Gebruik turbo en u bereikt uw bestemming sneller en zuiniger.

Technisch Eindwerk

De Turbo Jonas Van den Bempt

Jonas Van den Bempt 2 HEXP Autotechniek 2012-2013 Technicum Noord-Antwerpen

2

Inleiding

Ik ben Jonas Van den Bempt, student van het 2de jaar Auto-expertise, voor het vak Autotechniek maak ik een eindwerk over een technisch onderwerp. Ik heb het onderwerp turbo gekozen. Ik heb dit onderwerp gekozen omdat het opvoeren van het motorvermogen (motortuning) en de racewereld mij interesseert. In het begin van dit schooljaar wist ik nog niet veel over turbo’s, maar naderhand meer en meer over turbo’s te lezen wordt het duidelijker. Met een eindwerk te maken leer je goed bij. Dit eindwerk zal vooral over de techniek van de turbo gaan.

Wat tegenwoordig belangrijk is volgens de emissie normen opgesteld door Europa is dat men kleinere motoren met een lagere uitstoot wil. Met de toepassing van een turbo in de motor is het mogelijk om met kleinere motoren toch een hoger vermogen te bekomen, daarbij wordt met de turbo de uitstoot van de wagen verlaagd. De uitlaatgassen worden herbruikt, dus hier bij deze methode wordt gebruik gemaakt van hernieuwbare energie.

In dit eindwerk zal worden toegelicht:

• De geschiedenis en evolutie van de turbo • De werking van de turbo • De verschillende turbo types • Verschil tussen toepassing van turbo op benzine en diesel motoren • De schadegevallen van de turbo • De voor –en nadelen van de turbo • Drukvulling • Turbo’s toegepast op schepen • De lagers • Basisbegrippen uit de techniek • Verlagen van de uitstoot

3

Inhoudsopgave Inleiding ................................................................................................................................................... 2

1 Geschiedenis en evolutie van de turbo ........................................................................................... 5

2 De techniek ...................................................................................................................................... 7

2.1.1 Vermogen ........................................................................................................................ 7

2.1.2 Koppel ............................................................................................................................ 10

2.1.3 Basisprincipe van een motor ......................................................................................... 14

2.2 Het kringproces van een motor ............................................................................................. 16

2.3 Drukvulling ............................................................................................................................. 17

2.3.1 Pulsdrukvulling .............................................................................................................. 17

2.3.2 Mechanische drukvulling ............................................................................................... 17

2.3.3 Register drukvulling ....................................................................................................... 18

2.3.4 Uitlaatgasdrukvulling ..................................................................................................... 19

2.4 Een motor zonder turbo omvormen tot een turbo-motor ................................................... 19

2.5 Werking van de turbo ............................................................................................................ 22

2.6 Voor – en Nadelen van een turbo ......................................................................................... 24

2.7 Opbouw en onderdelen nader bekeken ............................................................................... 27

2.7.1 De compressor ............................................................................................................... 27

2.7.2 Het Binnenwerk ............................................................................................................. 28

2.7.3 De turbine ...................................................................................................................... 30

2.7.4 Extra onderdelen ........................................................................................................... 31

2.8 Ontwikkeling door de jaren heen .......................................................................................... 34

2.8.1 Turbo-elektronica .......................................................................................................... 35

2.8.2 Variabele turbinetechniek ............................................................................................. 35

2.9 Schade aan een turbo ............................................................................................................ 39

2.9.1 Wel of niet vervangen? ................................................................................................. 39

2.9.2 Achterhalen van de oorzaak .......................................................................................... 40

2.9.3 Wat kunnen oorzaken zijn van schade aan een turbo? ................................................ 40

2.10 Turboschade analyse ............................................................................................................. 50

2.10.1 Problemen en oplossingen ............................................................................................ 50

2.10.2 Samenvatting storingsdiagnose turbo........................................................................... 56

2.11 In de werkplaats .................................................................................................................... 59

2.12 Interessante weetjes ............................................................................................................. 62

2.12.1 Een aantal bekende turbofabrikanten: ......................................................................... 63

4

3 Bronvermelding ............................................................................................................................. 64

5

1 Geschiedenis en evolutie van de turbo

De turbo klinkt bekend in de oren, we kennen het van de Porsche 911 Turbo, de TDI’s (turbo diesel injection), enzovoort. De turbo bestaat al een eeuw, ongeveer net zo lang als de verbrandingsmotor. In 1885 en 1896 onderzochten Gottleib Daimler1 en Rudolf Diesel2 de mogelijkheden om het vermogen van de motor te verhogen en het brandstofverbruik te verminderen door gecomprimeerde lucht in de motor te brengen, toen waren deze technici daar al met bezig.

Echter was het de Zwitser Alfred J Büchli die de doorbraak gaf in 1905, hij voerde het principe van de uitlaatgascompressor of –turbo in. Hiermee bereikte hij een vermogenswinst van 40 % voor de motor en vervolgens werd de turbo officieel geïntroduceerd in de auto-industrie.

In het begin, in de jonge jaren van de turbo werd de turbo enkel toegepast op grote scheepsmotoren. Pas in 1938 werd de eerste turbomotor voor het eerst op een vrachtwagen toegepast geproduceerd door de fabrikant Swiss Machine Works Sauer. In 1961 introduceerde de Zweedse truckfabrikant Scania de eerste standaard ingebouwde turbomotor. Wat een grote stap was, want bij de andere merken was de turbo nog onbetrouwbaar gebleken. Een jaar later werden de turbo’s ook gemonteerd voor personenwagens. Ondanks hun toenmalige onbetrouwbaarheid werden ze echter snel van de markt gehaald. De turbo was nog niet klaar. Dit bleek ook wanneer de jonge turbo terug in de revisie ging toen Chevrolet Corvair Monza en de Oldsmobile Jetfire in 1962 hem als eerste op de Amerikaanse markt brachten en direct ook weer verdwenen omdat de motor niet betrouwbaar was.

De turbo kende zijn doorbraak in de Formule 1, in de jaren ‘70 werd de turbo toegepast in de racewereld bij de Formule 1 wagens. Waardoor de term ‘turbo’ bekend werd in de volksmond. Autofabrikanten speelden hierop in door een turbo toe te passen op hun topmodellen, waardoor deze nog populairder waren en beter verkochten. Toch was er iets te vroeg gejuicht, want de eerste commerciële waren nog niet op hun toppunt, ze waren niet zuinig, ze verbruikten nogal veel. Bovendien ervaarden veel automobilisten ‘het turbogat’ (de korte vertraging bij het gas geven, de turbo moet nog op gang komen) te groot. Het optimaal punt was nog niet bereikt van de turbo, de ontwikkeling moest verder worden gezet.

Bij de Formule 1 wagens van toen (jaren zeventig) bevorderde de turbo de prestaties van de wagens, wat belangrijk is als je wil winnen, je moet een snelle wagen en een snelle piloot hebben.

Het jaar 1973 was een belangrijk moment voor de turbomotor voor trucks. Vanaf toen begon de turbo een opmars die voortduurt tot op de dag van vandaag. Er wordt alsmaar meer en meer aandacht besteed aan de uitstoot van de voertuigen, rond de eind jaren tachtig was dit ook al het geval. Omdat een turbo een aantal voordelen heeft zoals een zuiniger verbruik en een betere

1 Gottleib Daimler was ingenieur gespecialiseerd in werktuigbouwkunde, hij was een hoofdrolspeler in de ontwikkeling van de benzinemotor ook stond hij in voor de uitvinding van de verbrandingsmotor en de vierwielige auto. Deze kreeg een patent op 24 april, 1860. 2 Rudolf Diesel was ingenieur gespecialiseerd in werktuigbouwkunde, hij was de uitvinder van de Diesel motor. Het patent op deze diesel motor werd bekomen op 9 augustus, 1898.

6

verbranding, in principe is een turbo een soort van uitlaatgasrecirculatie systeem dat er voor zorgt dat deze energie nuttig gebruikt wordt.

Het toenemende milieubewustzijn zorgde ervoor dat er veel vrachtwagens (trucks) met een turbomotor werden uitgevoerd. Het is zelfs zo dat vandaag praktisch alle vrachtwagens met een turbo zijn uitgevoerd.

De doorbraak van de turbo toegepast op personenwagens was in het jaar 1978, Mercedes-Benz introduceerde hun model 300 TD met een turbodiesel. Daarop volgde de Volkswagen Golf enkele jaren later (1981), die ook een turbo bevatte, specifieker was het een Volkswagen Golf TDI, één van de eerste turbodiesel motoren. Dit was een belangrijke gebeurtenis, want voor het eerst leverde een (turbo)diesel motor ongeveer evenveel vermogen als een benzine motor zonder turbo uiteraard. Dit maakte de diesel motoren populairder en waarbij nog eens een voordeel bijkwam dat de uitstoot van schadelijke stoffen lager was.

Tegenwoordig wordt een turbo niet alleen gemonteerd om vermogenswinst te bereiken. De aandachtspunten zijn nu de besparingen op brandstofverbruik en het verminderen van de CO2-uitstoot. Vandaag de dag kun je voor praktisch elke motor een turbocharger kopen. Dankzij het gebruik van duurzaam materiaal, hoeft de turbo slechts na een aantal jaar gereviseerd te worden, dit is altijd aan te raden voor het beste resultaat te bekomen.

Figuur 1 Mercedes 3.0 liter Turbo Diesel

7

2 De techniek

De turbo is een bijzonder stukje techniek waar ik u graag iets meer over vertel. Elke motor levert een bepaald vermogen. In een verbrandingsmotor wordt dit vermogen verkregen via mengsel van brandstof, zuurstof, en de nodige ontbrandingstemperatuur. Door elk van deze drie factoren te veranderen kan het vermogen van de wagen bepaald worden. Willen we meer vermogen dan zal er meer brandstof en zuurstof moeten worden aangevoerd.

Door de cilinderinhoud te vergroten kan er ook meer brandstof worden ingespoten en bekomt men een rijker mengsel, wat ten goede is voor de motor prestaties. Daarbij zorgt een grotere cilinderinhoud ervoor dat de motor groter, zwaarder en duurder wordt. Het hogere brandstof verbruik met een grotere motorinhoud en de daaruit volgende hogere kosten van productie is vandaag de dag niet meer wenselijk gezien de strenge emissie-normen. De turbo biedt de oplossing voor dit dilemma.

2.1.1 Vermogen

We weten dat elke motor een bepaald vermogen levert, dit is het vermogen van een motor om een bepaalde hoeveelheid arbeid te kunnen verrichten ook genoemd, het motorvermogen. Het vermogen van een auto wordt uitgedrukt in kW (kilowatt). Dit vermogen is belangrijk om een aantal weerstanden te overwinnen zoals de rolweerstand, de helling weerstand, de luchtweerstand en de versnellingsweerstand (bij het versnellen van het voertuig moet er extra vermogen voorzien worden). Dus hoe meer vermogen er ter beschikking is hoe beter de verplaatsing kan gebeuren. In een verbrandingsmotor wordt dit vermogen geleverd door een combinatie van brandstof, zuurstof (het lucht-brandstof mengsel) en de ontbrandingstemperatuur. Bij het aanpassen en het optimaliseren van deze drie aspecten wordt het motorvermogen veranderd, bepaald.

Als we het motorvermogen willen opvoeren, bij een gelijkblijvende temperatuur, dan er zal meer zuurstof en meer brandstof moeten worden aangevoerd. Dat vraagt om meer cilinderinhoud waardoor de motor groter zal worden, ook zwaarder en duurder zal worden. Natuurlijk zijn er nog andere manieren. Een andere manier is het verhogen van de snelheid van aanvoer van lucht en brandstof, dus de aanzuigsnelheid van de lucht verhogen en de inspuitsnelheid van de brandstof verhogen. Hierdoor neemt het toerental toe, wel heeft dit als nadeel dat de motoronderdelen sneller slijten.

Onder druk uitgeoefend door de Europese en Amerikaanse wetgeving moeten motoren zuiniger en schoner werken. Het verbruik van de wagen, de prestaties worden sterk beïnvloedt door het gewicht van een auto. Een toename van de massa met 50 kg heeft grofweg een toename van 3% van het brandstofverbruik tot gevolg. Het is dus interessant voor de autofabrikanten en voor de consument om het gewicht van de wagen zo laag mogelijk te houden.

2.1.1.1 Formules van het vermogen van een verbrandingsmotor Het vermogen dat een verbrandingsmotor kan leveren wordt bepaald door de hoeveelheid arbeid dat de motor kan leveren binnen een bepaalde tijd. Men spreekt van arbeid als een bepaalde kracht een bepaalde verplaatsing tot gevolg heeft.

Enkele algemene formules:

8

Vermogen= ArbeidTijd

𝑃 = 𝑊𝑡

Arbeid = kracht × afgelegde weg W = F × S

Kracht = druk × oppervlakte F = p × A

Dus de formule voor vermogen is P = (p × A) × st

Nu we dit weten kunnen we aan de hand van deze formules, de specifieke formules opstellen voor de berekening van het effectief vermogen van een verbrandingsmotor met het vier takt principe.

