Turbocompressor

Vroege bouwers van turbo's noemden ze "turbosuperchargers". Een supercharger is een luchtcompressor die wordt gebruikt om lucht in een motor te persen. Zij dachten dat het toevoegen van een turbine om de supercharger te laten draaien, een "turbosupercharger" zou opleveren. De term werd al snel afgekort tot "turbolader". Dit kan nu voor enige verwarring zorgen. De term "turbosupercharger" wordt soms gebruikt voor een motor die zowel een krukasaangedreven supercharger als een uitlaatgasturbo gebruikt. Dit wordt ook wel twincharging genoemd.

Sommige bedrijven zoals Teledyne Continental Motors gebruiken nog steeds de term turbosupercharger om hun turbo's aan te duiden.

Een motor creëert vermogen door een mengsel van lucht en brandstof te verbranden. De lucht en brandstof worden in de cilinders gebracht om te branden. Als ze branden, duwen ze de zuiger naar beneden. De zuiger draait de krukas en creëert vermogen. Bij automotoren wordt dit gemeten in paardenkracht.

Motoren met natuurlijke aanzuiging (Normally Aspirated)

Een motor die geen turbo of supercharger gebruikt, wordt een atmosferische of normale motor genoemd. Normaal gesproken wordt bij de vermelding van motorspecificaties alleen vermeld of de motor een turbo of supercharger gebruikt. De meeste automotoren hebben een natuurlijke aanzuiging. Het vermogen dat ze kunnen leveren wordt beperkt door de hoeveelheid lucht die de zuigers in de cilinders kunnen trekken.

Motoren met turbolading

Een turbolader is een kleine ventilatorpomp die rond een as draait. De pomp wordt aangedreven door de druk van het uitlaatgas. Een turbolader bestaat uit een turbine en een compressor. Beide zijn op dezelfde as gemonteerd. De turbine is een warmtemotor. Hij zet de warmte en de druk van de uitlaatgassen om in rotatie. Deze rotatie wordt gebruikt om de compressor te laten draaien. De compressor zuigt de buitenlucht aan. Hij perst of comprimeert de lucht. Vervolgens stuurt hij de lucht naar de motor. Doordat de luchtdruk is verhoogd, kan er meer lucht en brandstof in de cilinders. Dit wordt ook wel boost pressure genoemd.Met meer brandstof om te verbranden kan de motor meer vermogen creëren. Hierdoor neemt het vermogen van de motor toe.

Motorschade

De motor kan beschadigd raken als de luchtdruk in de cilinders te hoog wordt. Als er te veel uitlaatgas naar de turbine wordt gestuurd, kan de compressor te veel druk creëren. Om dit te voorkomen wordt een wastegate gebruikt. De wastegate beperkt de hoeveelheid uitlaatgas die naar de turbine wordt gestuurd.

De turbolader werd uitgevonden door de Zwitserse ingenieur Alfred Büchi. Zijn octrooi werd in 1905 aangevraagd. Dieselschepen en -locomotieven met turbolader begonnen in de jaren 1920 te verschijnen.

Luchtvaart

Tijdens de Eerste Wereldoorlog paste de Franse ingenieur Auguste Rateau met enig succes turboladers toe op Renault-motoren die verschillende Franse jachtvliegtuigen aandreven.

In 1918 bevestigde General Electric ingenieur Sanford Moss een turbocompressor op een Liberty vliegtuigmotor. De motor werd getest op Pikes Peak in Colorado op 4.300 meter hoogte. De test moest aantonen dat de turbo het vermogen kon aanvullen dat vliegtuigen op grote hoogte verliezen. Verbrandingsmotoren verliezen vermogen omdat op grote hoogte de buitenluchtdruk laag is. Er kan minder lucht en brandstof in de motor worden gezogen.

Turboladers werden voor het eerst gebruikt in vliegtuigmotoren in de jaren 1930.

