hur vänder vi explosioner till dragkraft?

namnet på förbränningsspelet omvandlar värmeenergi till rörelse. Inuti en motor tänder vi ett bränsle som bensin, och de heta, expanderande bränsle/luftgaserna trycker ner på kolvarna. Upp-och-ner-kolvarna är anslutna till den roterande vevaxeln i motorns botten och vrider denna vertikala rörelse till fram-och återgående rörelse. Haka upp allt till en växellåda ansluten till hjulen, och av dig!

Hur gör vi större explosioner för mer dragkraft?

om du någonsin har stoked ett lägereld för att göra s ’ mores, kommer du förmodligen ihåg de tre delarna av ”brandtriangeln”: luft, bränsle och tändkälla. Det är detsamma vid ditt lägereld som det är inuti din motor, med luft som strömmar in i intaget som kombinerar med bränsle från dina bränsleinsprutare och får tändning från dina tändstift.

om vi vill öka kraften måste vi se till att vi har tillräckligt med alla tre komponenterna i vår brandtriangel. I en motor betyder det att om vi injicerar mer bränsle måste vi också se till att vi får mer luft (och därmed mer syre) för att bränna allt bränsle, eftersom det extra bränslet inte brinner om det inte har mer syre att kombinera och förbränna.

kemi har ett ord för den ideala mängden reaktanter i en ekvation för att balansera utan rester: stökiometri. I en bensinmotor är det stökiometriska förhållandet mellan syreinnehållande luft och bränsle 14,7 delar (i massa) luft till 1 del bensin.

ange tvångsinduktion

”det finns ingen ersättning för förskjutning” är en fras från big block V8 days, där mer kraft innebar fysiskt större motorer som gulped mer luft och bränsle. Större cylindrar kunde suga in inte bara mer bränsle utan mer luft för att förbränna helt med bränslet, och detta gav dig mer kraft.

tyvärr betyder mer storlek också mer vikt, så vissa ingenjörer slog istället på tanken att få mer luft in i motorn genom att pumpa in den: istället för att göra motorn fysiskt större för att suga in mer luft, tryck mer luft in i samma storlek motor. Tryckluften som pumpas in i motorn kallas boost, med tryckökningen jämfört med omgivande lufttryck mätt i PSI eller bar/kilopascals.

dessa första tvångsinduktionsluftpumpar kallades superladdare, och deras bladkompressorhjul drivs av själva motorn via bälten eller växlar som drivs av motorns vevaxel. Stökiometri innebär att varje liten bit extra bränsle kräver 14.7X så mycket luft, så det är ingen överraskning superladdare använder en enorm mängd energi (ibland så mycket som 20% av den totala motoreffekten!) för att pumpa all den luften runt.

mer oomph med mindre avfall – turboladdaren

storlek och vikt är dåliga saker i bilar och sämre saker i flygplan, vilket var mycket tidig tvångsinduktionsutveckling ägde rum. Inte bara gör en tung motor för ett tungt plan, men en physcally stor motor gör också för en skrymmande, icke-aerodynamisk flygkroppen. I flygplan tillsattes incitament att trycka på inkommande luft för att kompensera för att luften blir tunnare vid höga höjder, vilket hindrar motoreffekten från att falla av vid hög höjd.

med kraft och vikt vid en sådan premie i flygplan, Schweiziska aeronautical enginer Alfred B Jacobchi hade en hjärnvåg på att bli av med att 20% kompressor strömförlust: istället för att använda motoreffekt via ett bälte/växlar för att snurra kompressorn, Anslut kompressorhjulet till ett matchande turbinhjul i avgassystemet, fånga energi från det annars bortkastade avgasflödet som en väderkvarn fångar energi från vinden.

dessa tidiga ”turbine superchargers” eller ”turbo-superchargers” fortsatte så småningom att driva många racingplan, bombplan och fighters på 1930-och 1940-talet och ansågs vara avancerad flygteknik vid den tiden, med delar som roterade vid hundratusentals varvtal och turbinhjul utsatta för avgastemperaturer så höga som 1800 GHz f/1000 Chevrolet Corvair visas från 1950-talet och framåt med en valfri turbomotor.