𝑃𝑒 = (𝑝𝑒𝑓𝑓 × 𝐴𝑧) × 𝑠

(2 × 1𝑛)

× 𝑖

Hierbij is:

Pe = effectief vermogen (W) peff = gemiddelde effectieve zuigerdruk (N/m2)

Az = oppervlakte van de zuiger (m2) (𝜋 ×𝑑)

s = afgelegde zuigerweg (m) i = aantal cilinders n = toerental (1/s) Opmerking: De “2” onder de breukstreep in de formule van het effectief vermogen hoort erbij omdat de vierslag-motor maar één keer per twee toeren arbeid levert. Men kan de oppervlakte van de zuiger x de afgelegde zuigerweg ook als het slagvolume verwoorden. Dan is: Vs = Az × s De vereenvoudigde formule wordt dan:

𝑃𝑒 = 𝑝𝑒𝑓𝑓 × 𝑉𝑠 × 𝑛 × 𝑖

2

Als men een motor wil ontwerpen met een groot effectief vermogen is het nuttig een aantal parameters te verhogen. Zoals de drie parameters: gemiddelde effectieve zuigerdruk (peff), het slagvolume (Vs) en het toerental (n) uit bovenstaande formule.

Het toerental (n) of rotatie-frequentie van een motor kan echter niet oneindig veel worden verhoogd. Voor al deze parameters zijn er bepaalde grenzen. Als we het toerental te veel opvoeren, kan er schade ontstaan aan de draaiende onderdelen wegens een te hoge belasting. De massakrachten op de zuiger en drijfwerk (drijfstang, krukas, …) zijn recht evenredig met het kwadraat van het motortoerental. Waardoor deze krachten zeer hoog oplopen wanneer het toerental wordt verhoogd. Dit zorgt voor meer slijtage van de onderdelen van de motor, dat leidt tot een kortere motorlevensduur en de motor wordt luidruchtiger. Het brandstofverbruik en de uitlaatgasemissies worden hoger. In de racewereld past men het principe van het toerental verhogen toe tot op de

9

maximale grens van wat mechanisch mogelijk is. In de racerij is het van groot belang dat de wagen snel is en het maakt niet veel uit hoeveel de wagen verbruikt, maar voor de gewone personen- en bedrijfswagens is het verbruik, slijtage, emissies, … van groot belang.

De grens van het slagvolume (Vs) wordt bepaald door de beschikbare inbouwruimte in de motor. Bovendien zijn grotere motoren duurder en zwaarder.

De gemiddelde effectieve zuigerdruk (peff) wordt bepaald door de vullingsgraad, de compressieverhouding van de motor en het verloop van het verbrandingsproces. Hier heeft de vullingsgraad de belangrijkste rol. Hoe hoger de vullingsgraad, hoe hoger de gemiddelde effectieve zuigerdruk is.

Wat is de vullingsgraad?

De vullingsgraad is de verhouding tussen de massa inlaatlucht (mc) die zich na de vulling werkelijk in de cilinder bevindt vergeleken met de theoretische massa lucht (mth) die zich in de cilinder zou bevinden onder standaard omstandigheden. Onder standaard omstandigheden verstaat men een normale atmosferische druk en een temperatuur van 20°C

De formule voor de vullingsgraad is:

λv = mcmth

x 100

Bij een atmosferische motor bedraagt de vullingsgraad van de cilinders ongeveer 65% tot 85 %. Door de stromingsweerstand die de inlaatlucht ondervindt door onder andere de luchtfilter, inlaatkanalen en inlaatkleppen is er een verlies van vullingsgraad. Er zijn ook speciale luchtfilters, variabele klep-timing (de kleppen goed op elkaar instellen zodat ze op het perfecte moment openen en sluiten, dit zorgt ervoor dat er op het juiste moment brandstof kan worden ingespoten) en speciaal gevormde aanzuigbuizen, enz. Deze constructies of onderdelen beïnvloeden de vullingsgraad in postieve zin. De meest nuttige en effectieve manier om de vullingsgraad te verhogen is drukvulling. Bij een motor met drukvulling kan de vullingsgraad zelfs tot over de 100% stijgen. Dit wil dus zeggen dat een turbo een hogere gemiddelde effectieve zuigerdruk (peff) heeft, dit geeft ook een hoger vermogen als resultaat. Er is meer vulling in de cilinders waardoor er ook meer brandstof kan worden ingespoten, dus er is meer vermogen ter beschikking. De grens van de gemiddelde effectieve zuigerdruk (peff) bestaat. Deze wordt bepaald door de toelaatbare thermische en mechanische belasting op de zuigers, drijfstang, krukas, nokkenas, … (het aandrijfwerk).

Het motorvermogen klinkt bij de meeste mensen het bekendste in de oren. Het motorvermogen komen we te weten door het motorkoppel te vermenigvuldigen met het motortoerental. Het vermogen is hoeveel maal het koppel per seconde geleverd kan worden. De eenheid voor vermogen is dan ook Nm/s of Watt. De formule voor vermogen is: P = M × ω

P = het vermogen in Nm/s of Watt M = het koppel in Nm ω (omega) = de hoeksnelheid, deze is gelijk aan: 2 × π × n waarin n gelijk is aan het toerental/de omwentelingssnelheid in omw/s of t/min.

De formule wordt dan: P = M × (2 × π × n)

10

Hier geef ik een voorbeeld:

Gegeven: Koppel motor 80 Nm

Toerental waarbij dit koppel wordt bereikt: 30 omw/sec. (1800 t/min.)

Gevraagd: Het motorvermogen bij het gegeven toerental.

Oplossing: Het geleverde vermogen bij 1800 t/min bedraagt:

P = 80 Nm x 2 x 3,14 x 30 omw/sec of Hz = 15072 Watt of 15 kW.

Eenheden 1 Watt

=

0,001 kW 1 kW 1000 Watt 1 kg 10 Newton

(of 9,8066) 1 N 0,10 kg 1 bar 100000 of

105 Pascal

Voorbeeld van zuigerkracht:

De zuiger zal tijdens de arbeidsslag met een bepaalde kracht naar beneden worden gedrukt. Deze kracht wordt de zuigerkracht genoemd. De grootte van de zuigerkracht kan als volgt worden berekend: Fz = p × A Fz = zuigerkracht in newton (in N) p = druk boven de zuiger in Pascal (N/m2) A = oppervlak van de zuiger (m2) Gegeven: - de druk boven de zuiger bedraagt 5000000 Pascal - het oppervlak van de zuiger is 0.0044 m2 De zuigerkracht Fz bedraagt: Fz = 5000000 x 0.0044 Fz = 22000.0 N

2.1.2 Koppel

Vermogen is de hoeveelheid energie die per seconde aangeleverd kan worden. Koppel is hetzelfde als moment en bepaald hoeveel kracht je op de wielen over kunt brengen. Je kunt nog zoveel vermogen hebben in een motor maar als deze niet overgebracht wordt naar de wielen dan heb je er nog niets aan. Motoren hebben bij een bepaald toerental een maximaal koppel. Dit maximaal koppel

11

bereikt de motor bij een toerental dat ongeveer in het midden ligt (bv.: bij een motor die 7000 toeren per minuut maximum kan ligt het maximum koppel op 3500 toeren per minuut). Bij dit toerental is de energieoverdracht op de as(sen) het meest efficiënt en zal de wagen dus ook het zuinigst rijden. De motor bereikt het maximaal vermogen bij het maximum toerental die de wagen kan behalen, dus bij het voorbeeld zal dit rond de 7000 toeren per minuut liggen.

Op de volgende figuur ziet u een voorbeeld van het vermogens- en koppelverloop van de Mercedes SL500 en de Volkswagen New Beetle 1.8 Turbo.

Figuur 2 De vermogens - en koppelgrafiek van de Mercedes SL500 (links) vergeleken met de VW New Beetle 1.8 Turbo (rechts)

Nu gaan we het verband bekijken in formulevorm tussen vermogen en koppel (de trekkracht van de motor).

𝑃𝑒 = 𝑀𝑒 × 2 × 𝜋 × 𝑛 Pe = effectief vermogen (in Watt) Me = effectief koppel (in Nm) n = motortoerental (omw/s of t/min) Verder wordt de formule:

𝑝𝑒𝑓𝑓 × 𝑉𝑠 × 𝑛 × 𝑖2

= 𝑀𝑒 × 2 × 𝜋 × 𝑛

Vereenvoudigd wordt het:

𝑀𝑒 = 𝑝𝑒𝑓𝑓 × 𝑉𝑠 × 𝑖

2

Theoretisch is het koppel dus onafhankelijk van het motortoerental en enkel afhankelijk van, dus wordt bepaald door de gemiddelde effectieve zuigerdruk (peff). Deze zuigerdruk wordt bepaald door de vullingsgraad. Het koppel is ook afhankelijk van het slagvolume.

12

Op de volgende figuur ziet u een vermogen en koppel vergelijking. Dit is een vergelijking van zowel een turbo diesel, turbo benzine als atmosferische benzine motor. Als basis voor de turbo diesel werd een 2.0 L4 motor gebruikt, voor de turbo benzine een 2.0 L4 en voor de atmosferische benzine een 2.4 L5 (allen gemeten waarden, niet diegene opgegeven door de fabrikant). Alle vermogens werden dan geschaald naar 136 pk (100 kW) en het koppel werd op dat nieuwe vermogen berekend. Zoals te zien is op de grafiek heeft en bereikt een turbo aangedreven motor sneller een hoog vermogen en koppel.

Figuur 3 Vermogen en koppel vergelijking

Het vermogen blijft bij een dalend koppel toch stijgen, dit komt doordat de toerental-toename sterker is dan de vullingsgraad-afname. Boven een bepaald toerental daalt het vermogen ook, op dat moment neemt de vullingsgraad sterk af. De turbolader zorgt voor een vergroting van de gemiddelde effectieve zuigerdruk en daarmee vergroot dus ook het motorkoppel ofwel de trekkracht. Het werkgebied voor de motor ligt tussen het toerental waarbij het maximum koppel en het toerental waarbij het maximum vermogen wordt bereikt. Met een juiste combinatie van turbolader en motor kan de koppelkarakteristiek zo verlopen zoals het voor de betreffende toepassing gewenst is.

13

Er bestaat ook nog een andere formule voor het motorkoppel van een verbrandingsmotor te weten. Deze formule is: 𝑀 = 𝐹𝑡 × 𝑟 M = motorkoppel (in Nm) Ft = de trekkracht van de motor (in N) r = krukstraal (in m of cm)

Het motorkoppel kan worden beschouwd als de kracht waarmee de motor ronddraait. De kracht F op de zuigerpen, veroorzaakt door de verbrandingsdruk p, wordt uiteindelijk uitgeoefend (op de krukas die via de drijfstang die wordt aangedreven door de zuiger) op de krukstraal r waardoor een koppel M ontstaat.

Figuur 4 De verbrandingsdruk p op de zuiger geeft via de zuigerpen een kracht op de drijfstang. De kracht op de drijfstang geeft op zijn beurt een kracht op de kruktap, de zgn. tangentiaalkracht (Ft). Het koppel Ft x r wat daar een gevolg van is wordt uitgedrukt in Nm.

14

2.1.3 Basisprincipe van een motor

De werking van een motor berust op het 4 takt principe, dit bevat de 4 slagen:

• Inlaat • Compressie • Arbeid • Uitlaat

Hier zal ik de theoretische werking van de vierslagbenzinemotor verder uitleggen. De werking van een vierslagmotor bestaat uit 4 takten of slagen. Deze zijn: de inlaatslag, de compressieslag, de arbeidslag en de uitlaatslag. Bij een vierslagmotor vindt er een gescheiden, dus gesloten gaswisselingsproces plaats. Voor één volledig arbeidsproces zijn er vier zuigerslagen. Dat wordt gerealiseerd door de krukas twee omwentelingen (720°) te laten maken.

Figuur 5 Verloop van het 4-takt proces

De inlaatslag

Dit is de eerste slag, hier wordt de lucht aangezogen of een mengsel van lucht en brandstof. De zuiger begint op het BDP(bovenste dode punt). Als de inlaatklep opent, beweegt de zuiger van het hoogste punt naar het laagste punt in de cilinder. Anders gezegd gaat de zuiger van het bovenste dode punt (BDP) naar het onderste dode punt (ODP). De zuigerbeweging veroorzaakt een onderdruk in de cilinder zodat een mengsel van lucht en benzine wordt aangezogen. Dit mengsel wordt binnengelaten via de inlaatklep. Een motor waarbij de benzine wordt ingespoten in de verbrandingskamer, zuigt tijdens de inlaatslag enkel lucht aan. Wanneer de zuiger het ODP bereikt, sluit de inlaatklep en dan is de krukas 180° gedraaid. De krukas is via de drijfstang aan de zuiger verbonden.

De compressieslag

Dit is de tweede slag, hier wordt het lucht/brandstof mengsel samengeperst in de cilinder terwijl de inlaatklep en de uitlaatklep gesloten zijn. De zuiger beweegt van het ODP naar BDP, op deze manier wordt het ingespoten mengsel van tijdens de inlaatslag samengeperst of gecomprimeerd in de verbrandingskamer of compressieruimte. Tijdens de compressieslag draait de krukas nogmaals 180°.

De arbeidsslag

Dit is de derde slag, de slag van de arbeid, waaruit de energie voortvloeit. Aan het einde van de compressieslag springt er een vonk over tussen de bougie-elektroden. Dit zorgt ervoor dat het mengsel verbrandt, het mengsel wordt tot ontbranding gebracht. Dit gaat gepaard met een

15

drukstijging, waardoor de zuiger naar beneden wordt gedrukt. Tijdens de arbeidsslag zijn de inlaatklep en de uitlaatklep gesloten en de krukas draait weer 180°C.

