HOE WERKT EEN TURBO?

Basis werking van een viertakt dieselmotor

De meeste lezers weten wel hoe een dieselmotor werkt, maar hier toch voor diegenen, welke deze kennis niet hebben, een beknopte beschrijving van de basisprincipes, om ook de functie en werking van de turbo in het totale motorconcept beter te kunnen begrijpen.

Een dieselmotor is een zogenaamde zelf ontbrander.

Lucht wordt onder hoge druk samengeperst in de cilinder, waar tevens brandstof wordt ingespoten, welke door de hoge compressietemperatuur tot zelfontbranding komt en de zuiger naar beneden drukt in de cilinder.

Deze neerwaartse kracht wordt via een drijfstang en excentrische kruktap overgebracht op de krukas en zo omgezet in een draaiende kracht .

Het grootste verschil met een benzinemotor is, dat het diesel/luchtmengsel vanzelf ontsteekt en er dus geen aparte ontstekingsinrichting nodig is.

Er is wel altijd een inspuitmechanisme nodig, in de vorm van een hogedruk-inspuitpomp en verstuivers, of bij de wat modernere motoren met directe inspuiting, onder zeer hoge druk via injectoren.

Als lucht tot hoge druk wordt samengeperst, wordt deze sterk verhit.

Zelfs tot zodanig hoge temperaturen, dat de onder hoge druk ingespoten brandstof spontaan tot zelfontbranding komt.

1) inlaat-slag 2) compressie-slag 3) arbeids-slag 4) uitlaat-slag

We onderscheiden 4 verschillende slagen van de zuiger in de cilinder;

De inlaat-slag (1)

(zuiger ↓), waarbij door de geopende inlaatklep bij een dieselmotor uitsluitend lucht wordt aangezogen.

De compressie-slag (2)

(zuiger ↑), waarbij de lucht wordt samengeperst (gecomprimeerd). Door de hoge compressieverhouding van een dieselmotor wordt de gecomprimeerde lucht heet genoeg (700 à 900°C) om de brandstof spontaan te laten ontbranden. Zowel in- als uitlaatklep zijn dan gesloten.

De zelfontbrandingstemperatuur van diesel is 320 à 360°C. Aan het einde van de compressieslag wordt de brandstof ingespoten. De verbranding produceert een gasmengsel van 60 à 180 bar bij een temperatuur van 2000 à 2500 °C.

De arbeidsslag (3)

(zuiger ↓): de zuiger wordt door de ontstane hoge verbrandingsdruk naar beneden geduwd.

De uitlaatslag (4)

(zuiger ↑): de uitlaatgassen ontsnappen door de nu geopende uitlaatklep, geholpen door de omhooggaande zuiger.

De eerste 2 slagen gebeuren bij 1 omwenteling van de krukas. Bij de volgende omwenteling worden de opvolgende 2 slagen gemaakt.

Omdat elke op- of neergaande beweging van de zuiger een slag genoemd wordt, noemt men dit dus een vierslag- of viertaktmotor.

De stroom hete uitlaatgassen, welke bij een normaal aangezogen motor via het uitlaatspruitstuk richting uitlaatsysteem verdwijnt, wordt nu dus gebruikt om een tussen het uitlaatspruitstuk en uitlaatsysteem gebouwde turbine (van de turbo) aan te drijven.

Hoe werkt een motor

Hoe werkt een turbo

HOE WERKT EEN TURBO?

Schematische voorstelling van een dieselmotor met turbo

1 Compressor inlaat 2 Compressor uitlaat 3 Interkoeler 4 Inlaatklep 5 Uitlaatklep 6 Turbine inlaat 7 Turbine uitlaat

De onderdelen, die een typisch turbo dieselmotor systeem omvat zijn:

1)
De luchtinlaat, waar de buitenlucht in de turbo wordt gezogen.

2)
Deze lucht wordt dan samengeperst naar een hogere luchtdichtheid (volume/massa). De temperatuur van de aangezogen lucht is gelijk aan de buitenlucht temperatuur. Omdat het samenpersen van lucht de luchttemperatuur altijd verhoogt, verlaat de samengeperste lucht de compressor van de turbo met temperaturen van 200 graden Celsius en zelfs hoger bij hoog opgeladen motoren.

