Wie verwandeln wir Explosionen in Schub?

Der Name des Verbrennungsmotors ist die Umwandlung von Wärmeenergie in Bewegung. In einem Motor entzünden wir einen Kraftstoff wie Benzin, und die heißen, expandierenden Kraftstoff- / Luftgase drücken auf die Kolben. Die auf- und Abwärts gerichteten Kolben sind mit der rotierenden Kurbelwelle im Boden des Motors verbunden und verwandeln diese vertikale Bewegung in eine Hin- und Herbewegung. Schließen Sie alles an ein Getriebe an, das mit den Rädern verbunden ist, und los geht’s!

Wie machen wir größere Explosionen für mehr Schub?

Wenn Sie jemals ein Lagerfeuer angezündet haben, um S’mores zu machen, erinnern Sie sich wahrscheinlich an die drei Teile des „Feuerdreiecks“: Luft, Kraftstoff und Zündquelle. Es ist das gleiche an Ihrem Lagerfeuer wie in Ihrem Motor, mit Luft, die in den Einlass strömt, kombiniert mit Kraftstoff aus Ihren Einspritzdüsen und Zündung aus Ihren Zündkerzen.

Wenn wir die Leistung erhöhen wollen, müssen wir sicherstellen, dass wir genug von allen drei Komponenten unseres Feuerdreiecks haben. In einem Motor bedeutet das, wenn wir mehr Kraftstoff einspritzen, müssen wir auch sicherstellen, dass wir mehr Luft (und damit mehr Sauerstoff) bekommen, um den gesamten Kraftstoff zu verbrennen, da der zusätzliche Kraftstoff nicht verbrennt, es sei denn, er hat mehr Sauerstoff, mit dem er kombiniert und verbrannt werden kann.

Die Chemie hat ein Wort für die ideale Menge an Reaktanten in einer Gleichung, die ohne Reste ausgeglichen werden kann: Stöchiometrie. In einem Benzinmotor beträgt das stöchiometrische Verhältnis von sauerstoffhaltiger Luft zu Kraftstoff 14,7 Massenteile Luft zu 1 Teil Benzin.

Enter forced induction

„Es gibt keinen Ersatz für Verdrängung“ ist ein Satz aus den Big Block V8 Tagen, wo mehr Leistung physisch größere Motoren bedeutete, die mehr Luft und Kraftstoff schluckten. Größere Zylinder konnten nicht nur mehr Kraftstoff, sondern auch mehr Luft ansaugen, um vollständig mit dem Kraftstoff zu verbrennen, und dies gab Ihnen mehr Leistung.

Leider bedeutet mehr Größe auch mehr Gewicht, so dass einige Ingenieure stattdessen auf die Idee kamen, mehr Luft in den Motor zu pumpen, indem sie ihn einpumpten: anstatt den Motor physisch größer zu machen, um mehr Luft anzusaugen, drücken Sie mehr Luft in den Motor derselben Größe. Die Druckluft, die in den Motor gepumpt wird, wird als Boost bezeichnet, wobei der Druckanstieg im Vergleich zum Umgebungsluftdruck in PSI oder bar / Kilopascal gemessen wird.

Diese ersten Zwangsinduktionsluftpumpen wurden Kompressoren genannt, und ihre Schaufelverdichterräder wurden vom Motor selbst über Riemen oder Zahnräder angetrieben, die von der Kurbelwelle des Motors angetrieben wurden. Stöchiometrie bedeutet, dass jedes bisschen zusätzlicher Kraftstoff 14 benötigt.7X so viel Luft, daher ist es keine Überraschung, dass Kompressoren viel Energie verbrauchen (manchmal bis zu 20% der gesamten Motorleistung!), um die ganze Luft herum zu pumpen.

Mehr Pep mit weniger Abfall – der Turbolader

Größe und Gewicht sind schlechte Dinge in Autos und schlimmere Dinge in Flugzeugen, weshalb viele frühe Zwangsinduktionsentwicklungen stattfanden. Ein schwerer Motor sorgt nicht nur für ein schweres Flugzeug, sondern ein physikalisch großer Motor sorgt auch für einen sperrigen, nicht aerodynamischen Rumpf. In Flugzeugen gab es einen zusätzlichen Anreiz, die einströmende Luft unter Druck zu setzen, um zu kompensieren, dass die Luft in großen Höhen dünner wird und die Motorleistung in großer Höhe nicht abfällt.

Da Leistung und Gewicht bei Flugzeugen so hoch waren, hatte der Schweizer Luftfahrttechniker Alfred Büchi einen Geistesblitz, um diesen Leistungsverlust von 20% des Kompressors zu beseitigen: anstatt die Motorleistung über einen Riemen / Zahnräder zu verwenden, um den Kompressor zu drehen, schließen Sie das Kompressorrad an ein passendes Turbinenrad im Abgassystem an und erfassen Sie Energie aus dem ansonsten verschwendeten Abgasstrom, wie eine Windmühle Energie aus der Brise aufnimmt.