De uitlaatslag

Dit is de vierde en de laatste slag van het 4 takt proces, tijdens deze slag worden alle verbrande gassen uitgestoten. Wanneer de uitlaatklep opent, beweegt de zuiger naar boven, van het ODP naar het BDP. Dit zorgt ervoor dat de verbrande gassen of uitlaatgassen worden uitgestoten via de uitlaatklep. De krukas draait opnieuw 180°. Op het moment dat de zuiger het BDP bereikt heeft sluit de uitlaatklep. Ogenblikkelijk begint er opnieuw een inlaatslag, dit is de start van de volgende 4 takt cyclus. Zo’n volledige cyclus van een viertaktmotor duurt dus 720° of twee omwentelingen van de krukas.

Vergelijking van benzine – en dieselmotor gelet op mengselvorming en ontsteking

Bij de benzinemotor vindt de mengselvorming plaats buiten de cilinder, uitgezonderd de direct ingespoten benzinemotor, met deze methode wordt er direct in de cilinder ingespoten. Tijdens de inlaatslag wordt een brandbaar mengsel aangezogen. Dit mengsel wordt daarna gecomprimeerd en ten slotte aangestoken door een bougievonk. Het vermogen van dergelijke motoren wordt geregeld door vermeerdering of vermindering van de cilindervulling. Dit heet: de kwantiteitsregeling, dit is de hoeveelheid brandstof er wordt ingespoten. De verhouding tussen lucht en brandstof bepaald of het een arm of een rijk mengsel is.

Bij de dieselmotor vindt de mengselvorming direct in de cilinder plaats. Een verstuiver spuit dan rond het einde van de compressieslag een hoeveelheid brandstof in de verbrandingsruimte (die op dat moment gewenst in naargelang de rijomstandigheden) waarin de gecomprimeerde lucht zit. Door de hoge temperatuur daarvan ontstaat zelfontbranding/zelfontsteking. Het vermogen van de dieselmotor wordt geregeld door vermeerdering of vermindering van de hoeveelheid in te spuiten brandstof. Dit heet: de kwaliteitsregeling.

Benzinemotor (Ottomotor) Dieselmotor Ontsteking: mengsel met ontstekingskaars Zelfontbranding Homogeen mengsel (mengselvorming in inlaatspruitstuk)

Heterogeen mengsel, (mengselvorming in verbrandingskamer)

Kwantiteitsregeling of hoeveelheidsregeling, (hoeveelheid mengsel is afhankelijk van de stand van de gasklep)

Kwaliteitsregeling (geen gasklep luchtoverschot, mengselverhouding niet gelijk)

Gecontroleerde verbranding

Explosieve verbranding, (door ontstekingsuitstel of delaytime)

Compressieverhouding ε = 9 à 13

ε = 19 à 24

Procescontrole en sturing λ-sonde, klopsensor, …

16

Kloppen of pingelen is puur zelfontbranding in een motor. Wanneer de motor pingelt, wordt de brandstof niet door de bougie ontstoken, maar ontsteekt het op een eerder tijdstip uit zichzelf. In dat geval ontbrandt het mengsel al terwijl de zuiger nog aan het comprimeren is. De zuiger gaat omhoog en de explosie vindt al plaats. De zuigerkracht wordt dan enorm tegengewerkt, wat serieuze motorschades kan creëren (zoals een gat in de zuiger). Pingelen doet zich normaal gezien voor in het lage toerengebied.

De lamba-sonde controleert de samenstelling van lucht en brandstof in de uitlaatgassen (arm of rijk mengsel.

2.2 Het kringproces van een motor 5-1: Inlaatslag 1-2: gasmengsel wordt adiabatisch gecomprimeerd 2-3: gasmengsel wordt isochoor verbrand 3-4: verbrandingsgassen expanderen adiabatisch 4-1: de verbrandingsgassen worden isochoor afgevoerd 1-5: de zuiger beweegt van 1 naar 5

Het geïdealiseerde kringproces zal onder invloed van de drukvulling in de motor op de volgende punten veranderen:

• De verhoging van de vuldruk leidt tot een verhoging van de soortelijke massa van de lucht aanwezig in de cilinder (de vullucht) of een verhoging van de soortelijke massa van het mengsel voor de intrede in de cilinder.

• Bij een gelijkblijvende compressieverhouding zal de compressie einddruk en de compressie eindtemperatuur in de verbrandingsruimte toenemen.

• Bij een gelijkblijvende luchtovermaat kan er meer brandstof per tijdseenheid worden toegevoerd, dit zorgt ervoor dat het oppervlak van de arbeidslus toeneemt.

Figuur 6 P/V diagram van het ideaal Otto-proces

17

2.3 Drukvulling Zoals een mens moet een motor ook ademen. Het motorvermogen kan worden verhoogd door de lucht benodigd voor de verbranding in de motor te comprimeren, dus de lucht wordt samengeperst voor intrede in de motor. Dit wordt bereikt door een deel of alle lucht te comprimeren voordat de lucht in de cilinders worden geblazen voor de verbranding. Deze samengeperste lucht kan op verschillende manieren aangeleverd worden; onder andere door:

• Pulsdrukvulling • Uitlaatgasdrukvulling • Mechanische drukvulling • Registerdrukvulling

Deze methodes noemt men drukvulling. Het motorvermogen kan met drukvulling worden verhoogd, in sommige gevallen zonder de afmetingen van de motor te vergroten en zonder enorm veel tijd en geld aan technische verbeteringen te besteden. Dit kan men bereiken door een vergroting van de vuldruk in de cilinders, wat een snellere oplossing is. Met een gelijk volume van de cilinders is er een grotere massa ter beschikking en daarmee kan er meer brandstof per tijdseenheid worden ingespoten en verbrand. Nog een pluspunt is dat de grotere hoeveelheid lucht de restgassen beter uit de cilinders spoelt en de koeling van de verbrandingsruimte verbetert.

Voor we echt van start kunnen gaan is het interessant even stil te staan bij de types motoren die er bestaan. Deze types zijn enerzijds de vrij aanzuigende of atmosferische motoren (ook wel NA motoren genaamd, van de Engelse benaming normally aspirated). Anderzijds is het andere type genaamd de drukgevulde motoren. Het onderscheid tussen deze 2 verschillende motoren is te vinden in de manier waarop ze hun lucht aanzuigen.

Een atmosferische motor is de gewone motor, degene die in de 19e eeuw is uitgevonden. Hij ademt z’n lucht in zoals wij dat doen. De luchtdruk in de motor is dan ook ongeveer dezelfde als de luchtdruk buiten, daarom wordt het een atmosferische motor genoemd. Daarentegen heeft een drukgevulde motor een extra middeltje in z’n inlaat om meer lucht in te blazen dan hij normaal zou kunnen. Dit is een soort versterker. Men kan het vergelijken met het zetten van een blazer op de mond van een persoon. De blazer duwt een hoop extra lucht binnen. Bij een drukgevulde motor is de luchtdruk in de motor dan ook groter dan de luchtdruk in de omgeving.

2.3.1 Pulsdrukvulling

Bij pulsdrukvulling wordt het benodigde drukvermogen verkregen via de uitlaatgassen, hierbij hoort een mechanische aandrijving tussen de motor en de drukvulling. Deze methode is tegenwoordig niet meer populair, het wordt echter weinig meer toegepast.

2.3.2 Mechanische drukvulling

Bij de mechanische drukvulling komt het gewenste, benodigde drukvermogen van de krukas. Dit is de mechanische verbinding tussen de motor en de drukvulling. Mechanische drukvullers zijn compressoren. Er bestaan twéé verschillinde types mechanische drukvulling: zonder en met inwendige compressie. Men onderscheidt verschillende types zoals:

18

Spiraalcompressor

Ook wel ‘G-Lader’ genoemd, hij ziet er als de letter ‘G’ uit. Dit is een voorbeeld van een compressor die gebruik maakt van inwendige compressie. In het verleden heeft onder andere Volkswagen dit type compressor gebruikt. Hedendaags is de productie van de G-Lader of Spiraalcompressor gestopt wegens te hoge (productie)kosten.

Roots-compressor

Dit is één van de meest gebruikte compressoren zonder inwendige compressie. De naam is te danken aan de gebroeders Roots, die de Roots-compressor hebben uitgevonden. Dit type compressor is verder ontwikkeld door Mercedes. Het fungeert als een pomp. Als de compressor meer lucht geeft of levert dan de motor zelf kan aanzuigen, ontstaat er een overdruk in de inlaat.

Slagzuiger-compressor

De slagzuiger-compressoren werken volgens het principe van een zuigerpomp. Hiermee wordt er een grote compressie bereikt, maar dit type neemt veel plaats in. Er is dus wel een grote ruimte voor nodig. Om die reden wordt er tegenwoordig nauwelijks of geen gebruik van gemaakt.

Centrifugaal-compressor

Centrifugaal-compressoren werken als een centrifugaal-ventilator. De lucht stroomt axiaal op het rotorwiel toe, wordt door de tijdens de rotatie ontstane centrifugale kracht naar buiten geduwd, daarbij gecomprimeerd en stroomt dan radiaal weer weg.

Draaizuiger-compressor

Bij de draaizuiger-compressor is een aangedreven rotor aanwezig, die in een eveneens draaiende cilindrische buitenrotor draait. De buitenrotor heeft drie zuigerelementen, zodat door de zo ontstane drie kamers een voortdurend aanzuigen, comprimeren en naar buiten duwen van lucht ontstaat.

Schottenpomp-compressor

In een huis roteren drie schotten, die worden aangedreven door een excentrisch gelagerde rotor. De rotatie zorgt ervoor, dat lucht van de inlaat naar de uitlaat wordt getransporteerd. De excentriciteit zorgt ervoor dat de lucht wordt gecomprimeerd, aangezien tijdens het ronddraaien het volume van de ruimte kleiner wordt.

2.3.3 Register drukvulling

Het opvoeren van het motorvermogen door middel van 2 turbo’s toe te passen van verschillende grootte. Dit gebeurt door een kleine en een grote turbo te gebruiken. Waarbij de kleine turbo gebruikt wordt bij de lage toerentallen om de motor in gang te brengen en daaruit volgt dat de wagen in gang wordt gebracht. De grote turbo dient voor nog meer lucht aan te brengen in de cilinders en wordt ingeschakeld bij hogere toerentallen.

19

2.3.4 Uitlaatgasdrukvulling

Figuur 7 Voorbeeld van een uitlaatgasturbo

Turbo’s met uitlaatgasdrukvulling werken volgens het principe van constante druk. Hierbij wordt de lucht voorgecomprimeerd alvorens het in de cilinder aangezogen wordt, dit gebeurd aan de hand van de invoer van de uitlaatgassen. De uitlaatgasturbo wordt via een turbinewiel aangedreven door de naar buiten stromende uitlaatgassen. Deze turbine wordt in gang gebracht door de energie die aanwezig is in de uitlaatgassen. Hoe meer energie er is in de uitlaatgassen, hoe meer toeren de turbine maakt, en hoe meer kracht er wordt ontwikkeld.

2.4 Een motor zonder turbo omvormen tot een turbo-motor De fundamentele verschillen tussen een atmosferische en een turbo-motor zijn: de compressieverhouding, nokkenas profielen, tanken, ontstekingstijdstip, het type zuigers en de kracht van een deel van de draaiende delen. Dus er ontstaan hogere gaskrachten, hogere eindcompressiedrukken, hogere piekdrukken tijdens de verbranding en de temperatuur in de motor stijgt. Kort gezegd is de turbo-motor mechanisch en thermisch zwaarder belast, de motor zal hiertegen bestand moeten zijn. Daarom is het meestal nodig om extra constructieve voorzieningen te plaatsen in functie van de warmteafvoer, afdichting en smering.

Om een atmosferische motor om te vormen tot een turbo-motor moeten er een groot aantal wijzigen aan de motor worden gedaan om de motor effectief goed te laten werken:

1. Fabricage van zowel de inlaat- en uitlaatspruitstukken die voor de specifieke toepassing past. 2. De compressieverhouding van de motor moet worden gecontroleerd en waar nodig

verlaagd, meestal gaat het tussen de 7.5:1 en 8.5:1 liggen. Dit geeft een aanzienlijke vullingsdruk. Dit kan op drie manieren gebeuren bij voorkeur montage van valse lage druk zuigers bewerking de top van de standaard zuigers of het aanbrengen van een dikkere pakking of afstandsplaat.

20

3. De nokkenas-specificatie moet ook worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de duur en de klep overlap niet te groot is voor de toepassing. Idealiter zou dit een nokkenas van milde duur en overlap te zijn. Eén die snel is in het openen en sluiten van kleppen.

4. Het brandstofsysteem dat wil zeggen injectoren, brandstofpomp, druk goed afstellen, het ontsteking systeem moet worden aangepast aan de toegenomen eisen van de turbo. Het ontstekingstijdstip moet worden vertraagd als de turbodruk stijgt.

5. Om de grotere gaskrachten op te nemen zijn deze modificatie ook belangrijk: versterkte zuigers, versterkte zuigerpennen, aangepaste afdichtingen en segmenten voor minder lekverliezen, lagers van betere kwaliteit, een speciale warmtebehandeling van de krukas, versterkte en kwalitatief betere cilinderkopbouten, sterkere cilinderkoppakking.

6. Om de hogere temperaturen aan te kunnen zijn deze modificatie ook belangrijk: koeling aan de onderzijde van de zuigers d.m.v. oliesproeiers, hittebestendige uitlaatkleppen en een groter contactoppervlak met de cilinderkop voor een betere warmte-afvoer, beter hittebestendig materiaal voor het uitlaatspruitstuk en de bevestiging ervan, betere motorkoeling door een grotere of betere radiator te plaatsen en eventueel een extra oliekoeler.