turboladdare utveckling marscherade hand i hand med gasturbin (jetmotor) utveckling under 1950-och 1960-talet. förutom bättre material som klarar de höga temperaturerna och trycket i den heta sidan av turbo, standardiserades den allmänna utformningen av turboladdaren så småningom:

• kallt sidohus, som leder inloppsluften in i turboen
  • kompressorhjul, som trycker på luften
  • Kompressorbypass, som öppnas när du lyfter av gasen för att hålla boost-luften från att byggas upp bakom den stängda gasplattan och orsaka kompressorstall
• CHRA (center housing rotating assembly, även ibland kallad ”patronen”)
  • axel på vilken kompressorn och turbinhjulen båda är fästa
  • axellager för att låta axeln snurra fritt
  • olja och kyla
• Hot side housing, som leder luft från avgasgrenröret till turboen
  • turbinhjul, som fångar energi från avgasen
  • Wastegate, som öppnas när turbo når målförstärkning och skickar extra avgaser förbi turbinen så att den inte snurrar snabbare

det var energikriserna på 1970-talet som verkligen drev biltillverkare att börja seriöst titta på turboladdare som ett sätt att minska motorer (och förbättra utsläpp och bränsleekonomi) utan att offra kraft.

kraft och kontroll

1970-och 1980-talet sammanföll också med datorrevolutionen, och dessa avancerade bränsle-och motorstyrtekniker visade sig vara väl lämpade för turboladdarens prestanda och livslängd. Från de första analoga temperatur-och flödessensorerna på 1970-talet till flera nätverksstyrenheter på 2000-talet och därefter avancerade system för att hålla jämna steg med efterfrågan på att pressa så mycket energi som möjligt ur en droppe bränsle:

• Lambda Sond (oxygen sensor) – systemet, med Volvo som den första automaker som använder denna kombination av sensorer för att mäta bränsle:
  • Massflödessensorer, för att mäta mängden luft som går in i motorn
  • elektronisk bränsleinsprutning, för att mäta ut rätt förhållande bränsle för att gå med den kända mängden luft
  • syre (lambda) sensorer som mäter vilken mängd överblivet bränsle eller syre i avgaserna för att se hur nära 14.7:1 stökiometrisk motorn är igång
• Knock sensorer för att mäta hälsa och timing av förbränningshändelser
• spole-on-plug direkt tändning, för att justera tändstift timing för att förhindra knock
• Digitial Engine Control Units (ecu) för att kontinuerligt mäta alla dessa ingångar och justera utgångarna
• Torque Request engine management schemes, till
  • A: ta reda på exakt hur mycket ström föraren (via förarens högra fot på gaspedalen) frågar för
  • b: ”arbeta bakåt”, beräkna den minsta mängden öppen gas, bränsle och boost som behövs för att träffa förarens kraftmål

Finstyrd motorbelastning och temperaturer, strängare bearbetningstoleranser och balans och mer avancerade legeringar spelade alla sin roll för att förbättra turboladdarens tillförlitlighet och prestanda. När 80-och 90-talet utvecklades blev turboladdning mer mainstream, med förutsägbara effektutgångar och turbotid-mellan-översyner som nu når 100 000 miles eller mer.

Turbo-designen förändrades också, först med datorstyrda vakuumsolenoider som öppnade och stängde wastegate för att kontrollera övergripande boost, och med grundläggande förändringar i turbo själv som twin-scroll och variabel geometri turbinhus som ökar turboeffektiviteten genom att extrahera mycket energi som möjligt från avgasströmmen.

när vi fortsätter att marschera in i det 21: a århundradet är turboladdare nyckeln till att pressa maximal effektivitet ur förbränningsmotorer innan elfordon är redo att ta över i vanliga bilar. Turbo har varit med oss nästan lika länge som själva bilen, men det har fortfarande lite arbete att göra.

för mer detaljerad information om turboladdarkomponenter och systemservice, se vår artikel om vanliga turboproblem.