Hoe werkt een turbo en een compressor: soorten luchtinductie

De luchtinductie-systemen maken het mogelijk het rendement van een motor aanzienlijk te verhogen. In wezen is het doel van het boosten van een motor meer lucht in de cilinders te brengen dan de motor zelf bij atmosferische druk kan aanzuigen.

Waarom willen we meer lucht in de verbrandingskamer? Omdat, eenvoudig gezegd, het vermogen van een motor afhangt van de hoeveelheid zuurstof (en dus van de lucht) die we met de brandstof kunnen laten reageren om een krachtige explosie te veroorzaken – of verbranding, naargelang we het over benzine of diesel hebben – die de zuiger aandrijft.

Hiervoor moet de inlaatlucht worden samengeperst met behulp van een boostmechanisme, dat van twee typen kan zijn: turbo (ook turbocompressor genoemd) of compressor.

Laten we het werkingsprincipe van een turbo en een compressor bekijken. Zo begrijp je beter de voor- en nadelen in elk geval.

Eerst is het goed te weten dat noch de compressor noch de turbo recente technologieën zijn.

Luchtinductie wordt in de autosport al sinds het eerste decennium van de 20e eeuw gebruikt. Bij compressoren werd een mechanisme aangepast dat al in andere industriële toepassingen werd gebruikt. Wat de turbocompressor betreft, deze had zijn eerste ontwikkeling in vliegtuigmotoren, om de lagere luchtdichtheid bij toenemende hoogte te compenseren.

Zo werkt een turbo

Een turbo bestaat in essentie uit twee turbines die stevig met elkaar verbonden zijn door een as en binnen een behuizing draaien. Het werkingsprincipe is het benutten van de kinetische energie van de uitlaatgassen van de motor.

De uitlaatgassen worden door de eerste turbine geleid, waardoor deze gaat draaien. Omdat de tweede turbine er stevig mee verbonden is, draait die ook mee. In dit geval wordt de beweging van de tweede turbine gebruikt om druk op te bouwen door de lucht in het inlaatspruitstuk te drukken.

Enkele belangrijke zaken over motoren met turbocompressor. Logischerwijs heeft een grotere turbo een grotere capaciteit om druk op te bouwen. Maar het kost ook meer om de uitlaatgassen de turbine te laten versnellen, wat kan leiden tot vertraging in de reactie tussen het indrukken van het gaspedaal en het beschikbaar komen van het vermogen. Dit staat bekend als turbo lag.

Nog meer. Turbines kunnen op zeer hoge snelheden draaien, meer dan 150.000 tpm. Daarom is de juiste smering van de turbo (met name van de as) zo belangrijk om storingen te voorkomen. Hiervoor is het belangrijk goed te begrijpen welk belang de motorolie heeft.

De mogelijke overmatige druk die door de turbo wordt opgewekt, wordt geregeld door een wastegate-klep. De afstelling van deze klep, die lucht laat “ontsnappen”, bepaalt de regeling van de tarering of de blaasdruk van de turbo.

Om de prestaties te verbeteren zijn turbomotoren bovendien vaak voorzien van een radiator die intercooler heet. Deze radiator koelt de inlaatlucht af nadat deze door de turbo is gegaan. Die lucht is warmer geworden door de compressie en heeft daardoor zuurstofdichtheid verloren.

Tot slot over de turbocompressor: het is een systeem om het rendement te verhogen dat vooral goed werkt bij dieselmotoren, die werken door compressie van het mengsel en niet door ontbranding via een bougie.

Benzinemotoren hebben een mengsel nodig met een bepaalde verhouding zuurstof en brandstof (voor de nieuwsgierigen: dit heet het stoechiometrisch mengsel) om efficiënt te verbranden, terwijl een diesel in staat is alle zuurstof te verbranden die je in de verbrandingskamer kunt brengen.

Het is zelfs al lang geleden dat er atmosferische dieselmotoren op de markt zijn. Bij benzinemotoren kreeg de turbo aan belang met de komst van elektronische inspuiting, die het mogelijk maakte het mengsel nauwkeuriger te regelen dan turbomotoren met carburateur. Maar dat zou een ander verhaal zijn. Momenteel zijn er merken met uitstekende benzinemotoren zonder turbo. Een voorbeeld is de 2.0 Skyactive van Mazda die we op de CX-30 hebben getest.

Soorten turbo’s

Er bestaan verschillende soorten turbocompressoren, afhankelijk van de toepassing waarvoor ze bedoeld zijn. Naar hun “geometrie” worden ze onderverdeeld in vaste of variabele turbo’s.