7. In sommige gevallen moet het wrijvingsoppervlak van de koppeling groter worden, doordat het over te dragen koppel met een turbo hoger is van de motor naar de versnellingsbak.

8. Volgende gegevens hebben we nodig om de juiste turbo te installeren: a) Cilinderinhoud b) Maximale toerental c) Manier van gebruik dit wil zeggen: openbare weg, race, … etc. d) Voorspelde vermogen en koppel eisen e) De nodige drukeisen f) Intercooler nodig of niet?

Zoals vermeld moet de compressieverhouding aangepast worden bij benzinemotoren. Omdat bij deze motoren geen oncontroleerbare verbranding mag plaatsvinden, de detonatiegrens mag juist niet worden bereikt. Door de hogere eindcompressiedruk zal de detonatiegrens toch bereikt of overschreden worden. Hier is een oplossing voor. De geometrische compressieverhouding verlagen zodat de effectieve compressieverhouding en de eindcompressiedruk verlaagt, zo is er geen gevaar voor detonatie. Bij diesel motoren vormt dit geen probleem.

Formule van de geometrische compressieverhoudng:

𝜀 = 𝑉𝑠+𝑉𝑐𝑉𝑐

Vs = slagvolume en Vc = volume verbrandingsruimte

Formule van de effectieve compressieverhouding:

𝜀 = 𝑉𝑠"+𝑉𝑐𝑉𝑐

Vs” = effectief slagvolume (als de inlaatklep sluit)

Wet van Poisson:

𝑝1 × 𝑉1𝑛 = 𝑝2 × 𝑉2𝑛 p1 = begincompressiedruk p2 = eindcompressiedruk V1 = beginvolume V2 = eindvolume

21

Verder uitgewerkt wordt de formule: 𝑝1 × (𝑉𝑠 + 𝑉𝑐)𝑛 = 𝑝2 × (𝑉𝑐)𝑛

Dit is gelijk aan: 𝜀 = 𝑉𝑠"+𝑉𝑐𝑉𝑐

= �𝑝2𝑝1�1/𝑛

Voorbeeld:

Gegeven: De eindcompressiedruk (p2) in de zuiger van een benzinemotor mag maximum 30 bar bedragen. (n=1,35)

Gevraagd: Wat mag de compressieverhouding zijn van een motor zonder turbo (p1 = 0,9 bar) en een motor met turbo (p2 = 1,5 bar)?

Oplossing:

Zonder turbo: 𝜀 = �𝑝2𝑝1�1/𝑛

Met turbo: 𝜀 = �𝑝2𝑝1�1/𝑛

𝜀 = �30 𝑏𝑎𝑟0,9 𝑏𝑎𝑟

�1/1,35

𝜀 = �30 𝑏𝑎𝑟1,5 𝑏𝑎𝑟

�1/1,35

𝜀 = ± 13,431

𝜀 = ± 9,201

Het is dus duidelijk dat de compressieverhouding moet worden verlaagd. Dit gebeurt eventueel door het vergroten van de verbrandingsruimte, ook het vergroten van de verbrandingsruimte in de cilinderkop, het monteren van andere zuigers indien nodig, een dikkere koppakking plaatsen, …

22

2.5 Werking van de turbo

Figuur 8 Voorbeeld van een turbo

Sommige auto’s worden geleverd 'in een zogenaamde Turbo-versie'. Turbo is zo'n magisch woord dat zelfs door de auto-leek wordt gekoppeld aan vermogen. Met een turbo bereikt men meer paardenkrachten. In het bijzonder merkbegrippen als 'Saab-Turbo' of 'Porsche-Turbo' zijn woorden die bekend in de oren klinken. Maar wat is nu een turbo en waar dient het voor?

Dit kleine apparaatje is in staat het vermogen van een motor tot hemelse waarden op te schroeven. Wanneer het typische fluitend geluidje van de turbo volop te horen is, is de turbo volop in werking.

De werking van een turbo bestaat uit het onder druk toevoegen van extra lucht aan de motor. Waardoor deze meer vermogen krijgt (bij een gelijkblijvende cilinderinhoud, dankzij dit onderdeel van het voertuig moeten er geen enorme veranderingen aan de motor moeten worden gedaan) om zo betere prestaties te bekomen. Eenvoudig gezegd zorgt een turbo van een verbrandingsmotor ervoor dat de lucht gecomprimeerd wordt, om ervoor te zorgen dat men meer lucht in de cilinder kan brengen om een groter vermogen te krijgen. De snelheid van de luchtstroom wordt bepaald door de schoepenwielen, de behuizingen en door de snelheid van de turbo. Wat resulteert in brandstoftoevoer naar de motor.

De techniek erachter lijkt op het eerste gezicht nogal ingewikkeld, maar uiteindelijk berust de turbo op eenvoudige principes. In de cilinders vindt de verbranding plaats van brandstof en zuurstof (door middel van een lucht-brandstofmengsel dat wordt ingespoten) via het 4-takt proces.

De uit de cilinder stromende uitlaatgassen drijven het turbinewiel in de turbo aan. Dit turbinewiel is met een starre as gekoppeld aan een compressorwiel en drijft dit aan. Het draaiende compressorwiel op zijn beurt zuigt lucht aan en perst deze samen, dus deze lucht wordt gecomprimeerd, samengeperst. Zodra de inlaatklep zich opent, stroomt de gecomprimeerde lucht de cilinder binnen.

23

De turbo zit zo dicht mogelijk gemonteerd na het uitlaatspruitstuk wat de kracht optimaal houd, hoe dichter de turbo bij het uitlaatspruitstuk zit, hoe minder kracht/energie er verloren gaat van de uitlaatgassen. Soms bestaat de turbo en het uitlaatspruitstuk uit één geheel.

Dus de turbo moet zo dicht mogelijk na de cilinderkop gemonteerd worden, want neemt de snelheid af dan gaat er veel kracht verloren.

De voordelen van een turbo in het kort:

1. Met een turbo kunt u uit een relatief kleine motor relatief veel vermogen halen. 2. Een motor met een turbo heeft daarom een gunstiger brandstofverbruik. 3. De brandstof in een motor met een turbo verbrandt beter, wat de uitstoot van schadelijke

stoffen vermindert.

Er bestaan 2 verschillende types turbo’s:

• de turbocompressor • de uitlaatgasturbo

Het eerste type turbo is bekend van bijvoorbeeld de Golf GTI G60. Dit is een mechanisch aangedreven turbo, die de inlaatlucht comprimeert. Het tweede type turbo is bekend van bijvoorbeeld de Renault 5 GT turbo.

De werking van de GT turbo berust op een eenvoudig principe. Onderstaande tekening maakt de werking duidelijk.

Wanneer de zuiger in de uitlaat fase komt, worden uitlaatgassen uitgestoten via de uitlaatklep gestuurd naar de uitlaatleidingen. Deze uitlaatgassen verplaatsen zich snel richting het turbinewiel, hoe dunner de leidingen, hoe sneller de uitlaatgassen zich zullen verspreiden. De uitlaatgassen drijven het turbinewiel aan, die met een overdrukventiel worden beheerst. De gemiddelde temperatuur bij de inlaat van een dieselturbo bedraagt 800°C en bij een benzinemotor zal dit 1000°C bedragen aan de inlaat van het turbinewiel. De juiste smering is cruciaal aangezien een turbo tot een snelheid van 240 000 toeren per minuut kan draaien en ook zo’n hoge temperaturen bereikt. Om de

Figuur 9 Weergave van de werking van een turbo

24

wrijving van de materialen zo weinig mogelijk te houden en om slijtage te verminderen, moet er dus voldoende smering zijn, er moet genoeg aanvoer van olie zijn. Ook moet het teveel aan olie afgevoerd worden.

Dus de stoom van uitlaatgassen drijft het turbinewiel van de turbo aan. Dit turbinewiel is met een as verbonden aan het compressorwiel. Het compressorwiel zorgt ervoor, dat de lucht uit de luchtfilter wordt samengeperst. Omdat bij het samenpersen van de lucht de temperatuur van de lucht stijgt, zal deze moeten worden gekoeld. Daarom beschikken de meeste turbo aangedreven wagens over een intercooler. De werking van de intercooler is hetzelfde als die van een radiator, met het verschil, dat er nu geen koelvloeistof doorheen stroomt, maar lucht. In de carburator wordt de samengeperste lucht vermengd met benzine, waarna dit mengsel in de verbrandingsruimte tot ontsteking wordt gebracht.

2.6 Voor – en Nadelen van een turbo De motor en de (uitlaatgas)turbo zijn niet mechanisch met elkaar verbonden, ze zijn enkel stromingstechnisch (stromingsgewijs) met elkaar verbonden door de inlaatlucht van de uitlaatgassen. Het toerental van de turbo hangt niet af van het motortoerental, maar van het motorvermogen. Hoe meer brandstof er in de motor toekomt, dus hoe rijker het mengsel, hoe sneller de uitlaatgassen stromen.

Daardoor zal de turbo sneller draaien waardoor er meer lucht zal kunnen aangezogen worden bij de inlaat van de cilinders, dus stijgt de vuldruk. Dankzij dat er meer lucht wordt gepompt kan er ook meer brandstof worden toegevoegd aan het mengsel. Het resultaat is altijd een betere verbranding van een grotere hoeveelheid brandstof en dit bij een gelijkblijvende cilinderinhoud wat resulteert in een groter motorvermogen. Wat een voordeel is.

Figuur 10 De turbo nader bekeken

25

De turbo biedt veel voordelen. Maar om welke reden zouden de autofabrikanten de turbo niet standaard in de automotoren plaatsen? Omdat de nadelen die de turbo ondervindt tegenwoordig al op te lossen zijn met andere technieken. Nu zal de voor – en nadelen van een turbo opsommen.

Een aantal voordelen:

1. Een turbo zorgt voor minder brandstofverbruik, het is zeker gunstiger over langere afstanden. De reden hiervan is vooral omdat de brandstof in een turbo beter wordt benut, dus het verbrand beter. De energie uit de uitlaatgassen wordt gerecupereerd die anders verloren zou gaan. De uitstoot van schadelijke stoffen wordt kleiner. De turbo motor heeft een gunstiger effectief rendement.

2. De verhouding tussen het gewicht en het vermogen van een turbomotor is beter als een motor zonder turbo. Met een turbo is het mogelijk uit een relatief kleine motor toch veel vermogen uit te halen.

3. De turbo werkt ook als een uitlaatdemper waardoor een turbo motor minder lawaai maakt dan een vrij aanzuigende motor

4. Op grotere hoogtes zijn de prestaties nog beter bij een turbomotor, dus kan de turbo sneller draaien. Dit komt omdat de tegendruk minder is door de ijlere lucht. Dit heeft dus te maken met de lagere luchtdruk. Hoe hoger men gaat, hoe meer de luchtdruk daalt. Maar dit kan ook schade aan de turbo veroorzaken door ‘overspeeding’ van de turbo. Dit betekent dat de as van de turbo een hoger toerental bereikt dan deze aan kan, dus de as wordt dan overbelast. Waardoor er schade kan ontstaan aan het in – of uitlaatwiel en de lagers. Bij een vrij-aanzuigende atmosferische motor verliest de motor vrij veel vermogen (ongeveer 10%) omdat bij hogere hoogtes de lucht ijler is.

5. De turbo wordt niet alleen gebruikt voor het verhogen van de prestaties, maar het dient ook voor de besparing van brandstof en de verbetering van de uitlaatgassen, deze worden herbruikt. Vervolgens kosten de turbo-motoren minder in massaproductie, de productiekosten zijn lager. Omdat bijvoorbeeld een 4-cilinder turbomotor in de productie goedkoper is dan een 6-cilinder motor zonder turbo. Bovendien is een 4-cilinder turbomotor kleiner en lichter dan een 6-cilinder motor. Welke het totale voertuiggewicht en de brandstofconsumptie positief beïnvloedt.

Ondanks al deze voordelen bevat een turbo ook enkele nadelen, die tegenwoordig al verholpen kunnen worden met andere technieken toe te passen.

1. Het turbogat, meestal hebben de oudere turbo’s hier last van. Een turbo slaat pas goed aan op een bepaald aantal toerental, meestal is dit rond de 2000 t/pm. Het turbogat is wanneer de turbo stil staat, dus geen extra vermogen levert door middel van meer lucht aanbrengen. Het turbogat vindt plaats wanneer men het gaspedaal ineens volledig indrukt bij een laag toerental. Dan moet er veel extra lucht worden aangezogen, maar de turbo moet nog op gang komen via de uitkomende uitlaatgassen. De turbo levert nog niet genoeg druk. Pas wanneer de turbo een hoger toerental heeft bereikt komt de turbo goed op gang. Dit turbogat wordt aanzien als een groot nadeel. Waardoor veel mensen voorstander zijn van een compressor. De compressor is mechanisch verbonden met motor en werkt constant evenredig met het toerental van de motor. Een compressor geeft al druk vanaf het stationair draaien bij het gas geven.

26

De turbo’s die tegenwoordig worden gebruikt hebben hier minder last van, dankzij de variabele turbo.