3)
Diverse tractorpulling klassen mogen een luchtkoeler gebruiken (inter-koeler) welke de ladingslucht koelt en zo de luchtdichtheid vergroot en dus tevens de hoeveelheid zuurstof in dezelfde massa aan luchtvolume.

4)
Hierna wordt de lucht door het inlaatspruitstuk en via de inlaatklep in de cilinder van de motor geleid, welke een vast slagvolume heeft. Omdat de toegevoerde lucht een hogere luchtdichtheid heeft, kan elke cilinder een verhoogde massa aan luchtvolume binnen zuigen. Een verhoogde massa luchtvolume geeft de mogelijkheid ook een verhoogde hoeveelheid brandstof in te spuiten (bij gelijkblijvende lucht/brandstof verhouding). Verbranding van meer brandstof resulteert in meer vermogen bij een gelijkblijvend slagvolume.

5)
Nadat de brandstof is verbrand in de cilinder, worden de verbrande gassen tijdens de uitlaatslag van de cilinder via de uitlaatklep naar het uitlaat spruitstuk gevoerd.

6)
De hete uitlaatgassen worden dan in de turbine van de turbo geleid. In de turbine ontstaat een tegendruk, het gevolg is dat de uitlaatdruk van de motor hoger is dan de atmosferische druk.

7)
Door hitte expansie in de turbine van de turbo ontstaat een heftige druk- en temperatuurverlaging. De vrijgekomen kinetische energie drijft te turbine met kracht aan, welke nodig is om de compressor aan te drijven.

EEN TURBO BESTAAT UIT 3 HOOFD GEDEELTEN

Turbine gedeelte Turbinehuis en As+turbinewiel

Compressor gedeelte Compressorwiel en compressorhuis

Centrale gedeelte Lagerhuis met lagersysteem

Tekening opengewerkte turbo

TURBINE GEDEELTE

Het turbine gedeelte bestaat uit 2 hoofd componenten

Turbinehuis Het turbinehuis is door middel van bouten aan het uitlaat spruitstuk van de motor bevestigd. De uitlaatgassen drijven het turbinewiel aan, wat in het turbinehuis is gepositioneerd. Uitlaattemperaturen lopen op tot 1100 graden Celsius bij Truck- en Tractorpulling toepassingen.

Turbinewiel+as Het turbinewiel is door frictie gelast aan een gesmede stalen as, welke weer het compressorwiel aandrijft, dat aan de andere zijde van de as is gemonteerd en vastgezet met een borgmoer.

De hitte-energie, druk en stroming van de uitlaatgassen drijven het turbinewiel aan, wanneer deze door het turbinehuis worden gevoerd. De hete uitlaatgassen passeren een opening van een vooraf bepaalde diameter in het turbinehuis (turbine doorlaat opening).

Nadat de hete uitlaatgassen de turbine doorlaat opening zijn gepasseerd, komen deze in een grotere ruimte en zetten hierdoor heftig uit. De kinetische energie die vrijkomt door hitte-expansie, temperatuur- en drukval drijven het turbinewiel tot hoge snelheid op. Wanneer de motortoeren toenemen en daar door een grotere hoeveelheid uitlaatgassen de turbine doorlaat opening passeren, zal de snelheid van zowel turbinewiel, als het aan de as bevestigde compressorwiel toenemen. Het resultaat is verhoogde luchtdruk en massa luchtvolume naar de cilinders van de motor.

(de blauwe pijl geeft de positie van de turbine doorlaat opening aan).

Turbinewiel + as

COMPRESSOR GEDEELTE

Het compressor gedeelte bestaat uit 3 hoofd componenten.

Compressorwiel (Impeller) Wanneer het compressorwiel draait, wordt lucht vanuit de buitenlucht in de compressor gezogen. De lucht wordt samengeperst en onder druk naar de cilinders van de motor gevoerd.

Compressorhuis Het compressorwiel is in het compressorhuis gepositioneerd. De luchtspleet tussen de rondingen van het wiel en in het compressorhuis is klein en volgens nauwkeurige toleranties uitgedraaid, om een zo hoog mogelijk compressor rendement te bewerkstelligen.

