hoe zetten we explosies om in stuwkracht?

de naam van de interne verbranding spel is het omzetten van warmte-energie naar beweging. In een motor steken we brandstof aan zoals benzine, en de hete, uitdijende brandstof / luchtgassen drukken op zuigers. De op-en-neer zuigers zijn aangesloten op de draaiende krukas in de bodem van de motor, draaien deze verticale beweging in om heen en weer bewegende beweging. Sluit het allemaal aan op een transmissie aangesloten op de wielen, en daar ga je!

hoe maken we grotere explosies voor meer stuwkracht?

als u ooit een kampvuur hebt gestookt om S ‘mores te maken, herinnert u zich waarschijnlijk de drie delen van de” fire triangle”: lucht, brandstof en ontstekingsbron. Het is hetzelfde bij uw kampvuur als het is in uw motor, met lucht stroomt in om de inname te combineren met brandstof van uw brandstofinjectoren en het krijgen van ontsteking van uw bougies.

als we het vermogen willen verhogen, moeten we er zeker van zijn dat we genoeg hebben van alle drie de componenten van onze vuurdriehoek. In een motor betekent dat dat als we meer brandstof injecteren, we er ook voor moeten zorgen dat we meer lucht (en dus meer zuurstof) krijgen om alle brandstof te verbranden, omdat de extra brandstof niet zal branden tenzij het meer zuurstof heeft om mee te combineren en te verbranden.

chemie heeft een woord voor de ideale hoeveelheid reagentia in een vergelijking om uit te balanceren zonder restjes: stoichiometrie. In een benzinemotor is de stoichiometrische Verhouding van zuurstofhoudende lucht tot brandstof 14,7 delen (per massa) lucht tot 1 deel benzine.

Enter forced induction

“There’ s no replacement for displacement” is een zin uit de grote blok V8 dagen, waar meer vermogen betekende fysiek grotere motoren die meer lucht en brandstof slopen. Grotere cilinders konden niet alleen meer brandstof maar ook meer lucht aanzuigen om volledig met de brandstof te verbranden, en dit gaf je meer vermogen.

helaas betekent meer Grootte ook meer gewicht, dus sommige ingenieurs sloegen in plaats daarvan op het idee om meer lucht in de motor te krijgen door het in te pompen: in plaats van de motor fysiek groter te maken om meer lucht in te zuigen, duw meer lucht in dezelfde grootte Motor. De perslucht die naar de motor wordt gepompt heet boost, waarbij de drukstijging ten opzichte van de omgevingsluchtdruk wordt gemeten in PSI of bar/kilopascal.

deze eerste gedwongen-inductie-luchtpompen werden superchargers genoemd, en hun bladed compressor wielen werden aangedreven door de motor zelf via riemen of tandwielen aangedreven van de krukas van de motor. Stoichiometrie betekent dat elk beetje extra brandstof 14 nodig heeft.7X zoveel lucht, dus het is geen verrassing superchargers gebruiken een enorme hoeveelheid energie (soms wel 20% van het totale motorvermogen! om al die lucht rond te pompen.

meer oomph met minder afval-de turbocompressor

grootte en gewicht zijn slechte dingen in auto ‘ s en ergere dingen in vliegtuigen, waar veel vroege gedwongen inductie ontwikkeling plaatsvond. Niet alleen zorgt een zware motor voor een zwaar vliegtuig, maar een fysisch grote motor zorgt ook voor een omvangrijke, niet-aerodynamische romp. In vliegtuigen was er een extra stimulans om inkomende lucht onder druk te zetten om te compenseren voor lucht die dunner werd op grote hoogtes, waardoor het motorvermogen op grote hoogte niet af zou vallen.

met een dergelijke premie voor het vermogen en het gewicht in vliegtuigen, had de Zwitserse vliegtuigbouwer Alfred Büchi een brainwave over het wegwerken van dat 20% – vermogensverlies van de supercharger: in plaats van het motorvermogen via een riem/versnellingen te gebruiken om de compressor te laten draaien, sluit u het compressorwiel aan op een bijpassend turbinewiel in het uitlaatsysteem, en vangt u energie op uit de anders verspilde uitlaatstroom zoals een windmolen energie uit de wind vangt.