2. De warmte, warme lucht is minder rijk aan zuurstof, die nodig is voor een goede verbranding (de juiste hoeveelheid/temperatuur zuurstof zorgt voor een optimale verbranding). De uitlaatgassen waardoor een turbo wordt aangedreven lopen wel op tot 800°C bij diesel- en tot 1000°C bij benzinemotoren. Door deze hoge temperaturen wordt de inlaatlucht van de cilinders verwarmd, wat minder goed is voor de verbranding van het lucht-brandstof mengsel.

3. De extra belasting, doordat er meer kracht wordt geleverd via de turbo zullen de onderdelen van het voertuig harder worden belast. Dus zijn ze meer onderhevig aan slijtage. Dit nadeel kan worden opgevangen door altijd warm te rijden voordat men sportiever gaat rijden. Ook is het goed voor de levensduur van de motor hem na stilstand goed te laten koelen.

4. Een turbomotor bezit meestal meer onderdelen dan vrij-aanzuigende motor, hierdoor wordt het storingsrisico groter.

27

2.7 Opbouw en onderdelen nader bekeken Een turbo is opgebouwd uit drie hoofdonderdelen: de compressor, het binnenwerk en de turbine.

2.7.1 De compressor

Figuur 11 Flatback Compressorwiel Figuur 12 Superback Compressorwiel

De compressor bestaat uit het compressorhuis en het compressorwiel en is uit aluminium vervaardigd. Het formaat ervan wordt bepaald door de benodigde specificaties van de motor. De juiste vorm van het compressorhuis zorgt ervoor dat de inkomende lucht van de uitlaatgassen wordt gecomprimeerd. Vervolgens wordt deze lucht onder druk naar de verbrandingsruimte geleid. Het compressorhuis bevat het compressorwiel dat via een starre as verbonden is met het turbinewiel. Beide wielen zijn gemonteerd op de as. Dat houdt in dat het compressor – en turbinewiel even snel draaien. De schoepen van het compressor wiel zijn op een speciale manier gemaakt zodat ze de nodige lucht aanzuigen. Zo wordt de aangezogen lucht naar de omtrek van het compressorwiel geleid en tegen de wand van het compressorhuis gedrukt. Hierdoor wordt de lucht samengedrukt, waarna deze via het inlaatspruitstuk in de motor wordt geperst.

Omwille van de zeer hoge rotatiesnelheden die hedendaagse turbo’s bereiken, worden er bijzondere eisen gesteld aan het gietwerk van het compressorwiel. Zo zagen we de vlakke compressorwielen evolueren naar compressorwielen waarvan de achterkant versterkt is (zie fig.6 en fig.7).

De laatste ontwikkeling is het zogenaamde boreless superback compressorwiel (zie fig.8). Het compressorwiel en de as zijn niet meer volledig doorgeboord om op die manier beter met de enorme rotatiesnelheden te kunnen omgaan.

Figuur 13 Boreless superback Compressorwiel

28

Steeds vaker wordt op de turbo een recirculatieklep toegepast. Om de druk weg te laten lopen op momenten dat er geen druk wordt gevraagd. De klep opent automatisch als de druk wegvalt in de luchtinlaat. Deze klep wordt geplaatst op de compressoruitgang waardoor de lucht teruggeleid wordt naar de compressorinlaat.

Figuur 14 De recirculatieklep

2.7.2 Het Binnenwerk

Het centrale gedeelte van de turbo wordt het binnenwerk genoemd. Het is gemonteerd tussen het compressorhuis en het turbinehuis. In dit binnenwerk is het lagerhuis gemonteerd. In het lagerhuis loopt de starre turbine-as die draait in een zwevend lagersysteem. Op de starre as zijn 2 radiaallagers gemonteerd die ronddraaien gesmeerd via een oliefilm, waardoor de as soepel draait. Op de turbine-as is er aan de ene kant een compressorwiel en aan de andere kant een turbinewiel gemonteerd. De schoepen van het compressorwiel zijn in tegenovergestelde richting gebouwd als de schoepen van het turbinewiel. Deze omgekeerde stand zorgt ervoor dat de lucht wordt aangezogen vanuit het luchtfilter.

Via het oliecircuit van de motor gebeurt ook de smering van de turbine-as en de lagers. De motorolie wordt geperst tussen het lagerhuis en de lagers van de turbo. Evenwel tussen de lagers en de turbine-as wordt motorolie geperst. De olie is niet enkel bestemd als smering, maar ook als koelmiddel voor de as, de lagers en het lagerhuis.

Aan beide zijden (compressor –en turbinezijde) zitten er olieafdichtingen zodat de olie zich verplaatst in een gesloten oliecircuit. Ook bevinden zich aan beide zijden zuigerveertjes. De zuigerveertjes zorgen voor een deel als olie afdichting. De hoofdzakelijke functie hiervan om de ventilatie te voorkomen van uitlaatgassen en lucht uit de compressor naar de binnenzijde van het lagerhuis. De motorolie die bestemd is om te smeren, dus de smeerolie die vanuit het carter van de motor komt

29

bereikt de roterende glijlagers onder druk. Waardoor de olie met lucht wordt vermengd, wat resulteert in een romige substantie. Daardoor moet de olie terug in zijn normale substantie worden gebracht. Na het passeren van de lagers, in het carter van het lagerhuis krijgt hij zijn normale viscositeit3 terug en loopt dan drukvrij, zonder enige beperking via de olie-retourleiding naar het motorcarter.

De zuigerveertjes zijn geen echte olie keerringen. Dit kan worden toegelicht als volgt: Als er te weinig uitlaatgasdruk zou zijn door schade aan de turbinezijde, zal er olielekkage ontstaan aan de turbinekant van de turbo. Aan de compressorkant kan dit probleem ook voorkomen. De turbo zal namelijk gaan lekken wanneer er te weinig tegendruk is van de motor. Er zal olielekkage optreden als de compressoruitlaatslang niet is aangesloten. Deze reactie is een voorbeeld van het feit dat de zuigerveren niet als olie keerringen functioneren.

De zogenaamde thrust collar, de compressor backplate en het zuigerveertje voorkomen olielekkage aan de compressorzijde. De thrust collar is zo geconstrueerd dat er er geen olielekkage optreedt bij het stationair draaien. De backplate is een afdichtingsplaat voor het lagerhuis.

Figuur 15 Het binnenwerk van de turbo

3 De viscositeit is de traagvloeibaarheid of stroperigheid van een vloeistof of van een gas.

30

2.7.3 De turbine

Figuur 16 Het turbinewiel en het turbinehuis

Het turbinehuis en de turbine-as vormen samen de turbine. Het turbine-schoepenwiel wordt aangedreven door de uitlaatgassen van de motor, die via het uitlaatspruitstuk van de motor naar het turbinehuis worden gestuwd. Er zal automatisch een stroomversnelling van de uitlaatgassen optreden aangezien het kanaal richting het turbinehuis steeds kleiner en kleiner wordt.

De doorlaat van het turbinehuis bepaald hoeveel lucht, hoeveel uitlaatgassen er binnen komen aan de turbinezijde, dit bepaald de rotatiesnelheid van het turbinewiel. Hoe meer lucht er aan komt, hoe sneller de turbine zal draaien, hoe meer lucht er zal gecomprimeerd worden door de compressor. Dus hoe meer kracht er zal worden geproduceerd, want er zal extra brandstof kunnen gebruikt worden aangezien er meer lucht ter beschikking is.

Daarom zal er meer kracht beschikbaar zijn tijdens elke ontploffing in de cilinder. Een turbo aangedreven motor produceert in het algemeen meer kracht dan dezelfde motor zonder deze turbo-aandrijving. Dit kan een aanzienlijke verbetering van de vermogen-gewichtsverhouding betekenen voor de motor.

De speciale ‘slakkenhuis’- vorm zal ervoor zorgen dat de gassen rond het turbinewiel heen gaan, zodat het turbinewiel zal draaien. De doorlaat en het formaat van de turbine zijn afhankelijk van de cilinderinhoud, het toerental en het gewenste vermogen van de motor.

De temperaturen kunnen oplopen tot 800°C(diesel) en zelfs tot 1000°C(benzine). Daarom is het turbinehuis gemaakt uit gietijzer en is het bestemd tegen deze enorm hoge temperaturen die behaald worden door de motor.

De turbine-as is aan het turbinewiel vastgelast en vormt een starre verbinding met de compressor. Ter hoogte van de las is de turbine as hol. Dit wordt gedaan om de warmteoverdracht te bemoeilijken van het turbinewiel naar de turbine-as, zo wordt er een thermische brug gevormd. Aan de turbine kant van de turbine-as zit een groef met daarin een zuigerveertje. Het loopvlak van de radiaallagers zijn glad gepolijst en extra verhard. Het dunnere uiteinde van de turbine-as zit vastgeschroefd in het compressorwiel (het uiteinde van de as is voorzien van schroefdraad). Een borgmoer zorgt ervoor dat de rotor gesloten is.

31

Als de druk te hoog dreigt te worden, zal er een gedeelte van de uitlaatgassen om de turbine heen geleid worden, aan de hand van een overdrukklep zal de druk geregeld worden. Deze klep staat ook bekend als de ‘waste-gate’ klep, wordt bestuurd door een actuator die de klep opent en sluit. Deze actuator is een membraan dat aan het compressorhuis is gemonteerd. Naarmate de turbodruk hoger wordt, zorgt het membraan ervoor dat een stang de wastegate klep opent. Dit voorkomt dat de druk te hoog wordt. (zie fig 12 en 13)

Figuur 17 Overdrukklep gesloten Figuur 18 Overdrukklep geopend

2.7.4 Extra onderdelen

De turbotechniek blijft vorderen en ontwikkelen. Dat geldt niet enkel voor de turbo zelf maar ook voor de extra’s. Bovendien zijn de fabrikanten bezig met de grenzen te verkennen die turbo’s aankunnen en de techniek die daarbij hoort, zoals meerdere turbo’s in een auto te bouwen, in serie of parallel.

2.7.4.1 De intercooler of interkoeler

Figuur 19 Intercooler

Met alleen een turbo zijn we er niet. Met behulp van een laadluchtkoeler of interkoeler wordt ervoor gezorgd dat de inlaatlucht extra gekoeld wordt. Een intercooler of temperatuurwisselaar is een luchtkoeler, het dient voor de inlaatlucht te koelen. Een intercooler wordt gebruikt als er een turbo of een compressor op de motor gemonteerd zit. De intercooler wordt geplaatst tussen de turbo en het inlaatspruitstuk. Een turbo werkt met gecomprimeerde lucht, deze lucht die uit de turbo komt gaat onder druk terug richting de inlaat van de motor, vooraleer de lucht in de motor gaat via de inlaat zal hij eerst door de intercooler gaan. Door het samenpersen van de lucht wordt de lucht warmer en neemt het zuurstofgehalte af, dit is nadelig voor de verbranding. Voor de meest optimale

32

verbranding is er zoveel mogelijk zuurstof in de samengeperste lucht nodig. Daarom wordt er tussen de turbo en de motor een intercooler geplaatst die de lucht afkoelt. De warme lucht op weg naar de motor gaat er doorheen. De intercooler wordt afgekoeld door de wind die tijdens het rijden ontstaat, waardoor de warme lucht in de intercooler afkoelt. Een intercooler zit gewoonlijk aan de voorkant van het voertuig, zodat de koude buitenlucht door de intercooler waait. Het principe van een intercooler is gelijk aan dat van de radiator, alleen stroomt er geen koelvloeistof door maar gecomprimeerde lucht.

Overigens wordt een intercooler wel eens direct onder de motorkap geplaatst. De rijlucht wordt via een zogenaamde ‘luchthapper’ op de intercooler gericht. Een ‘luchthapper’ geeft de auto een sportief uiterlijk en het is technisch gezien een goede locatie voor de intercooler.

Met een intercooler erbij wordt een toename van circa 10% winst op vermogen en koppel bereikt, alsook nog een besparing aan brandstof.

Figuur 20 Werkingsprincipe van de turbo in verbinding met de motor

De effectiviteit of het rendement van de koeling kan men bepalen door de temperatuur van de vullucht voor de intercooler, na de intercooler en de temperatuur van de omgevingslucht te meten. De formule hiervoor is:

𝜀 = 𝑇𝑖𝑛−𝑇𝑢𝑖𝑡𝑇𝑖𝑛−𝑇𝑘

= 𝑇𝑣𝑙𝑇𝑖

𝜀 = rendement of effectiviteit van de koeling (thermisch rendement)

Tin = vulluchttemperatuur voor de intercooler Tuit = vulluchttemperatuur na de intercooler Tk = temperatuur van de koellucht of m.a.w. de omgevingstemperatuur

Als het verschil van Tvl gelijk zou zijn aan het verschil van Ti dan is het thermisch rendement gelijk aan 100 % of 1. Dit is praktisch zo goed als niet realiseerbaar. Het rendement van een intercooler ligt

33

tussen de 65% en de 75%. Voorbeeld:

Mitsubishi Lancer Evolution: De vullucht temperatuur is +/- 105°C. De lucht wordt +/- 45°C gekoeld. De omgevingstemperatuur is 20°C.

𝜀 = 𝑇𝑖𝑛−𝑇𝑢𝑖𝑡𝑇𝑖𝑛−𝑇𝑘

= 𝑇𝑣𝑙𝑇𝑖

= 105 −45105−20

= 0,71 × 100 = 71 %

2.7.4.2 Biturbo Tegenwoordig wordt er veel aan motorische downsizing gedaan om het verbruik te verlagen, dit gaat goed samen met turbo's. Veel trekkracht bij laag toerental helpt ook, voor een zuinige rijstijl. Daarin is een turbomotor niet zo sterk. Audi denkt aan een oplossing met elektrische biturbo-installatie, waarbij een onmiddellijk reagerende elektrische turbo zorgt voor trekkracht vanaf laag toerental. Hoe dat werkt op een 3.0 V6 TDI ziet u hier.

