När folk pratar om racerbilar eller högpresterande sportbilar är ämnet turboladdare brukar komma upp. Turboladdare förekommer även på stora dieselmotorer. En turbo kan avsevärt öka en motors hästkrafter utan att nämnvärt öka dess vikt, vilket är den enorma fördelen som gör turbo så populär!
I den här artikeln kommer vi att lära oss hur en turboladdare ökar kraften hos en motor samtidigt som den överlever extrema driftsförhållanden. Vi kommer också att lära oss hur wastegates, keramiska turbinblad och kullager hjälper turboladdare att göra sitt jobb ännu bättre. Turboladdare är en typ av tvingat induktionssystem . De komprimerar luften som strömmar in i motorn (se Hur bilmotorer fungerar för en beskrivning av luftflödet i en normal motor). Fördelen med att komprimera luften är att den låter motorn pressa in mer luft i en cylinder och mer luft gör att mer bränsle kan tillföras. Därför får du mer kraft av varje explosion i varje cylinder. En turboladdad motor producerar totalt sett mer kraft än samma motor utan laddning. Detta kan avsevärt förbättra kraft-till-vikt-förhållandet för motorn (se Hur hästkrafter fungerar för detaljer).
För att uppnå denna ökning använder turboladdaren avgasflödet från motorn för att snurra en turbin , som i sin tur snurrar en luftpump . Turbinen i turboladdaren snurrar i hastigheter på upp till 150 000 varv per minut (rpm) - det är ungefär 30 gånger snabbare än de flesta bilmotorer kan köra. Och eftersom den är ansluten till avgasröret är också temperaturerna i turbinen mycket höga.
Fortsätt läsa för att ta reda på hur mycket mer kraft du kan förvänta dig av din motor om du lägger till en turboladdare.
Innehåll
Ett av de säkraste sätten att få ut mer kraft ur en motor är att öka mängden luft och bränsle som den kan förbränna. Ett sätt att göra detta är att lägga till cylindrar eller göra de nuvarande cylindrarna större. Ibland kanske dessa förändringar inte är genomförbara -- en turbo kan vara ett enklare och mer kompakt sätt att lägga till kraft, särskilt för eftermarknadstillbehör.
Turboladdare tillåter en motor att förbränna mer bränsle och luft genom att packa in mer i de befintliga cylindrarna. Den typiska ökningen som en turboladdare ger är 6 till 8 pund per kvadrattum (psi). Eftersom normalt atmosfärstryck är 14,7 psi vid havsnivå kan du se att du får in cirka 50 procent mer luft i motorn. Därför skulle du förvänta dig att få 50 procent mer kraft. Det är inte perfekt effektivt, så du kan få en 30- till 40-procentig förbättring istället.
En orsak till ineffektiviteten kommer från det faktum att kraften att snurra turbinen inte är gratis. Att ha en turbin i avgasflödet ökar begränsningen i avgaserna. Detta innebär att motorn vid avgasslaget måste trycka mot ett högre mottryck. Detta subtraherar lite kraft från cylindrarna som tänds samtidigt.
Turboladdaren är bultad till avgasgrenröret av motorn. Avgaserna från cylindrarna snurrar turbinen , som fungerar som en gasturbinmotor. Turbinen är ansluten med en axel till kompressorn , som är placerad mellan luftfiltret och insugningsröret. Kompressorn trycksätter luften som går in i kolvarna.
Avgaserna från cylindrarna passerar genom turbinbladen , vilket får turbinen att snurra. Ju mer avgas som går genom bladen, desto snabbare snurrar de.
På andra änden av axeln som turbinen är fäst vid, kompressorn pumpar in luft i cylindrarna. Kompressorn är en typ av centrifugalpump -- den drar in luft i mitten av sina blad och kastar den utåt när den snurrar.
För att klara hastigheter upp till 150 000 rpm måste turbinaxeln stödjas mycket noggrant. De flesta lager skulle explodera vid hastigheter som denna, så de flesta turboladdare använder ett vätskelager . Denna typ av lager stöder axeln på ett tunt lager olja som hela tiden pumpas runt axeln. Detta tjänar två syften:det kyler axeln och några av de andra turboladdardelarna och låter axeln snurra utan större friktion.
Det finns många avvägningar involverade i att designa en turboladdare för en motor. I nästa avsnitt ska vi titta på några av dessa kompromisser och se hur de påverkar prestandan.
För mycket boost?Med luft som pumpas in i cylindrarna under tryck av turboladdaren och sedan komprimeras ytterligare av kolven (se Hur bilmotorer fungerar för en demonstration), är det större risk för knackning. Knacka händer för att när du komprimerar luft ökar temperaturen på luften. Temperaturen kan öka tillräckligt för att antända bränslet innan tändstiftet tänds. Bilar med turboladdare behöver ofta köras på högre oktanigt bränsle för att undvika knackningar. Om laddtrycket är riktigt högt kan kompressionsförhållandet på motorn behöva reduceras för att undvika knackningar.