Productie auto's

De eerste vrachtwagen met turbodiesel werd gebouwd door de "Swiss Machine Works Saurer" in 1938. De eerste turbogeladen automotoren in productie kwamen van General Motors in 1962. De Oldsmobile Cutlass Jetfire werd uitgerust met een Garrett AiResearch-turbocompressor en de Chevrolet Corvair Monza Spyder met een TRW-turbocompressor.

In 1974, op de Autosalon van Parijs, toonde Porsche de 911Turbo. Dit was tijdens het hoogtepunt van de oliecrisis. De 911Turbo was de eerste productie sportwagen met uitlaat turbo en drukregelaar. De drukregelaar was de wastegate. De eerste productie turbo diesel auto's waren de Mercedes 300SD met een Garrett turbocharger, en de Peugeot 604. Beide werden in 1978 geïntroduceerd. Tegenwoordig hebben de meeste diesels in auto's een turbo.

Racewagens

De eerste succesvolle turbogeladen racemotor schijnt in 1952 te zijn geweest. Fred Agabashian in een diesel-aangedreven Cummins Special kwalificeerde zich voor de pole position bij de Indianapolis 500. Hij reed 175 mijl (282 km) aan de leiding. Toen werd de turbo beschadigd door bandenpuin. Offenhauser's turbomotoren kwamen voor het eerst naar Indianapolis in 1966. Hun eerste overwinning kwam in 1968 met een Garrett AiResearch turbocharger. Auto's met turbo's domineerden de 24 uur van Le Mans tussen 1976 en 1988, en daarna van 2000-2007.

De Formule 1 kende een "Turbo-tijdperk" van 1977 tot 1989. Motoren met een cilinderinhoud van 1500 cc konden maar liefst 1500 pk (1119 kW) produceren. In 1977 was Renault de eerste die met turbomotoren F1 reed. De prestaties maakten de hoge kosten goed. Andere motorfabrikanten begonnen turbo's te bouwen. De turbomotoren namen het F1-veld over. Ze eindigden het Ford Cosworth DFV tijdperk in het midden van de jaren 1980. De FIA besloot dat turbo's de sport te gevaarlijk en duur maakten. In 1987 besloot de FIA om de maximale boost van de turbo's te beperken. In 1989 werden turbo's volledig verboden.

World Rally Car racers geven al lang de voorkeur aan turbomotoren. Ze bieden een zeer hoge vermogen-gewichtsverhouding. Het turbovermogen begon het niveau van de F1 wagens te bereiken. De FIA heeft turbo's niet verboden. Ze beperken het turbovermogen door de inlaatdiameter te beperken.

Parallel

Sommige motoren gebruiken twee turbo's. Ze zijn dan allebei even groot. Ze zijn gewoonlijk kleiner dan bij motoren met één turbo. Ze worden vaak gebruikt bij V-motoren, zoals V6's en V8's. Elke turbo wordt aangedreven door een aparte uitlaatpijp van de motor. Omdat ze kleiner zijn, bereiken ze sneller hun optimale boost. Deze opstelling van turbo's wordt gewoonlijk een parallel twin-turbo-systeem genoemd. De eerste productieauto met parallelle turbo's was de Maserati Biturbo uit het begin van de jaren tachtig.

Sequentiële

Sommige autobouwers vermijden turbogat (hieronder) door twee kleine turbo's te gebruiken. De normale opstelling is dat één turbo altijd werkt. De tweede turbo gaat pas werken bij een hoger toerental. Omdat de turbo's kleiner zijn, hebben ze minder turbogat. De tweede turbo kan op volle snelheid komen voordat hij nodig is. Deze opstelling wordt gewoonlijk een sequentiële twin-turbo genoemd. Porsche gebruikte deze technologie voor het eerst in 1985 in de Porsche 959.