Het voorvoegsel ‘Bi’ stamt uit het Latijn en betekent twee. Dus biturbo duidt er op dat er twee turbo’s gebruikt worden. Die twee turbo’s kunnen samen op één rij zitten, of elks op een aparte cilinderrij. Bij lage toerentallen zuigt een kleine turbo lucht aan, deze turbo is snel op gang. en een grote turbo die aangaat bij de hogere toerentallen. Bij hogere toerentallen komt de grote turbo in gang. De grote turbo heeft een groter turbogat, omdat deze meer lucht nodig heeft om op gang te komen. Dit wordt gecompenseerd door de kleine turbo.

2.7.4.3 Twin Turbo Er zijn twee verschillende turbo opstellingen in auto’s. Deze hebben de benaming ‘biturbo’ en ‘twinturbo’. Bijvoorbeeld: De biturbo van Mercedes of van Audi. Hiermee wordt bedoeld dat er een turbo voor elke rij cilinders is gemonteerd en ze bevinden zich aan de tegenovergestelde kant van de motor. Echter, in een auto zoals de Toyota Supra MKIV gebruikt men de opstelling twin turbo, omdat het een 6 cilinder in lijn motor is. Deze turbo’s bevinden zich naast elkaar, op een rij. De ene voedt de andere. Dus er is een kleine turbo die minder leidt aan een turbo gat, waarna een grote turbo geplaats is die nog meer boost geeft op hogere toeren.

2.7.4.4 Parallel schakeling Het is dus mogelijk om meerdere turbo’s in te bouwen in motorrijtuigen. Namelijk in V-type motoren zal men eerder twee kleine turbo’s plaatsen. Het voordeel hiervan is dat deze kleine turbo’s snel op gang komen bij de lage toerentallen, ze reageren sneller op het gaspedaal. De wagen heeft dan direct veel koppel aan de wielen. Kleine turbo’s geven sneller resultaat dan de grote turbo’s. Een klein nadeel is dat twee kleine turbo’s duurder zijn in productie dan één grote turbo toe te passen en de synchronisatie kan nauw luisteren. Een toepassing van deze parallel schakeling is de Nissan 300ZX (deze personenwagen maakt gebruik van twee kleine turbo’s – twin turbo).

2.7.4.5 Serie schakeling Naast de parallel geschakelde turbo’s zijn er ook turbo’s die in serie geschakeld zijn. Op deze wijze staan de turbo’s in lijn, waardoor er een versterkend effect optreedt. De uitlaatgassen komen in de uitlaat nadat ze de twee turbo’s zijn gepasseerd. Dit principe werd in 2004 door BMW getest in de

34

uitputtende Dakar Rally. De Variabele Twin Turbo(VTT) techniek werkt met een tweetraps- of registerdrukvulling. Dus er wordt gebruik gemaakt van een kleine - en grote turbo. De kleine turbo schiet eerst in gang bij lage toerentallen, daarna neemt de grote turbo op het juiste moment de luchttoevoer naar de motor over. Het resultaat is 20% meer vermogen, meer koppel bij lage toerentallen en een breder toerengebied bij de BMW 3 liter VTT dieselmotor..

2.8 Ontwikkeling door de jaren heen In de beginjaren van de turbo, ongeveer zo oud als de verbrandingsmotor zelf, werden de turbo’s vooral bij schepen gebruikt wegens de grote afmetingen van de toenmalige turbo’s. In de jaren ’70 werd de turbo pas populair bij de bedrijfsvoertuigsector. Het woord "turbo" werd een statussymbool. De benzinemotoren met een turbo zorgden voor zeer hoge prestaties, maar waren niet echt economisch. Dit ten gevolge van de nog vrij grote turbochargers en de late reactie op het gaspedaal, wat het turbo-gat wordt genoemd. Hierdoor is er een comfort/krachtverlies. Door verdere ontwikkeling en verkleining van de turbo kon dit probleem verholpen worden. De werkelijke doorbraak voor turbo's in massaproductie volgende met de turbo dieselmotor van de Volkswagen Golf en de 300 SD van Mercedes Benz in het jaar 1978. Momenteel zijn er veel nieuwe diesel motoren leverbaar met een turbo. In het nieuwe millennium doen nieuwe ontwikkelingen hun intrede. Door geavanceerd gietwerk, nieuwe compressortechnieken en verbeterde materiaalmoeheid van de toegepaste materialen is toekomst van de turbo positief.

De turbo is uiterst geschikt voor vrachtwagens met een dieselmotor. De turbo zorgt voor meer vermogen uit dezelfde motor. De motor blijft relatief klein en het laadvermogen neemt toe. Vrijwel alle vrachtwagens zijn tegenwoordig uitgerust met een turbo. Moderne diesels hebben een breed toerentalgebied, waardoor er bij lage toerentallen een hoge turbodruk nodig is.

In vergelijking met een dieselmotor bevatten de uitlaatgassen bij een benzinemotor meer vermogen bij hoge toeren en is de temperatuur ervan aanzienlijk hoger, tot de 1000°C. Dit vraagt om een andere constructie en ook zal de turbo uit andere materiaal soorten vervaardigd moeten zijn bij benzinemotoren. Om het bereik van de turbo te verbreden wordt er een wastegate/overdruk klep toegepast die gestuurd wordt via een actuator. Bij de constructie van de klep is er rekening gehouden met de grotere hitte, zodat deze nog effectiever kan afgevoerd worden.

Verder zien de turbo’s voor diesel – of benzinemotoren er bijna exact hetzelfde uit. Daarom hebben de turbo’s verschillende kentekens voor zijn toepassing (dit is het geval bij de turbo producent Garrett), om vergissingen te vermijden. Onder de andere de vorm van de neus van het turbinewiel verschilt herkenbaar.

Tegenwoordig moet de auto-industrie aan zware eisen voldoen: ze moeten zuiniger, schoner, veiliger, comfortabeler en krachtiger zijn. Dus met de strenger wordende emissie-eisen is een turbo ideaal, het zorgt voor meer kracht met een kleinere motor. Daarom worden er turbo’s toegepast in dieselmotoren. Door de optimalisatie van mechaniek en elektronica wordt het rendement van dieselmotoren steeds groter. De inzet van een turbo is dus de uitkomst voor te voldoen aan de emissie-eisen.

35

2.8.1 Turbo-elektronica

De elektronica die hoort bij de turbo zal ervoor zorgen dat de turbo op het juiste moment de optimale levering van kracht biedt. Als het gaat om het brandstofverbruik, emissiewaarden, geluidsniveau,… zal de elektronica ervoor zorgen dat de optimale waarde wordt bereikt. Dit gebeurt via kleine computers die bij elk toerental de optimale turbodruk berekenen. Een elektronische actuator maakt een snellere reactie van de turbo mogelijk.

Figuur 21 Elektronische Actuator

Alle elektronische systemen werken volgens het IVO principe.

• Input: signaalgever, voeler of opnemer via de sensoren • Verwerking van elektrische signalen in de microcomputer, ook genaamd als de regeleenheid • Output: voert de commando’s uit via de actuatoren

Bij de input gaat het voornamelijk om sensoren, die ook als signaalgever, voeler of opnemer aangeduid worden. De verwerking van de elektrische signalen gebeurt in een centrale microcomputer (regeleenheid) die door middel van geprogrammeerde mathematisch formules en kenvelden de beslissingen neemt en de actuatoren aanstuurt. Aan de output zijde bevinden zich de actuatoren of activatoren (bedienbare componenten), die de commando‘s van de regeleenheid omzetten.

Sensoren en actuatoren kunnen, afhankelijk van hun functie analoog, binair of digitaal werken.

2.8.2 Variabele turbinetechniek

Bij een turbocharger is één van de beperkingen de uitlaatgasdoorlaat van het turbinehuis. Een turbinehuis met een kleine doorlaat zal ervoor zorgen dat de turbo bij lage toerentallen goed presteert. Lage toerentallen zorgen voor een uitlaatgasstroom met een lage druk. Echter door de kleine doorlaat worden de uitlaatgassen dicht bijeen gedrongen; dus de luchtstroom wordt dicht bijeen gedrongen. Een turbo met een kleine doorlaat bereikt al snel zijn maximum aan vermogen, dan is er maar een beperkt bereik van de turbo. Bij een uitlaathuis met een grote uitlaatgasdoorlaat zal de situatie omgekeerd zijn. Op deze wijze zal de turbo prima werken bij hogere toerentallen, in het hoger bereik van de motor. Maar er zal bij de lagere toerentallen sprake zijn van een lage

36

turbodruk. Voor alles bestaat er een oplossing, dus om dit dilemma op te lossen kan men de grootte van de doorlaat variëren. Op deze manier wordt er optimaal gebruik gemaakt van de turbo via een kleine en een grote doorlaat. Officieel wordt dit werken met variabele geometrie genoemd, maar in de volksmond wordt er over de variabele turbochargers gesproken.

Door het gebruik van de variabele geometrie kan de grootte van de doorlaat van het turbinehuis worden afgestemd op de nodige trekkracht en de maximale snelheid die door de motor wordt gevraagd. In het lage bereik van de motor is het de bedoeling om een kleinere uitlaatgasdoorlaat te bekomen, dit zal het probleem oplossen van het minder goed functioneren bij lage toerentallen, de zogenaamde turbo lag. Om die reden is het turbinehuis rondom voorzien van een aantal beweegbare vanen. Er zal een hoge uitlaatgasdruk ontstaan als de doorlaat tussen de vanen wordt verkleind. Bovendien kan door het verstellen van de vanen de hoek veranderd worden waarmee de uitlaatgassen op het turbinewiel terecht komen.

Wanneer de vanen zo goed als gesloten zijn, dus meer in dichte positie staan, worden de uitlaatgassen op het uiteinde van de turbinevanen gericht (zie figuur 16). Daardoor zal de turbo sneller gaan draaien, dus de turbo zal snel accelereren en een hoge turbodruk creëren. In dit geval is het een turbo met een kleine uitlaatgasdoorlaat. Op het ogenblik dat de turbo op druk komt, worden de vanen geopend (zie figuur 17). Daardoor wordt de acceleratie van de turbo afgeremd. Wanneer de vanen volledig open staan, in open positie, is het alsof er geen variabele turbo geometrie is gemonteerd. De vanen hebben dan weinig of geen invloed op de uitlaatgasdoorlaat. Het maximale toerental wordt dan bepaald door de werkelijke uitlaatgasdoorlaat van het turbinehuis van de turbo.

Figuur 22 Vanen in dichte positie: volledige aandrijving van de turbine

37

Figuur 23 Vanen in open positie: beperkte aandrijving van de turbine

De variabele turbo technologie werd voor het eerst commercieel toegepast in 1989 door de turbo fabrikant Garrett. Dit veroorzaakte een revolutie in de automobielindustrie en op de markt van turbodieselmotoren voor personenauto’s. Deze techniek evolueerde nog, er werd een tweede model geproduceerd als vervolg op de eerste VNT (oftewel Variable Nozzle Turbine) of VTG turbochargers. Dit vervolgontwerp kenmerkt zich door meer vanen, waardoor er nog meer trekkracht bij lage toerentallen geproduceerd wordt. Dus dit betekent een krachtigere motor. Momenteel gebruikt men deze techniek veel bij personenauto’s met dieselmotoren.

2.8.2.1 Porsche maakt gebruik van deze techniek Porsche maakt ook gebruik van de variabele turbine geometrie techniek, ook afgekort als VTG (Variable Turbine Geometry). Porsche past deze techniek toe in bijvoorbeeld de 911 Turbo en 911 Turbo S. VTG draagt enorm bij om extra kracht aan te motor toe te voegen. Hiermee is de turbo over een veel breeder toerengebeid effectief.

De variabele turbine geometrie van de twin-turbo watergekoelde uitlaatgasturbo’s is de oplossing van het conflict van de doelstellingen van de normale turbo. Met deze technologie wordt de gasstroom van de motor gekanaliseerd naar de turbines via elektronisch verstelbare vanen (leischoepen). Zoals gezegd maakt de VTG turbo gebruik van een variabele geometrie, waardoor de volumestroom langs de schoepen gevarieerd kan worden en hiermee een turbo gat verkleind kan worden. Door de hoek van de vanen te veranderen, kan het systeem worden gebruikt in alle verschillende types turbo’s, klein of groot, waardoor de optimale gas-vloei eigenschappen worden bereikt. De vanen worden gestuurd door het motormanagementsysteem.

Het resultaat is een hoge turbine snelheid en een hogere turbolaaddruk zelfs bij een laag toerental. Dankzij de grotere beschikbaarheid aan lucht kan de verbranding vergroten, er kan meer brandstof worden ingespoten, waardoor er meer vermogen en koppel wordt bereikt. Het maximum koppel wordt bereikt bij lagere toeren per minuut en wordt behouden over een breder toerenbereik. Beide motorvarianten leveren een koppel van 650 Nm al vanaf 1950 toeren per minuut. In het geval van de

38

911 Turbo modellen is het koppel beschikbaar tot 5000 toeren per minuut. Bij de 911 Turbo S is het maximale koppel van 700 Nm beschikbaar tussen 2100 tpm en 4.250 tpm.

