Turbotalk: wat doet een turbo precies?

Bij turbo’s denken we terecht al snel aan het verhogen van prestaties. Evengoed is de turbo een prima attribuut om het rendement van een motor mee te verhogen. Of het nu gaat om benzine, diesel, lpg of waterstof, stuk voor stuk reageren ze in een vaste verhouding met zuurstof. Dat is gewoon middelbare-school-scheikunde, niets meer, niets minder. Ga je omwille van hogere prestaties meer brandstof verbranden, dan heb je dus ook even­redig meer lucht nodig waarin die zuurstof zit. Vandaar dat de gasklep open moet om meer lucht door te laten. Bij de turboloze, atmosferische motor wordt die hoeveelheid lucht – of het al in het inlaatkanaal geprepareerde mengsel – begrensd door wat de naar beneden bewegende zuiger via de geopende inlaatkleppen de cilinder in kan zuigen. Meer dan het slagvolume kan de zuiger niet binnenhalen, en door allerhande obstakels, waaronder de inlaatkleppen, en stromingsverliezen is het zelfs niet eens mogelijk om überhaupt maar in de buurt te komen van het slagvolume.

Compressor

Wie een betere vulling van de cilinder wenst, zal het slagvolume moeten vergroten (there’s no substitute for cubic inches was vele jaren het adagium in Amerika), of ervoor zorgen dat er lucht naar binnen wordt geperst (drukvulling), zodat er meer zuurstof aanwezig is om met eveneens meer brandstof te kunnen reageren. Voor wat betreft die cubic inches: een grotere motor brengt grotere verliezen met zich mee. Denk aan een grotere bewegende massa in de vorm van zuigers, drijfstangen, krukas, nokkenassen, kleppen, enzovoorts. Daarnaast wordt er vanwege het grotere oppervlak van de verbrandingsruimte (zuigerbodem, cilinderwanden en -kop) ook meer warmte aan de omgeving afgegeven: allemaal verliezen. Op deze manier de prestaties verhogen is daarom niet de efficiëntste oplossing, zeker niet wanneer er het grootste deel van de tijd maar een beperkte prestatie hoeft te worden geleverd. Bij een kleine motor zijn de verliezen geringer en kun je de benodigde extra lucht naar binnen persen met een compressor. Al in de begindagen van de auto zagen we mechanische compressoren die door de krukas werden aangedreven, ook wel bekend als superchargers. Deze Roots-­blowers en G-laders zorgden allemaal voor extra lucht. Doordat ze door de krukas worden aangedreven, vragen ze echter ook energie. Efficiënter is het om gebruik te maken van de restenergie die doorgaans via de uitlaatkleppen wordt afgevoerd en bij een atmos­ferische motor vrijelijk de wereld in stroomt.

De hete uitlaatgassen (rood) brengen de turbine in beweging en stromen vervolgens richting de uitgang (rechts). De compressor, die met een asje is verbonden met de turbine, zuigt verse lucht aan (blauw) en perst die richting de motor.

By-pass

Bij drukvulling met een turbocompressor geeft de afvalstroom zijn restenergie af aan een uitlaatgasturbine. Dat is een schoepenwiel in het uitlaatkanaal, dat toerentallen tot meer dan 300.000 per minuut kan bereiken. Via een asje is die turbine (waarvan het woord turbo is afgeleid) verbonden met een schoepenwiel in het inlaatkanaal: de compressor. Die zuigt verse lucht aan en perst deze vervolgens met overdruk richting de motor. De turbo kan pas vol aan de bak wanneer er genoeg uitlaatgassen langs de turbine stromen. Dat is nog niet meteen het geval wanneer je ineens het gaspedaal intrapt; de druk wordt enigszins vertraagd opgebouwd. Hoe groter de turbo, hoe langer het duurt eer hij op gang komt. Een compacte turbo spreekt daarentegen sneller aan, maar heeft ook een beperktere capaciteit om lucht richting de motor te blazen. Daarnaast vormt zo’n compacte turbo, als hij aan zijn maximum capaciteit zit, een weerstand in het uitlaatkanaal. Dat laatste is letterlijk te omzeilen door een by-pass aan te leggen, die via een klep toegankelijk is. We kennen dit als de waste-gate. Een andere optie is om met verstelbare lamellen de geometrie van het slakkenhuisvormige turbinehuis aan te passen. Bij weinig uitlaatgassen (en daardoor weinig druk) kun je de lamellen zo verdraaien dat de ruimte ertussen kleiner wordt. Daardoor neemt de snelheid van het gas richting de schoepen toe en komt het schoepenwiel sneller op gang. Wordt de druk te groot, dan worden de lamellen zo verdraaid dat er meer ruimte ontstaat en de snelheid van het voorbij stromende gas afneemt.

Lagere dichtheid

We komen ook motoren tegen die – om vertragingen tegen te gaan – meerdere kleinere turbo’s hebben, zowel parallel als in serie geschakeld. Ongeacht de opstelling geldt dat een turbo die zijn best doet letterlijk gloeiend heet wordt. Hierdoor neemt ook de temperatuur van de inlaatlucht toe. En omdat hete lucht een lagere dichtheid heeft, bevat die ook minder zuurstof per volume-eenheid. Dat is jammer, maar niet onoverkomelijk. Door de lucht door een warmtewisselaar (een radiateur) te laten stromen, koelt deze af. De lucht krimpt, zodat het zuurstofgehalte per volume-eenheid weer stijgt. We spreken dan over inlaatluchtkoeling, ook wel bekend als intercooling. Dankzij het afkoelen van de samengeperste lucht krijgt de motor meer zuurstof en kan hij meer mengsel verbranden. Enerzijds is een turbo – al dan niet met intercooler – in staat om een kleinere motor te laten presteren als een grotere. Anderzijds zorgt drukvulling ervoor dat je de prestaties van een grote motor uit een efficiëntere kleinere motor kunt halen. Betere prestaties en meer efficiëntie gaan op deze manier dus prima hand in hand.