Diese frühen „Turbinen-Kompressoren“ oder „Turbo-Kompressoren“ fuhren schließlich in den 1930er und 1940er Jahren viele Rennflugzeuge, Bomber und Jäger an und galten zu dieser Zeit als fortschrittliche Luft- und Raumfahrttechnologie mit Teilen, die sich mit Hunderttausenden von Drehzahlen drehten und Turbinenrädern, die Abgastemperaturen von bis zu 1800 ° F / 1000 ° C ausgesetzt waren. Die Einführung eines so teuren Ausrüstungsgegenstandes in Autos war daher zunächst langsam und experimentell, mit einer Handvoll Modellen wie dem Chevrolet Corvair erscheint ab den 1950er Jahren mit einem optionalen Turbomotor.

Die Entwicklung von Turboladern ging in den 1950er und 1960er Jahren Hand in Hand mit der Entwicklung von Gasturbinen (Strahltriebwerken). Neben besseren Materialien, die den hohen Temperaturen und Drücken auf der heißen Seite des Turboladers standhalten konnten, standardisierte sich schließlich das allgemeine Layout des Turboladers:

• Kaltseitengehäuse, das die Einlassluft zum Turbo leitet
  • Kompressorrad, das die Luft unter Druck setzt
  • Kompressor-Bypass, der sich öffnet, wenn Sie das Gas abheben, um zu verhindern, dass sich Ladeluft hinter der geschlossenen Drosselklappe ansammelt und den Kompressor zum Stillstand bringt
• CHRA (center gehäuse rotierenden montage, auch manchmal als die „patrone“)
  • Welle, auf die die kompressor und turbine räder sind sowohl befestigt
  • Welle lager zu erlauben die welle zu spin frei
  • Ölen und kühlung
• Heißer seite gehäuse, die routen luft aus dem abgaskrümmer in zu die turbo
  • Turbine rad, die fängt energie aus dem auspuff
  • Wastegate, die öffnet, wenn die turbo erreicht ziel boost und sendet extra auspuff vergangenheit die turbine so es nicht spin schneller

Es waren die Energiekrisen der 1970er Jahre, die die Autohersteller wirklich dazu veranlassten, Turbolader ernsthaft in Betracht zu ziehen, um Motoren zu verkleinern (und Emissionen und Kraftstoffverbrauch zu verbessern), ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Leistung und Steuerung

Die 1970er und 1980er Jahre fielen auch mit der Computerrevolution zusammen, und diese fortschrittlichen Kraftstoff- und Motorsteuerungstechnologien erwiesen sich als gut geeignet für die Leistung und Langlebigkeit von Turboladern. Von den ersten analogen Temperatur- und Durchflusssensoren in den 1970er Jahren bis hin zu mehreren vernetzten Steuergeräten in den 2000er Jahren und darüber hinaus wurden Systeme weiterentwickelt, um mit der Nachfrage Schritt zu halten, so viel Energie wie möglich aus einem Tropfen Kraftstoff herauszupressen:

• Das Lambda-Sonden-System (Sauerstoffsensor), wobei Volvo der erste Autohersteller ist, der diese Kombination von Sensoren zur Kraftstoffmessung verwendet:
  • Luftmassenmesser zur Messung der Luftmenge, die in den Motor gelangt
  • Elektronische Kraftstoffeinspritzung, um das richtige Kraftstoffverhältnis für die bekannte Luftmenge zu ermitteln
  • Sauerstoff (Lambda) -Sensoren zur Messung von Kraftstoffresten oder Sauerstoff im Auspuff, um zu sehen, wie nah an 14,7:1 stöchiometrisch der Motor läuft
• Knock sensoren zu messen die gesundheit und timing von verbrennung veranstaltungen
• Spule-auf-stecker direkte zündung, zu einstellen zündkerze timing zu verhindern klopfen
• Digitale Motor Control Einheiten (ECUs) zu kontinuierlich messen alle diese eingänge und stellen sie die ausgänge
• Drehmoment Anfrage motor management systeme, zu
  • A: figur heraus genau, wie viel power die fahrer (über die fahrer der rechten fuß auf die gas pedal) ist fragen für
  • B: „rückwärts arbeiten“, Berechnung der kleinsten Menge an offenem Gas, Kraftstoff und Boost, die benötigt wird, um das Leistungsziel des Fahrers zu erreichen

Fein kontrollierte Motorlast und -temperaturen, engere Bearbeitungstoleranzen und Ausgewogenheit sowie fortschrittlichere Legierungen trugen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Leistung von Turboladern bei. Als die 80er und 90er Jahre fortschritten, wurde die Turboaufladung mehr Mainstream, mit vorhersehbaren Leistungsabgaben und Turbo-Zeit-zwischen-Überholungen jetzt 100.000 Meilen oder mehr erreichen.

Das Turbodesign änderte sich ebenfalls, zuerst mit computergesteuerten Vakuummagneten, die das Wastegate öffneten und schlossen, um den Gesamtschub zu steuern, und mit grundlegenden Änderungen am Turbo selbst wie Twin-Scroll- und Turbinengehäusen mit variabler Geometrie, die den Turbowirkungsgrad steigern, indem sie dem Abgasstrom so viel Energie wie möglich entziehen.

Auf dem Weg ins 21.Jahrhundert sind Turbolader der Schlüssel, um den Verbrennungsmotoren maximale Effizienz zu entlocken, bevor Elektrofahrzeuge bereit sind, in Mainstream-Autos zu übernehmen. Der Turbo ist fast so lange bei uns wie das Auto selbst, aber er hat noch etwas zu tun.

Weitere Informationen zu Turboladerkomponenten und Systemservice finden Sie in unserem Artikel über häufige Turboprobleme.