding via de wastegate direct naar de uitlaat toe.

Afb. 1 – Werking van de turbo: inlaatzijde blauw, uitlaatzijde oranje, met de wastegate

Turbogat

Simpel gesteld is dit alles. Maar hoe zit het met dat turbogat? De turbo moet eerst een bepaald toerental draaien om genoeg lucht in het inlaatkanaal van de motor te kunnen blazen en dit komt weer doordat de uitlaatgassen aan de turbinezijde eerst de turbo een bepaald toerental moeten laten draaien. Eigenlijk moeten er dus eerst genoeg uitlaatgassen door de uitlaat naar buiten stromen langs het turbinewiel om deze in beweging te brengen en zo aan de compressorzijde van de turbo genoeg lucht door de schoepen laten persen het inlaatkanaal in.

In de jaren ’70/’80, toen de materialen - lees het lagerwerk - nog niet zo goed waren als nu, was er nog veel wrijving in de turbo ondanks zijn 50.000 toeren/minuut. De turbo kwam pas lekker op gang als de motor ongeveer 3.500 t.p/m draaide, waarbij de turbo dan genoeg druk leverde om voelbaar mee te werken en dat deed hij dus ook. De auto gaf een harde versnelling voorwaarts. Onder de 3.500 toeren trok de auto bijna niet, als je te vroeg opschakelde dan kwam je onder het kritische punt in de toeren terecht, zodat de turbo nog niet goed werkte waardoor de acceleratie niet goed was en je moest ‘wachten’ tot de turbo weer werkte.

Ook een enorm nadeel van de turbomotor was het lagerwerk van de turbo tezamen met de smeerolie in de motor. Het gebeurde regelmatig dat na een snelle rit de turbo nog ‘rood’ stond van de warme uitlaatgassen. Dat wil zeggen dat de temperatuur van de uitlaatgassen bij een benzinemotor ongeveer 1.000 graden is, dus de turbo wordt erg warm, zelfs zo heet dat het materiaal opgloeit en rood wordt. Als in deze situatie de motor uitgeschakeld werd, verbrandde de smeerolie bij het schoepenwiellager zodat deze vaststond.

Ten tijde van de Saab Turbo toen het materiaal van het lagerwerk en het schoepenwiel nog niet zo goed was als nu, was het verstandig om de motor nog even stationair te laten lopen voor deze uit te zetten. Vandaar ook de eerder genoemde goede kwaliteit smeerolie.

Saab 99 Turbo

We dwalen af en gaan terug naar het turbogat en de oplossingen. Door betere materialen, o.a. minder wrijving in het lager, gaat het toerental omhoog van 50.000 naar 200.000. Er is bij een laag motortoerental vanaf ongeveer 1.500 t.p/m al een hogere druk in het inlaatspruitstuk mogelijk.

Ook is de turbo verder ontwikkeld. Met de vaste schoepen en een laag toerental zal de turbo weinig druk leveren, terwijl hij bij hoge toerentallen te veel druk levert.

Je zou willen dat de druk altijd gelijk was bij elk toerental. Daarom zijn er verstelbare schoepen uitgevonden aan de buitenzijde van het uitlaatturbinewiel. Door deze met de punten naar het turbinewiel te richten stuur je de uitlaatgasstroom als een venturi naar het turbinewiel. Zie fig. 2, hier zie je enkel de schoepen gemonteerd op een plaat maar gericht naar het midden richting turbinewiel.

Fig. 2 – Verstelbare schoepen op een plaat, gericht naar het turbinewiel

Bij fig. 3 zie je de schoepen open staan aan de buitenzijde bij de turbine in deze stand gaat er minder lucht langs het turbinewiel. Het gevolg is dus dat er een snellere luchtstroom ontstaat vlakbij en om het turbinewiel, waardoor deze extra snel gaat draaien met het gevolg dat aan de inlaatzijde er meer luchtdruk ontstaat in het inlaattraject.

Fig. 3 – Schoepen open rond het turbinewiel

Zo is er bij een laag toerental al een ‘hoge’ turbodruk, waardoor de motor snel oppakt en het koppel van de motor ook lager komt. Bij hoge toeren staan de schoepen zo ver mogelijk van het turbinewiel af om de druk af te regelen op de maximale turbodruk. Zo heeft men ook geen wastegate meer nodig om de maximale turbodruk te regelen. Ook is er minder slijtage in de turbo omdat deze bij een maximum motortoerental minder druk levert ten opzichte van een turbo met wastegate.

De verstelling van de schoepen gebeurt met een stangenstelsel, een vacuümdoos. Ongeveer hetzelfde systeem als een vacuümvervroeging van een conventionele ontsteking. Doordat de schoepen werken met een vacuümverbinding is dit veilig, gebeurt dit niet dan blijven de schoepen staan zoals bij max. toeren. Dus als er iets in defect gaat merk je dit door de motorprestaties bij lage toerentallen, waardoor de motor gespaard blijft. Ook een voordeel van dit systeem is dat het maximum koppel bij een lager toerental bereikt kan worden. De sturing van het motorvacuüm wordt geregeld door een klep die op zijn beurt weer aangestuurd wordt door het stuurapparaat van het motormanagementsysteem. De turbo is zo ‘elektronisch’ te regelen wat ruimte overlaat voor de opvoerspecialisten. Door de turbo bij elk toerental of motorbelasting zijn maximale werk/druk te geven, is er een mogelijkheid om de ‘laatste’ 20-30 pk uit de motor te halen. Lucht die langs de turbo stroomt wordt warm, door het samenpersen heeft dit nog een temperatuurstijging tot gevolg.

Fig. 4 – Intercooler

Het plaatsen van een koeling tussen de turbolader en het inlaatspruitstuk zorgt voor een daling van de temperatuur, met als gevolg dat de aangezogen lucht verder krimpt. Hierdoor kan er een grotere massa lucht in de verbrandingskamers geperst worden en dus is er meer brandstof/zuurstof beschikbaar voor de verbranding. Het koelen zorgt ook voor een lagere aanvangscompressietemperatuur en daarmee voor een lagere eindverbrandingstemperatuur. Het koelelement noemen we intercooler (fig. 4). Dit is een soort radiateur en is vaak aan de voorzijde voor de radiateur gemonteerd of op een plaats waar veel lucht/rijwind stroomt.

Met dank aan Ries van de Pouw Kraan