Foto’s van enkele componenten

Compressorhuis Compressorwiel

Verstrooier

Het compressor gedeelte is zodanig geconstrueerd, om een luchtstroom van lage druk en hoge snelheid en turbulentie om te zetten en te vertragen tot een stabiele luchtstroom van hoge druk en lage luchtsnelheid. Dit wordt bereikt door een verstrooi (demping) systeem. Dit is een luchtspleet van bepaalde hoogte tussen de vlakke binnenwand van compressorhuis en daar tegenover de vlakke zijde van het Lagerhuis.

CENTRALE GEDEELTE

In het centrale lagerhuis is het lager systeem gehuisvest, wat bestaat uit 2 radiale glijlagers, welke op een oliefilm vrij ronddraaien, plus 1 stilstaand axiaallager. De radiale glijlagers zijn vervaardigd van brons, koper of messing. Het axiaallager is vervaardigd van fosforbrons of gesinterd ijzer. Alle lagers worden gesmeerd en gekoeld door de motorolie.

De dikte van de oliefilm rond het lagerwerk is 0.008 tot 0.015 mm, de dikte van een menselijke haar. Alle lagers zijn onderhevig aan hoge temperaturen, welke in zowel het turbine- als compressor gedeelte worden ontwikkeld en door geleiding ook het lagerhuis en lagermateriaal verhit. Bovendien moet het lagersysteem omgaan met droge starts, vervuilingen in de smeerolie en stopzetten van de turbo bij hete motor.

LAGERSYSTEEM EN SMERING

Het lagersysteem van de turbo is een integraal onderdeel van het smeringsysteem van de motor. De smeerolie wordt door de oliepomp van de motor onder druk in het lagerhuis en naar zowel de radiale glijlagers als het axiaallager.

Het lagersysteem is een zogenaamd hydrodynamisch lagersysteem, 2 ronddraaiende glijlagers roteren zowel op de as, als binnen de boringen in het lagerhuis, om de radiale rotorbewegingen en vibraties op te vangen.

Om de axiale rotorbewegingen op te vangen, is aan de compressorzijde in het lagerhuis een niet meedraaiend axiaallager vast gemonteerd. De smering van het axiaallager is zodanig verzorgd, dat het axiaallager aan de onderzijde ondersteund wordt door een stalen axiaallager-ring. Aan de bovenzijde door het lagervlak van een eveneens stalen zuigerveerbus. In verband met de nauwe toleranties en hoge axiale belastingen van de rotor, worden beide onderdelen speciaal gehard en worden de vlakken, welke tegen het axiaallager zijn gemonteerd, op maat gepolijst.

Nogmaals dient vermeld te worden, dat het totale smeringsysteem wordt verzorgd met een zeer dunne oliefilm. Het resultaat is, dat de complete rotor, zowel radiaal als axiaal, vrij rond draait op een dunne oliefilm, een zogenaamd ‘zwevend’ lagersysteem.

Lager systeem en smering

Foto’s van enkele componenten

Glijlagers Axiaallager Axiaallager-ring Zuigerveerbus

Lagerhuis Hitteschild

OLIE AFDICHTING - ZUIGERVEREN

Aan beide zijden van de rotoras zijn afdichtingen van het type zuigerveer gemonteerd. Aan de turbinezijde in een zuigerveergroef op de asstomp achter het turbinewiel. De zuigerveer draait niet mee en zit geklemd in een boring van het lagerhuis. Aan de compressorzijde is de zuigerveer gemonteerd in de groef van een zuigerveerbus en zit geklemd in de boring van een olieschild, achter het compressorwiel.

De zuigerveren zijn geen typische oliekeer ringen. De hoofdzakelijk functie is om ventilatie van zowel uitlaatgassen, als lucht uit de compressor, naar de binnenzijde van het lagerhuis te voorkomen. De smeerolie vanuit de motor bereikt de roterende glijlagers onder druk, waardoor de olie met lucht wordt vermengd, wat resulteert in een romige substantie. Daarom moet de olie, na het passeren van de lagers, in het carter van het lagerhuis zijn normale viscositeit terug krijgen en dan drukvrij, zonder enige restrictie, via de olie-retourleiding naar het motorcarter kunnen vloeien.

De zuigerveer afdichtingen functioneren dus maar voor een deel als olie afdichting, de olie afdichting wordt hoofdzakelijk verzorgd door de positieve drukken in zowel het compressor- als turbine gedeelte.

(Vergroot in de cirkels een beeld van de zuigerveer toepassing)

Foto’s van enkele componenten

Zuigerveren Zuigerveerbus Olieschild compressor