Deze vroege “turbine superchargers” of “turbo-superchargers” ging uiteindelijk aan de macht vele race-vliegtuigen, bommenwerpers en gevechtsvliegtuigen in de jaren 1930 en 1940, en werden beschouwd als geavanceerde lucht-en ruimtevaart technologie in de tijd, met onderdelen draaiende op honderden duizenden Toeren en turbine wielen blootgesteld aan de uitlaatgas temperaturen tot 1800°F/1000°C. de Vaststelling van een dergelijke dure apparatuur in auto ‘ s was zo traag en experimentele op het eerste, met een handvol modellen zoals de Chevrolet Corvair verschijnen van de jaren 1950 en verder met een optionele turbo motor.

ontwikkeling van de Turbocompressor ging hand in hand met de ontwikkeling van de gasturbine (straalmotor) gedurende de jaren 1950 en 1960. naast betere materialen die bestand zijn tegen de hoge temperaturen en drukken in de hete kant van de turbo, is de algemene lay-out van de turbo uiteindelijk gestandaardiseerd:

• Koude zijde van de behuizing, welke routes inlaat lucht in de turbo
  • Compressor wiel, die pressurizes de lucht
  • Compressor bypass, die wordt geopend wanneer u de lift uit het gas te houden boost in de lucht uit het gebouw achter de gesloten gasklep en het veroorzaken van een compressor kraam
• CHRA (center huisvesting roterende montage, ook wel de “patroon”)
  • As, waarop de compressor en de turbine wielen zijn beide aangesloten
  • As lagers om de as te draaien vrij
  • Oliën en koeling
• Warme kant behuizing, welke routes lucht van het uitlaatspruitstuk in de turbo
  • Turbine wiel, die vangt de energie van de uitlaatgassen
  • Wastegate, die wordt geopend wanneer de turbo bereikt doel van de impuls en stuurt extra uitlaat langs de turbine, zodat het niet draaien sneller

Het was de energiecrises van de jaren 1970 dat echt geduwd automakers te serieus gaan kijken naar turbo ‘ s als een manier om te downsizen van motoren (en het verbeteren van de emissies en het brandstofverbruik) zonder in te boeten aan kracht.

vermogen en besturing

de jaren zeventig en tachtig vielen ook samen met de computerrevolutie, en deze geavanceerde brandstof-en motorbesturingstechnologieën bleken goed geschikt voor de prestaties van turbocompressoren en een lange levensduur. Van de eerste analoge temperatuur-en debietsensoren in de jaren zeventig tot meerdere netwerkbesturingseenheden in de jaren 2000 en daarna, geavanceerde systemen om bij te blijven met de vraag om zoveel mogelijk energie uit een druppel brandstof te persen:

• het Lambda Sond-systeem (zuurstofsensor), waarbij Volvo de eerste autofabrikant is die deze combinatie van sensoren gebruikt om brandstof te meten:
  • Mass airflow sensors, om de hoeveelheid lucht te meten die naar de motor gaat
  • elektronische brandstofinspuiting, om de juiste verhouding van brandstof te meten met de bekende hoeveelheid lucht
  • zuurstof (lambda) sensoren die eventueel overgebleven brandstof of zuurstof in de uitlaat meten om te zien hoe dicht tot 14,7:1 stoichiometrisch de motor loopt
• Klopsensoren om de gezondheid en het tijdstip van de verbranding te meten
• directe ontsteking met Bougieplug om knock te voorkomen
• digitale Motorbesturingseenheden (ecu ‘s) om voortdurend al deze ingangen te meten en de uitgangen
• Koppelaanvraagschema’ s voor motorbeheer aan te passen, tot
  • A: bepaal precies hoeveel vermogen de bestuurder (via de rechtervoet van de bestuurder op het gaspedaal) vraagt om
  • B: “achteruit werken”, het berekenen van de kleinste hoeveelheid open gas, brandstof en boost die nodig is om het vermogen van de bestuurder te raken

fijn gecontroleerde motorbelasting en-temperaturen, strakkere bewerkingstoleranties en evenwicht, en meer geavanceerde legeringen speelden allemaal hun rol in het verbeteren van de betrouwbaarheid en prestaties van de turbocompressor. Naarmate de jaren ’80 en’ 90 vorderden, werd turbocharging meer mainstream, met voorspelbare vermogensuitgangen en turbo time-between-revisies die nu 100.000 mijl of meer bereiken.Het ontwerp van de Turbo veranderde ook, eerst met computergestuurde vacuümsolen die de wastegate openen en sluiten om de algehele boost te regelen, en met fundamentele veranderingen aan de turbo zelf, zoals twin-scroll en turbinebehuizingen met variabele geometrie die de turbo-efficiëntie verhogen door zoveel mogelijk energie uit de uitlaatstroom te halen.

terwijl we naar de 21e eeuw blijven marcheren, zijn turbocompressoren de sleutel om maximale efficiëntie uit verbrandingsmotoren te persen voordat elektrische voertuigen klaar zijn om het over te nemen in de reguliere auto ‘ s. De turbo is al bijna net zo lang bij ons als de auto zelf, maar hij heeft nog wat werk te doen.

voor meer gedetailleerde informatie over turbocompartimenten en systeemservice, zie ons artikel over veelvoorkomende turboproblemen.