• Turbocompressor met vaste geometrie. Bij dit type turbocompressor stroomt de lucht die op de door de uitlaatgassen aangedreven turbine valt altijd op dezelfde manier. De productie is eenvoudiger omdat er minder bewegende delen zijn. Het probleem is dat bij lage toerentallen de uitlaatgasstroom niet genoeg energie heeft om de turbine snel te versnellen, waardoor de eerder genoemde turbo lag of vertraagde reactie van de turbo optreedt.
• Turbocompressor met variabele geometrie. Ze worden ook wel VGT genoemd (Variable Geometry Turbocharger). Ze hebben lamellen in het turbinegedeelte die pneumatisch of elektrisch worden aangestuurd. Hiermee kan de manier waarop de uitlaatgassen op de turbine vallen worden gevarieerd, vooral om de beweging ervan te versnellen wanneer de gasstroom zwak is. Ze elimineren grotendeels de vertraagde reactie van de turbo.
• Turbo Twin-Scroll: Deze worden ook dubbele-ingangsturbo’s genoemd. Ze spelen met de stroming van de gassen van de cilinders en scheiden die zodat er geen tegendruk in het inlaatspruitstuk ontstaat

In deze video zie je hoe een turbocompressor werkt, in het bijzonder een met variabele geometrie.

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

Zo werkt een compressor

Nu gaan we naar de compressor. Het doel is nog steeds hetzelfde als bij de turbo: perslucht in de verbrandingskamer brengen. Maar hier wordt niet de energie van de uitlaatgassen gebruikt; het compressormechanisme wordt door de motor zelf aangedreven, meestal via een riem die op de krukas is aangesloten.

De toepassing gaat ook terug tot het begin van de 20e eeuw, toen ze in competitiemodellen werden gebruikt om hoge vermogens te bereiken. Doordat ze niet afhankelijk zijn van de uitlaatgassen, bieden ze geen vertraagde reactie. Maar bij hoge toerentallen leiden ze tot een groot vermogensverlies van de motor, wat het rendement verlaagt.

Soorten compressoren

Er bestaan verschillende soorten compressoren, afhankelijk van hun bouwwijze.

• Roots-compressor. Deze wordt ook “lobbenmechanisme” genoemd, naar de rotoren in de vorm van een acht die in tegengestelde richting binnen een behuizing draaien en zo de lucht verplaatsen.
• Eaton-compressor. Deze worden ook “schroefcompressoren” genoemd. Ze bestaan uit twee schroefvormige elementen die in elkaar grijpen en draaien, zodat de lucht die tussen de twee draaiende delen binnenkomt in een steeds kleiner wordend volume terechtkomt, waardoor de druk toeneemt.

Een ander type compressor, die Volkswagen in de jaren 90 zonder succes gebruikte, is de G-compressor, bekend als de Scroll-compressor. Ze bestaan uit een vaste spiraal en een interne, bewegende spiraal die de lucht samenperste terwijl ze bewogen. Ze werden niet meer toegepast vanwege de complexe productie en lage betrouwbaarheid.

Video Roots-compressor

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

Video Eaton-compressor

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

Wat is beter, een turbo of een compressor?

Als je tot hier hebt gelezen, kun je zelf een mening vormen over wat beter is, een turbo of een compressor. Want er is geen eenduidig antwoord op deze vraag. Het hangt af van het type motor en van wat je wilt bereiken. Sterker nog, zoals je zult zien, zetten sommige merken beide systemen samen in.

Samengevat: de compressor zorgt bij een zeer laag toerental voor een vrijwel directe reactie op het gaspedaal. Maar ze zijn omvangrijk en hun aandrijving kost de motor vermogen.

De turbocompressor “steelt” geen energie van de motor; hij gebruikt die van de uitlaatgassen, die anders verloren zou gaan. Maar hij heeft het probleem van vertraagde reactie wanneer er niet genoeg uitlaatgassen zijn om de turbine te laten draaien, en dat is des te erger naarmate de turbo groter is. Dit noopt tot oplossingen zoals het gebruik van meer dan één turbocompressor (een kleine voor lage toerentallen, een grote voor hoog vermogen bij hoge toerentallen); Mercedes-Benz of BMW hebben in sommige motoren zelfs tot drie turbo’s gebruikt.

Er zijn ook merken die voor dubbele luchtinductie hebben gekozen om de voordelen van beide systemen te combineren. En niet alleen in sportmodellen. Zo gebruikten veel modellen van de Volkswagen-groep een compressor en een turbo in de populaire 1.4 viercilinder die onder meer in de Volkswagen Golf zat.

Het nieuwe tijdperk van elektrificatie heeft de deur geopend naar turbocompressoren met elektrische ondersteuning, zoals de EPC van Audi, met een elektrische compressor die de turbine versnelt om de turbo lag bij lage toerentallen te verminderen. Een andere oplossing, ook gezien in de nieuwste sportmodellen van Audi met TDI-motor, is de combinatie van een elektrische compressor met een turbo.

Een van de grootste specialisten op het gebied van luchtinductie, BorgWarner, heeft al zijn eBooster-technologie ontwikkeld, die juist een elektrische compressor gebruikt om de door de uitlaatgassen aangedreven turbo te ondersteunen. Je kunt in deze video zien hoe het werkt.

https://youtu.be/iEGisoOnewg