Ett av huvudproblemen med turboladdare är att de inte ger en omedelbar krafthöjning när man trampar på gasen. Det tar en sekund för turbinen att få fart innan boost produceras. Detta resulterar i en känsla av eftersläpning när du trampar på gasen, och sedan kastar bilen sig framåt när turbon kommer i rörelse.
Ett sätt att minska turbofördröjningen är att minska trögheten av de roterande delarna, främst genom att minska deras vikt. Detta gör att turbinen och kompressorn kan accelerera snabbt och börja ge en boost tidigare. Ett säkert sätt att minska trögheten i turbinen och kompressorn är att göra turboladdaren mindre. En liten turboladdare kommer att ge boost snabbare och vid lägre motorvarvtal, men kanske inte kan ge mycket boost vid högre motorvarvtal när en riktigt stor volym luft kommer in i motorn. Den riskerar också att snurra för snabbt vid högre motorvarvtal, när mycket avgaser passerar genom turbinen.
De flesta bilturboladdare har en wastegate , som tillåter användning av en mindre turboladdare för att minska eftersläpningen samtidigt som den förhindrar att den snurrar för snabbt vid höga motorvarvtal. Wastegate är en ventil som gör att avgaserna kan passera turbinbladen. Wastegate känner av laddtrycket. Om trycket blir för högt kan det vara en indikator på att turbinen snurrar för snabbt, så wastegate går förbi en del av avgaserna runt turbinbladen, vilket gör att bladen kan sakta ner.
Vissa turboladdare använder kullager istället för vätskelager för att stödja turbinaxeln. Men det här är inte dina vanliga kullager -- de är superexakta lager gjorda av avancerade material för att hantera turboladdarens hastigheter och temperaturer. De låter turbinaxeln snurra med mindre friktion än vätskelagren som används i de flesta turboladdare. De tillåter också att ett lite mindre, lättare skaft kan användas. Detta hjälper turboladdaren att accelerera snabbare, vilket ytterligare minskar turbofördröjningen.
Keramiska turbinblad är lättare än stålbladen som används i de flesta turboladdare. Återigen gör detta att turbinen kan snurra upp i hastighet snabbare, vilket minskar turbofördröjningen.
Vissa motorer använder två turboladdare av olika storlekar. Den mindre snurrar upp till hastighet mycket snabbt, vilket minskar fördröjningen, medan den större tar över vid högre motorvarvtal för att ge mer boost.
När luft komprimeras värms den upp; och när luften värms upp expanderar den. Så en del av tryckökningen från en turboladdare är resultatet av att luften värms upp innan den går in i motorn. För att öka motorns kraft är målet att få in fler luftmolekyler i cylindern, inte nödvändigtvis mer lufttryck.
En intercooler eller laddluftkylare är en extra komponent som ser ut ungefär som en kylare, förutom att luft passerar såväl insidan som utsidan av intercoolern. Insugningsluften passerar genom tätade passager inuti kylaren, medan svalare luft utifrån blåses över flänsarna av motorns kylfläkt.
Intercoolern ökar motorns kraft ytterligare genom att kyla den trycksatta luften som kommer ut ur kompressorn innan den går in i motorn. Det betyder att om turboladdaren arbetar med en boost på 7 psi, kommer det mellankylda systemet att lägga in 7 psi svalare luft, som är tätare och innehåller fler luftmolekyler än varmare luft.
En turboladdare hjälper också på höga höjder , där luften är mindre tät. Normala motorer kommer att uppleva minskad effekt på höga höjder eftersom för varje kolvslag kommer motorn att få en mindre luftmassa. En turboladdad motor kan också ha reducerad effekt, men minskningen blir mindre dramatisk eftersom den tunnare luften är lättare för turboladdaren att pumpa.
Äldre bilar med förgasare ökar automatiskt bränslehastigheten för att matcha det ökade luftflödet som går in i cylindrarna. Moderna bilar med bränsleinsprutning kommer också att göra detta till en viss grad. Bränsleinsprutningssystemet är beroende av syresensorer i avgaserna för att avgöra om luft-till-bränsle-förhållandet är korrekt, så dessa system kommer automatiskt att öka bränsleflödet om en turbo läggs till.
Om en turboladdare med för mycket förstärkning läggs till en bränsleinsprutad bil, kan det hända att systemet inte ger tillräckligt med bränsle - antingen tillåter inte programvaran som är programmerad i styrenheten det, eller så kan inte pumpen och injektorerna förse det. I det här fallet måste andra modifieringar göras för att få maximal nytta av turboladdaren.
Ursprungligen publicerad:4 december 2000