Als de vuldruk/turbodruk zijn maximale waarde bereikt, worden de vanen verder geopend. Bij het verstellen van de hoek van de vanen is het mogelijk om de gewenste vuldruk gedurende het toerental gebeid te bereiken. Daardoor is er geen behoefte aan de overdrukkleppen bij de conventionele turbomotoren. In de 911 Turbo modellen, kunnen de prestaties nog worden verbeterd door het selecteren van de ‘Sport’ knop dat behoort tot het Sport Chrono Pakket Turbo. Bij volle acceleratie zal de maximum vuldruk in de lagere en middelhoge toerentallen tijdelijk worden verhoogd met ongeveer 0,2 bar. Daardoor is het koppel tijdelijk met 50 Nm verhoogd tot een maximum van 700 Nm. Echter zijn de 911 Turbo S modellen geconfigureerd om te werken met een hogere vuldruk, wat betekent dat hun maximale koppel van 700 Nm beschikbaar is voor onbepaalde duur. Deze waarden zijn zeker uitstekend. Toch, in combinatie met het brandstofverbruik gerealiseerd ondanks het hoge vermogen, zijn ze nog indrukwekkender. Omdat tegenwoordig enkel pure kracht niet genoeg is.

Figuur 24 De luchtstroom van de turbo weergegeven

Door de vanen te verstellen kan de luchtstroom gericht worden naar de gewenste plaats, waardoor deze lucht stroom versneld kan worden.

In tegenstelling tot een conventionele turbo worden de inkomende uitlaatgassen gericht naar de turbine door elektronisch geregelde vanen. De hoek van deze vanen kan worden aangepast zodat de stroomsnelheid van de uitlaatgassen en dus kan het momentum4 op de turbine worden gewijzigd. Dit betekend dat er een grote hoeveelheid kracht kan worden gegenereerd uit de turbo zelfs bij lage toerentalen met kleine hoeveelheden uitlaatgas. Dit zorgt voor een veel hogere vuldruk, uitstekende cilindervulling en meer koppel. De koppelcurve stijgt dus sneller en blijft gelijkmatig hoog voor een lange tijd. De maximum vuldruk is verhoogd tot 1,6 bar in de Porsche 911 GT2 RS en hij bezit een nieuwe geladen luchtkoeler (intercooler). Het eindresultaat van deze wagen is een buitengewone

4 De verschijnselen waarbij een kracht het lichaam waarmee het verbonden is om een punt of lijn laat draaien.

39

reactie en een fantastische acceleratie. Onder meer bij de Porsche Cayenne worden deze technieken ook gebruikt.

2.9 Schade aan een turbo Er kunnen veel redenen zijn voor schade aan de motor, minder kracht is niet altijd de oorzaak van de turbo. Weinig kracht, te weinig drukvulling(boost) en zwarte rook kunnen gevolgen zijn van een fout in de motor. Hoe goed de turbo ook ontworpen, onderhouden en behandeld is, er blijft nog altijd kans op schade. In dit hoofdstuk zal ik het hebben over de verschillende schades die aan turbo kunnen komen, er zijn diverse mogelijkheden om deze schades op te lossen. Omdat de ene schade de andere niet is, is er vrijwel voor elk probleem een andere oplossing.

Wat een goede methode is om te controleren op de oorzaak van de fout is de volgende:

Controleren wat er werkt en wat niet. Check ofdat de gaspedaalstand in orde is en de gashendel aanpassing. Check de injectiepomp. Check de brandstoftoevoer en de timing ervan. Check de injectoren. Check ook ofdat de brandstofleidingen niet verstopt zitten. Ook checken ofdat de inlaat –of uitlaatsystemen niet verstopt zitten of verhinderd worden. Check ook ofdat de luchtkoeling goed werkt, de luchtfilter. De oliefilter checken. Als dit allemaal in orde is kan men naar de turbo gaan om deze te controleren. Indien dit niet in orde is kan men de turbo best vervangen of als het mogelijk is de beschadigde onderdelen repareren.

De meeste garages ervaren de turbo als een complex onderdeel, dat is op zich niet zo verwonderlijk. Want de turbo wordt steeds compacter en evolueert. Bovendien is de turbo een nogal gevoelig onderdeel, dat wel met een snelheid van meer dan 200 000 toeren per minuut kan draaien. De turbo wordt voortaan meer en meer gestuurd door het motormanagementsysteem. Bij motoren met een turbo of een andere vorm van laaddrukvulling regelt het motormanagement meestal de laaddruk. In het inlaatkanaal is er meestal een inlaatluchtdruksensor (MAP-sensor -> Map sensor: MAP = Manifold Absolute Pressure. Dit is micro-mechanische sensor die de absolute druk in het inlaatspruitstuk meet. Deze druk wordt vergeleken met de vacuümdruk, niet met de omgevingsdruk. Dit maakt de lucht massa preciezer.) gemonteerd. Een laad – of vuldrukregelaar of laaddrukregelventiel regelt de maximum toegestane laaddruk via het motormanagement. Dit ventiel stuurt dan meestal een membraandoos op de turbo aan, die de turbodruk afstelt. Tegenwoordig wordt de laaddruk ook geregeld door een stappenmotor of servomotor bij de nieuwste turbomotoren. Gelukkig komen schades veroorzaakt door de turbo zelf nog zelden voor. Dit was anders in de beginjaren toen de turbo nog in zijn kinderschoenen stond. De schades die ontstaan zijn meestal gevolgschades. Waarvan de oorzaak niet direct bekend is, maar het gevolg (de kapotte turbo) is te merken.

2.9.1 Wel of niet vervangen?

Als de turbo stuk gegaan is door één of andere reden dan zullen we de kapotte turbo kunnen vervangen door een nieuwe of gereviseerde turbo te plaatsen. Echter als de oorzaak niet bij de turbo zelf ligt, is dit een verloren kost en is het waarschijnlijk dat deze nieuwe turbo ook kapot zal gaan. Dit zal een oplossing zijn voor korte termijn. Het is aangeraden om eerst na te gaan wat de oorzaak is van de kapotte turbo. Is het de turbo zelf? Moeten we het bij de motor gaan zoeken? Door een vreemd voorwerp stuk gegaan? ,… Zodra alle mogelijke opties zijn doorgenomen in de werkplaats en men zeker is dat de turbo defect is, dan zal men deze moeten vervangen.

40

2.9.2 Achterhalen van de oorzaak

Als de turbo goed werkt en goed onderhouden is zal het normaal jarenlang meegaan. Toch komt het nog steeds voor dat de turbo onnodig vervangen wordt zonder de oorzaak gevonden is, omdat er geen juiste diagnose is gesteld. Wanneer men de turbo vervangt, dan is het nog steeds nuttig om te achterhalen wat het defect heeft veroorzaakt. Zodat in de toekomst vergelijkbare problemen zicht niet meer zullen voordoen. Verder zal ik de verschillenden defecten beschrijven.

2.9.3 Wat kunnen oorzaken zijn van schade aan een turbo?

Wanneer een nieuwe turbo kort na de montage defect geraakt, dan wordt de oorzaak meestal gezocht in de kwaliteit van de turbo. Bij een gereviseerde turbo zal er worden gedacht aan een onjuiste montage of een niet goed uitgevoerde turborevisie. Hieronder zal ik enkele mogelijke oorzaken van turboschades bespreken.

2.9.3.1 Onvoldoende smering Een goede smering van de turbo is belangrijk zodat de onderdelen goed kunnen functioneren, zo weinig mogelijk wrijving en warmte creëren, waardoor de slijtage veel minder zal zijn. Wanneer er onvoldoende smering is bijvoorbeeld door een blokkade in de olie toevoer doet dit een storing in de oliefilm ontstaan. Het gevolg hiervan is dat metaal met metaal in aanraking komt, met als resultaat slijtage van het turbolager en te hoge temperatuur van de turbo. Als de oliefilter versleten is kan de olie te vuil worden en kunnen er deeltjes in terecht komen die beschadiging aan de turbo kunnen teweegbrengen. Daarom is het belangrijk de oliefilter tijdig te vervangen en ook tijdig de motorolie te verversen. Anders zal er te weinig smering of geen juiste smering zijn.

Op figuur 19 is de verkleuring op de turbine as te zien als gevolg van een onvoldoende smering van de as, waardoor er te veel warmte overdracht wordt gecreëerd via het turbinewiel. Daardoor zal het materiaal verkleuren. Omdat de resterende smeerolie verbrandt of verkoolt, dit veroorzaakt veel wrijving en een (te) hoge temperatuur.

Figuur 25 Verkleuring op de turbine-as

41

Figuur 26 Beschadigd lager (links) vergeleken Figuur 27 Schade aangelopen turbinewiel met nieuw lager (rechts)

Als gevolg van een onvoldoende smering kunnen de turbolagers vast lopen en beschadigd worden (zie figuur 26). Vervolgens kan er beschadiging komen aan het aangelopen turbinewiel (zie figuur 27).

Figuur 28 Lagerafzetting op de turbine-as

Omwille van de snel verspreidende temperatuurstijging raakt het lagerwerk sterk verhit. Dit zorgt voor een verkleuring en beïnvloed de structuur van het materiaal, minder materiaalstevigheid. De lagers zetten zich uit, waardoor het materiaal wordt afgezet op de schoepen en de as (zie figuur 28).

Uiteindelijk in extreme gevallen kan de turbine-as zelfs breken, wanneer de krachten te groot worden, wanneer de wrijving zo extreem is dat het de breukgrens van het materiaal overschreden wordt (zie figuur 29). Wat resulteert in materiaalmoeheid. Ook kunnen de olie-afdichtingen het begeven. Dit alles kan door een onvoldoende smering gebeuren, dit duidt erop dat ‘het smeren’ een heel belangrijk iets is in de motorwereld.

Figuur 29 Gebroken turbine-as

42

Figuur 30 De thrust collar (linkse is beschadigd, rechtse is een nieuwe)

De thrust collar is multifunctioneel, de functies zijn:

• Controleert de axiale beweging • Scheidt de olie en de gassen van elkaar af (olie werper of slingeraar) • Dynamische afdichting voor de zuigerveer of zuigerring

Op de linkerzijde van figuur 24 zie je een beschadigde thrust collar, het draagvlak ervan is weggesleten. Door de extreme beweging van de as is er een grote slijtage veroorzaakt aan de thrust collar, aan de buitenkant van de afdichtdingsbus. Dit verschijnsel wordt vooral versterkt wanneer er onvoldoende smering is. Vervolgens kan het buitenste axiaallager sterk verslijten, door de grote wrijvingswarmte tussen de thrust collar en het axiaallager smelt het materiaal van de buitenste laag weg.

Figuur 32 Beschadigd compressorwiel en beschadigd compressorhuis naast nieuw

De schoepen van het compressorwiel zijn beschadigd. Dit komt door het breken van turbine-as, de schoepen zijn tegen het compressorhuis geschaafd met een hoge snelheid. Waardoor beide vervormd zijn. De uiteinden van het compressorwiel zijn afgeschaafd en vervormd. Dit is aan vervanging toe. Dit kan gepaard gaan met zo’n hevige krachten dat zelfs de radiaallagers kunnen breken (zie figuur 33).

Figuur 31 Beschadigd axiaallager naast een nieuwe

Figuur 33 Nieuw naast gebroken radiaallager

43

Dus een tekort aan smering kan schade veroorzaken aan de onderdelen een turbo. Dit kan bijvoorbeeld schade zijn zoals:

• Lagerbeschadiging en verkleuring • Doorlaten van de olieafdichtingen • Vastlopen en breken van de as

Oorzaak:

• Te kort aan olie doet de werkingstemperatuur stijgen, zodat lager-as temperatuur kan oplopen tot 400°C (dit ontstaat doordat er meer wrijving gecreëerd wordt doordat er minder olie smering is, dit zorgt voor veel wrijvingswarmte). De normale werkingstemperatuur is 90°C

• Verstopte oliekanalen in de lagers • Oliekanalen smelten dicht

Remedie/Oplossing:

• Olieniveau geregeld nazien • Oliedruk controleren • Kwaliteit van de olie nagaan • Pakkingen, afdichtingen en bevestigingen controleren

Als je goed tussen de naden van het motorblok kijkt zie je pakkingen zitten. Deze ‘ringen’ zijn bestemd als afdichting van de onderdelen van het motorblok. Wanneer een pakking versleten is zal de olie uit het motorblok sijpelen. Dit verhoogt het olieverbuik. Het motorblok zal er vuil van worden en er bestaat de kans dat de motor zonder olie komt te staan. Dit kan leiden tot een vastlopende motor in extreme gevallen. De draaiende onderdelen binnen in de motor lopen letterlijk vast omdat deze niet meer voldoende of zelfs niet door olie gesmeerd worden.

Kan de turbo ook de oorzaak zijn van olie verbruik?

Ja, dit kan. Door een verstopte olieafvoer of drukverhoging in het carter door bijvoorbeeld een verstopte carterventilatie is er geen olieafvoer uit de turbo meer. Er ontstaat een drukopbouw in de olieafvoer en het resultaat zal zijn dat de olie een andere uitweg zoekt. Vervolgens zoekt de olie een uitweg langs de compressorzijde en de turbinezijde van de turbo of langst de zuigerveren of de inlaatklep in de motor. Gevolg: een blauw rokende motor en een hoog olieverbruik.

