Automotoren · Grondbeginselen8 min leestijd

Drukvulling: vermogen stelen uit de uitlaat

Als het vermogen van een motor wordt bepaald door hoeveel lucht hij kan vangen, ligt er een voor de hand liggende truc klaar: pers de lucht erin. Een turbo doet dat met energie die toch al via de uitlaat wegstroomde — daarom kan een kleine turbomotor qua vermogen een grote motor evenaren, en hem op verbruik verslaan.

Een motor is een luchtpomp

Een atmosferische motor kan alleen inademen wat de atmosfeer naar binnen duwt — zo'n 1 bar, min wat verlies. Zijn vermogensplafond ligt dus vast op cilinderinhoud maal toerental: het volume lucht dat hij per seconde verwerkt. Al een eeuw lang waren er maar twee routes naar meer vermogen — 'groter' of 'sneller' — en beide kostten gewicht, wrijving en brandstof. Drukvulling is de derde route: comprimeer de lucht al vóór de cilinder, zodat elke inlaatslag meer zuurstofmoleculen in dezelfde twee liter naar binnen zuigt. Stop er 50% meer lucht in (met evenredig meer brandstof) en je krijgt uit dezelfde motor ruwweg 50% meer koppel.

De turbo-kringloop

Het mooie zit in waar de turbo die energie voor het comprimeren vandaan haalt. Uitlaatgas verlaat de cilinder nog heet en onder druk — het artikel over rendement liet zien dat zo'n derde van de energie in de brandstof gewoon die pijp uit verdwijnt. Een turbolader zet een kleine turbine in die stroom, zodat de wegstromende energie een as aandrijft; die as drijft op zijn beurt een compressor aan die verse lucht het inlaatsysteem in perst. Afval eruit, laaddruk terug. Het is een warmteterugwinningsmachine vermomd als vermogensonderdeel — en daarom hebben kleinere turbomotoren de auto-industrie overgenomen: hetzelfde piekvermogen als de oude, grote motor, maar de rest van de tijd minder wrijving en pompverlies.

De turbo-kringloop. Turbine en compressor delen één as die tot wel ~200.000 tpm draait; de intercooler haalt de compressiewarmte eruit voordat de lucht de motor in gaat.

Turbo versus supercharger

Een supercharger is het botte alternatief: drijf de compressor rechtstreeks aan vanaf de krukas, met een riem. Laaddruk is er zodra de motor draait — geen wachten tot de uitlaatstroom op gang komt — maar het aandrijven van de compressor wordt nu gestolen van diezelfde krukas die hij juist moet helpen, en dat kost bij volle laaddruk tientallen kilowatt. De turbo betaalt zichzelf terug uit afvalwarmte, maar heeft eerst een stevige uitlaatstroom nodig voordat hij kan leveren — dat is turbogat: de pauze tussen het moment dat je gas geeft en het moment dat de turbine op toeren komt. Sportwagens gebruikten superchargers voor directe respons, en dragracers doen dat nog steeds; motorontwikkeling gericht op zuinigheid ging bijna volledig richting turbo, en moderne trucs (twin-scroll behuizingen, kleinere gekoppelde turbo's, elektrische compressor-ondersteuning) bestaan uitsluitend om dat gat te dichten.

Wat laaddruk kost

Lucht comprimeren verwarmt hem — en dat is dubbel slecht nieuws, want hete lucht is minder dicht (wat een deel van de laaddruk weer tenietdoet) en een heet mengsel ontbrandt eerder spontaan. De intercooler bestaat om dat verlies terug te winnen. De diepere prijs is motorkloppen: laaddruk verhoogt de druk en temperatuur waartoe het mengsel wordt samengeperst — en dat is precies wat detonatie uitlokt. Turbomotoren draaien daarom op een lagere compressieverhouding en met voorzichtigere ontstekingstiming, en leveren zo wat rendement in om hun eigen luchtstroom te overleven. Schuif in de ontstekingsdemo de compressie omhoog en kijk hoe de klopzone het timingschema opslokt — die spanning is het dagelijkse werk van elke kalibratie-ingenieur van een turbomotor.

De rekensom van de compressorvoor ingenieurs

Lucht comprimeren van druk $p_1$ naar $p_2$ verhoogt de temperatuur in het ideale geval volgens:

T_2 = T_1 \left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}, \qquad \gamma \approx 1.4

Bij 1 bar laaddruk (drukverhouding 2) verlaat inlaatlucht van 20 °C een ideale compressor op zo'n 84 °C — echte compressoren, met een rendement van 70 à 75%, duwen dat voorbij 110 °C. Dichtheid schaalt als $\rho \propto p/T$ , dus zonder intercooler gaat door die warmte ruwweg een kwart van de theoretische winst in luchtstroom verloren; een goede intercooler wint het grootste deel daarvan terug. Koppel volgt de opgesloten luchtmassa vrijwel lineair, en daarom spreken kalibratie-ingenieurs over laaddrukdoelen in 'gram per cilindervulling' — en daarom is meestal niet de compressor, maar de klopgrens het echte plafond voor de laaddruk van een benzinemotor.