Diesel

Turbolading is zeer gebruikelijk bij dieselmotoren in auto's, vrachtwagens, locomotieven, schepen en zware machines. Dieselmotoren zijn om verschillende redenen bijzonder geschikt voor turboladers:

• Turbocharging kan het vermogen en de vermogen-gewichtsverhouding van een motor drastisch verbeteren.
• Vrachtwagen- en industriële dieselmotoren draaien normaal gesproken op hun maximale toerental. Dit vermindert problemen met turbogat.
• Dieselmotoren hebben geen klop. De dieselbrandstof wordt aan het eind van de compressieslag ingespoten en door de compressiewarmte ontstoken. Dieselmotoren kunnen een veel hogere druk gebruiken dan benzinemotoren.

Motorfiets

Het gebruik van turbo's om de prestaties te verhogen was zeer aantrekkelijk voor de Japanse bouwers in de jaren 1980. Het eerste voorbeeld van een motorfiets met turbolader is de Kawasaki Z1R TC uit 1978. Deze gebruikte een Rayjay ATP-turbokit om 0,35 bar (5 lb) boost op te bouwen. Hierdoor steeg het vermogen van 90 pk (67 kW) naar 105 pk (78 kW). Hij was slechts iets sneller dan het standaardmodel. Verschillende andere motorfietsen werden gebouwd met turbo's. Turbo-toepassingen voor motorfietsen verhoogden hun prijs. De kleine prestatiewinst was de extra kosten niet waard. Sinds het midden van de jaren 1980 heeft geen enkele fabrikant motorfietsen met turbo geproduceerd.

Vliegtuig

Een natuurlijke toepassing van de turbocompressor is bij vliegtuigmotoren. Wanneer een vliegtuig naar grotere hoogten klimt, neemt de druk van de omringende lucht snel af. Een turbocompressor lost dit probleem op door de lucht samen te persen tot een hogere druk. Een turbocompressor lost dit probleem op door de lucht samen te persen tot een hogere druk.

Het comprimeren van de lucht verhoogt de temperatuur ervan. Dit veroorzaakt verschillende problemen. Verhoogde temperaturen kunnen leiden tot het kloppen van de motor, omdat de cilinderkop warmer wordt. Hete lucht kan niet zoveel brandstof verbranden als koude lucht. Hierdoor wordt minder vermogen geproduceerd.

De gebruikelijke methode om met de hetere lucht om te gaan is deze te koelen. De meest gebruikelijke manier is het gebruik van een interkoeler of nakoeler. Deze koelers verlagen de temperatuur van de lucht voordat deze de motor ingaat.

Moderne vliegtuigen met drukvulling hoeven de binnenkomende lucht meestal niet te koelen. Hun turboladers zijn doorgaans klein en de ontstane druk is niet erg hoog. De luchttemperatuur wordt dus niet erg verhoogd.

Om een supercharger te laten werken, moet hij wat vermogen aan de motor onttrekken. Het vermogen dat hij toevoegt is meer dan het vermogen dat hij gebruikt. Een turbolader gebruikt de uitlaatgassen. Dit is warmte-energie die verloren zou gaan.

Betrouwbaarheid

Turboladers kunnen beschadigd raken door vuile of slechte olie. De meeste fabrikanten adviseren vaker olie te verversen voor motoren met een turbo. De turbolader wordt warm tijdens het draaien. Velen raden aan de motor enkele minuten stationair te laten draaien alvorens hem af te zetten. Dit geeft de turbo de tijd om af te koelen. Dit verlengt de levensduur van de turbo.

Turbo vertraging

De tijd die de turbo nodig heeft om de benodigde druk op te bouwen, wordt turbogat genoemd. Dit wordt opgemerkt als een aarzeling in de reactie van de motor. Dit wordt veroorzaakt door de tijd die het uitlaatsysteem nodig heeft om de turbine op snelheid te brengen. De direct aangedreven compressor in een supercharger heeft dit probleem niet.

De vertraging kan worden verminderd door lichtere onderdelen te gebruiken. Hierdoor kan de turbine sneller starten. Andere mechanische veranderingen kunnen de turbogat verminderen, maar dat kost meer.