Zo werkt een turbocompressor met variabele geometrie: voordelen, storingen en onderhoud

Binnen de verschillende systemen van turbolading van een motor bestaan er turbocompressors met vaste geometrie en met variabele geometrie, bekend als VGT. In beide gevallen is het doel hetzelfde: gebruikmaken van de traagheid van de uitlaatgassen om meer lucht in de cilinders te brengen dan de motor zelf kan aanzuigen, waardoor het rendement toeneemt.

Maar een van de belangrijkste nadelen van motoren met conventionele turbo’s is dat wanneer de motor op lage toerentallen draait, de uitlaatgassen niet voldoende kracht hebben om de turbine die de inlaatlucht comprimeert te laten versnellen. Omgekeerd, wanneer de motor op hoge toerentallen draait, is de stroom uitlaatgassen zo groot en drijft de turbine met zoveel energie aan dat het nodig wordt om een overdrukklep te activeren, waardoor een deel van de energie van de uitlaatgassen verloren gaat.

Dit probleem lossen turbocompressors met variabele geometrie op. Zoals we zullen zien, kunnen zij de inlaatlucht zowel bij lage als bij hoge toerentallen efficiënter comprimeren.

De eerste ontwikkelingen van turbocompressors met variabele geometrie dateren van halverwege de jaren vijftig, maar de eerste serieproductieauto die ze inbouwde was de Fiat Croma turbodiesel begin jaren negentig, met zijn 1.9-motor, die ook een van de eerste dieselmotoren met directe injectie was. Tegenwoordig zijn er ook oplossingen ontwikkeld die gebruikmaken van kleine elektromotoren om de turbine te laten versnellen. Andere soorten turbocompressors die worden gebruikt om de reactie van turbogeladen motoren bij lage toerentallen te verbeteren, zijn de Twin-Scroll-turbo’s.

Hoe werkt een turbo met variabele geometrie?

Het verschil tussen een turbo met vaste geometrie en een VGT-turbo is dat de laatste een mechanisme heeft waarmee de snelheid van de uitlaatgassen die op de turbine inwerken kan worden gevarieerd, zodat deze sneller versnelt. Er verandert niet de hoeveelheid lucht, maar de inlaatdoorsnede ervan.

Hiervoor beschikken ze over een systeem van verstelbare lamellen of schoepen die sluiten wanneer de motor op lage toerentallen draait, waardoor de uitlaatgassen versnellen en hun druk op de turbine toeneemt. Wanneer de motor op hoge toerentallen werkt, openen de schoepen zich, waardoor de inlaatdoorsnede voor de uitlaatgassen groter wordt en de snelheid afneemt. Hierdoor wordt de maximale boostdruk bereikt bij hogere motortoerentallen.

De verstelling van de schoepen kan mechanisch plaatsvinden met een druk- of vacuümactuator, maar bij modernere motoren is het gebruikelijk een kleine elektromotor te gebruiken die wordt aangestuurd door de elektronische regeleenheid (ECU) van de motor.

Je kunt in deze video meer in detail zien hoe een turbocompressor met variabele geometrie werkt:

https://www.youtube.com/watch?v=AuQor-YnbZ8

Welke voordelen biedt een turbo met variabele geometrie?

Met kennis van het werkingsprincipe van een turbocompressor met variabele geometrie zijn de voordelen duidelijk:

• Ze verminderen of elimineren de “turbo-lag” of reactievertraging die kenmerkend is voor turbogeladen motoren bij het optrekken vanuit lage toerentallen.
• Ze optimaliseren de werking van het turbosysteem bij alle motortoerentallen, waardoor een vlakkere koppelcurve mogelijk is.
• Doordat de boostdruk wordt geregeld door de verstelbare schoepen, is er geen overdrukklep of “waste gate” nodig.
• Het is een eenvoudiger oplossing dan een secventiële dubbele turbo. Toch zijn er hoogwaardige motoren met meer dan één turbocompressor waarvan ten minste één een turbo met variabele geometrie is.
• Doordat de koppelafgifte wordt geoptimaliseerd, verbeteren de prestaties en daarmee ook het verbruik en de emissies

Welke nadelen heeft een variabele turbo?

Omdat het een complexer mechanisme is met meer bewegende delen, zijn turbocompressors met variabele geometrie duurder dan conventionele. Om dezelfde reden zijn ze ook gevoeliger voor storingen.

Een ander nadeel is de complexiteit van het gebruik in benzinemotoren, waarbij de hogere temperaturen van de uitlaatgassen geavanceerdere en duurdere oplossingen vereisen.

Porsche was een van de eerste merken die een turbocompressor met variabele geometrie in een benzinemotor gebruikte, hoewel ze tegenwoordig ook in kleine motoren te vinden zijn als oplossing om het rendement te verbeteren, meer dan om hoge prestaties te bereiken. Een recent voorbeeld is de 1.5 hybride motor van de nieuwe Alfa Romeo Tonale.

Onderhoud, verzorging en storingen van turbo’s met variabele geometrie

Doordat er meer bewegende onderdelen zijn, die bovendien worden blootgesteld aan hoge temperaturen en de doorstroming van uitlaatgassen, hebben turbocompressors met variabele geometrie meer problemen dan turbo’s met vaste geometrie.

De meest voorkomende storing is dat het systeem van verstelbare lamellen vastloopt. Het probleem is dan dat de variabele turbo niet als een turbo met vaste geometrie gaat werken, omdat de geblokkeerde schoepen ertoe leiden dat de motor alleen binnen een bepaald toerengebied correct functioneert. De symptomen zijn een duidelijk verlies van vermogen, met als gevolg een hoger verbruik. In deze gevallen is het ook gebruikelijk schokkerige vermogensafgifte of dode zones waarin de motor lijkt niet door te trekken waar te nemen.

Net als bij massadebietmeters, EGR en roetfilters is een van de belangrijkste oorzaken van vastlopen bij een turbo met variabele geometrie het vooral in de stad rijden, of de motor altijd op zeer lage toerentallen laten draaien, want dan produceert de verbranding de meeste roet.

De beste manier om storingen bij een turbocompressor met variabele geometrie te voorkomen is daarom het rijden niet beperken tot stadsritten, af en toe de snelweg op gaan en de motor ook op middelhoge of hoge toerentallen laten werken. Uiteraard is het ook noodzakelijk een geschikte motorolie te gebruiken en de onderhoudsintervallen aan te houden.