Iedere verbrandingsmotor moet een zekere hoeveelheid olie verbruiken, al mogen bepaalde grenzen uiteraard niet worden overschreden. Algemeen bij auto’s is het olieverbruik van de motor ongeveer 1 liter per 1000 km voor motoren met een cilinderinhoud van 2000 cc bij een toerental van 4000 omw./min. Het olieverbruik hangt natuurlijk af van de bedrijfstoestand (de prestaties) die de motor moet bieden. Een normaal olieverbruik is van essentieel belang om slijtage en wrijving te beperken en zo een lange levensduur van het mechanisme te verzekeren.

44

2.9.3.2 Onbekende objecten

Door onbekende objecten die terecht komen in de turboschoepen of in de vanen, kunnen deze beschadigd worden. De vanen zijn krom geslagen, dit zal tot gevolg hebben dat er geen juiste werking meer is, dus zal het vervangen moeten worden, het variabele gedeelte is dus gevoelig voor inslagen van vreemde voorwerpen. Door de inslag van voorwerpen kan enorme schade ontstaan aan de onderdelen van een turbo.

Aan de compressorzijde is de schade gelijkaardig als er een object terecht komt in de turbo. De schoepen kunnen zelfs helemaal verdwijnen als de inslag zo sterk en krachtig is. De schoepen kunnen bij een inslag van kleine voorwerpen vervormen en buigen, maar ze zullen niet af breken. De schade zal minder groot zijn. Indien de oliefilter niet meer optimaal werkt kunnen er kleine vuildeeltjes terecht komen in de olie,

waardoor deze deeltjes de turboschoepen kunnen beschadigen zoals op figuur 37. Hetzelfde kan ook gebeuren wanneer er een lek is in de luchtfilter waardoor er kleine vuildeeltjes door kunnen geraken, die eveneens beschadiging brengen aan de turbo. Door de schurende werking raken de wielen en de as beschadigd, waardoor deze onstabiel worden en in onbalans geraken. Als de toerentallen dan stijgen is de schade nog drastischer en is de verdere schade aan de andere onderdelen bijna niet meer te vermijden.

Figuur 35 Kapotte turboschoepen Figuur 34 Kapotte Vanen

Figuur 36 Inslag vreemd voorwerp compressorwiel

Figuur 37 Inslag kleine vuildeeltjes

45

Uit welke materialen zijn het compressorwiel en het turbinewiel vervaardigd?

Dus bij inslag van vreemde voorwerpen is de schade bijvoorbeeld:

• De schroefranden van compressor – en turbinewiel zijn afgebroken

Oorzaak:

• Schade aan het compressorwiel ontstaat wanneer een voorwerp via de luchtfilter binnen kan of wanneer de turbine-as zich axiaal kan verplaatsen tegen het lagerhuis.

• Schade aan het turbinewiel ontstaat wanneer onderdelen van de motor (klepveer, …) in het inlaatkanaal komen.

• Door het afbreken van schoepen ontstaat er een onbalans (100.000 t/min) en lagerschade.

Remedie/Oplossing:

• Luchtfilter bij iedere onderhoudsbeurt controleren en zo nodig vervangen • Onderhoudsintervallen voor de motor respecteren en uitvoeren.

46

2.9.3.3 Vervuilde smeerolie Motoronderdelen die langs elkaar bewegen moeten gesmeerd worden. Het motorsmeersysteem zal voor de toe-en afvoer van smeerolie zorgen om de bewegende onderdelen te smeren. De levensduur van de motor zal langer zijn wanneer de motor goed gesmeerd is met kwalitatieve olie. Het is aangeraden om de olie periodiek te verversen. De smeerolie heeft de volgende functies:

• Smeren: De olie dient om metaal op metaal contact te voorkomen. Er wordt een laagje olie tussen de onderdelen gevormd waardoor de wrijving wordt beperkt. Hierdoor zal de slijtage verminderen, dus beperkt zal deze blijven.

• Koelen: De olie heeft ook een koelfunctie, de warmte creatie wordt door de olie verminderd. Bijvoorbeeld onderdelen als: zuigers, cilinderwanden, turboassen, klepgeleiders, … voeren hun warmte af via de smeerolie.

• Reinigen: De vuil- en slijtagedeeltjes die vrijkomen van het materiaal van de bewegende onderdelen worden meegenomen door de olie en afgevoerd naar de oliefilter.

• Krachtoverbrenging: De olie zorgt ervoor dat de kracht soepeler en vlotter wordt overgebracht tussen in elkaar grijpende en bewegende onderdelen. De olie moet krachten kunnen overbrengen. Bijvoorbeeld: in de hydraulische klepstoters, in een klepstoter wordt er een bepaalde druk opgebouwd, waar de olie niet in samengedrukt mag worden.

• Afdichten: De zuiger in de cilinder wordt door middel van de olie gasdicht afgesloten, de olie is belangrijk bij de compressie. Daarbij heeft olie een groot nut bij het afsluiten/afdichten van de onderdelen in een motor.

• Geluid dempen: De olie dient ook als geluid demper, door de oliefilm tussen de metalen onderdelen wordt het geluid gedeeltelijk gedempt.

Zoals hierboven vermeld heeft de smeerolie meerdere functies, de hoofddoelen van de smeerolie in een turbo is smeren en koelen. Na een bepaalde tijd zal de smeerolie vervuild geraken. Dit komt onder andere door vuildeeltjes, slijtagedeeltjes, brandstofdeeltjes, verbrandingsproducten, … De olie zal dus periodiek ververst moeten worden. Als er een te lange tijd met verouderde of verkeerde olie wordt gereden, dan zal het smeersysteem sterk vervuild worden, dit leidt tot meer motorslijtage. De olie verandert langzaam in een soort ‘drab’. Deze ‘drab’ heeft als benaming ook sludge. Sludge is vervuiling in de motorolie. Komt vooral voor bij carterolie (meestal bij kleine volumes). Deze sludge treed op door volumeverandering in het carter, omdat er lucht naar binnen en naar buiten kan. De meest herkenbare symptomen zijn:

• Heel dikke zwarte olie (black sludge) • Harde afzettingen in de motor • Mayonaise achtige substantie (witte/grijze

sludge) • Druppels water in olie

Er zijn 2 soorten sludge:

• De witte/grijze sludge: Dit is een mengsel van waterdamp en olie. Bij korte kleine stukjes rijden kan de olie niet warm genoeg worden, waardoor de olie zich afzet tegen de nog koude delen van

Figuur 28 Witte sludge in het carter

47

de motor (bijvoorbeeld op het kleppendeksel, in de carterventilatieslangen, …) Wanneer er sludge van dit soort aanwezig is kan men het verhelpen met een groot stuk te rijden, zeker meer als een half uur. Zodanig dat de motor goed warm wordt, dus op de juiste temperatuur komt, zodat de sludge automatisch weer verdwijnt. Daarna is het aangeraden de olie te verversen. Er bestaan ook reinigingsmiddelen om alle oliekanalen te recycleren, te reinigen van deze vuile of aangekoekte olie. Om deze deeltjes te verwijderen schijnt ‘Engine Flush’ van ‘Forte’ hier goed voor te zijn. Figuur 32 laat een voorbeeld zien van witte sludge in het carter.

• De black of zwarte sludge: Dit soort sludge is slecht voor de motor. Deze sludge is een zwarte, kleverige, dikke harde laag olie die zich afzet/vastzet op de inwendige delen van de motor. Hierin schuilt het gevaar dat de oliekanalen kunnen verstopt geraken, waardoor de smeerolie niet meer vlot kan rondstromen. De olie zal dan niet meer goed rondgepompt worden. Deze vorm van sludge word vooral gecreëerd door file rijden, rijden van korte afstanden, verouderde olie die niet- of te weinig reinigt, te rijke afstelling van het brandstofsysteem(bv.: bij een carburator), te hoge verbrandingstemperaturen, slechte carterventilatie, enzovoort. Als de ‘drab’ of de ‘black sludge’ nog week is kan deze worden verwijderd. Het is aangeraden de olie te verversen en best ook het oliefilter te vervangen wanneer men een minimale hoeveelheid aan sludge ontdekt. Deze sludge is echter erg moeilijk te verwijderen wanneer de sludge al langer in de motor zit en helemaal aangekoekt is. In het ergste geval kan het zijn dat de sludge niet meer te verwijderen is. Met behulp van motorreinigingsmiddelen en de- en monteren van onderdelen zoals carterpan, oliezeef, oliefilter, enz. kan men de sludge verwijderen.

Nu weten we dat gefilterde motorolie nog kleine vuildeeltjes kan bevatten. Normaal is het loopvlak van de turbine-as spiegelglad, door het resterende vuil in de olie zijn er diepe groeven ingesleten. Zoals te zien is op de figuur 40 heeft olie met vuildeeltjes een schurende werking op het materiaal van het radiaallager.

Figuur 41 Beschadigde naast nieuwe thrust collar

Figuur 29 Zwarte sludge op het kleppenmechanisme

Figuur 30 Gegroefd radiaallager

48

Insgelijks door de schurende werking van de vervuilde smeerolie is de thrust collar aan beide kanten uitgesneden of uitgesleten.

Door het resterende vuil in de olie is het axiaallager ook beschadigd. Op meerdere plaatsen is het draagvlak weggesleten. Zelfs de oliekanalen kunnen dichtslibben.

Onder vervuilde smeerolie wordt ook verkoling van de smeerolie verstaan. De verkoolde olie kan zich vastzetten op de binnenkant van het lagerhuis. Daardoor kunnen de olie-afdichtingen blokkeren wat tot olie lekkage kan leiden. De zogenaamde verkoling van olie kan dus beschadiging veroorzaken aan de lagers en afdichtingen. Op figuur 42 is de schade te zien van erg vervuilde smeerolie, deze zal diepe groeven maken in de lagerplaatsen van de turbine-as. Bij de alluminium lagers zal het vuil zich vastzetten op het lageroppervlak. Dit veroorzaakt vrij grote schade op de loopvlakken van de turbine-as en het lagerhuis, zie figuur 43.

Dus vervuilde smeerolie kan volgende schade creëren:

• Groeven in turbine en turbine-aslager • Beschadiging axiaal draagvlak

Oorzaak:

• Verdikte olie zet zich vast op de binnenkant van het lagerhuis en verstopt de olie kanalen • Zeer sterk vervuilde olie zal door wrijvingswarmte groeven trekken in het lager • Een te hoge carterdruk en verstopte olieafvoer kan olielekkage geven op het turbinewiel

Remedie/Oplossing:

• De oliekwaliteit respecteren en controleren • Het olieniveau tijdig controleren • De richtlijnen voor het motoronderhoud volgen

Hoe kan olie verdikken?

Figuur 42 Ingesleten axiaallager Figuur 43 Dichtgekoold lagerhuis

Figuur 44 Ingesleten lagerplaatsen op de turbine-as

Figuur 45 Beschadigde naast nieuwe turbine-as

49

2.9.3.4 Te hoge tegendruk van de uitlaatgassen Wat zou de meest voorkomende oorzaak zijn van een te hoge tegendruk van de uitlaatgassen? Het antwoord hierop is in de meeste gevallen een verstopte uitlaat. Daarnaast kunnen er ook nog andere oorzaken zijn voor een te hoge tegendruk, zoals:

• Problemen met de katalysator of

• EGR – klep (in moderne motoren)

Hier is een gevolg te zien van te veel tegendruk van de uitlaatgassen, de turbine-as is verkleurd en uitgesleten. Er is slijtage op de zuigerveer en de zuigerveergroef van de turbine-as ontstaan, met als gevolg olie lekkage aan de turbinezijde. Omdat de olie in de turbine verkoold is komen er kooldeeltjes terecht in het lagerhuis.

Figuur 40 Beschadigde uitgesleten turbine-as

2.9.3.5 Te hoge temperatuur van de uitlaatgassen Een te hoge temperatuur van de uitlaatgassen kan worden veroorzaakt door een defecte, niet goed werkende of verstopte intercooler, waardoor de lucht niet goed genoeg wordt afgekoeld. Andere oorzaken die aanleiding geven tot een te hoge temperatuur kunnen een verstopt luchtfilter of een verkeerd afgestelde brandstofpomp zijn.

2.9.3.6 Scheurvorming

Figuur 41 Scheuren in het turbinehuis

Door te extreem hoge uitlaatgastemperaturen kunnen er scheuren komen in een turbo, gemiddeld ligt de uitlaatgastemperatuur rond de 800°C bij een diesel en rond de 1000°C bij een benzine motor. Scheurvorming kan onder andere voorkomen in het turbinehuis, waardoor uitlaatgaslekkage ontstaat. Dit leidt tot minder aandrijving voor de turbine in de turbo en vervolgens minder turbodruk. Na verloop van tijd beginnen er vrijwel bij alle turbinehuizen van turbo’s scheuren voor te komen, ongeacht het merk of de toepassing. Deze scheuren treden namelijk op bij motoren die zwaar belast zijn en bij de meeste benzine toepassingen in personenauto’s. Meestal kunnen scheuren of andere beschadigingen van het turbinehuis een nadelige invloed hebben op de juiste werking van de turbo.

50

2.9.3.7 Materiaalmoeheid

Figuur 42 Beschadigd compressorwiel

Als een materiaal voor een te lange tijd zwaar en hevig belast wordt dicht tegen of zelfs over de maximale toelaatbare spanning dan zal er materiaalmoeheid op treden. Er kan sprake zijn van materiaalmoeheid als er een schoep van bijvoorbeeld een compressorwiel is afgebroken zoals op figuur 42. Wanneer er geen sporen van inslag van vreemde voorwerpen, weinig of geen aanloopsporen zichtbaar zijn dan is er meestal sprake van materiaalmoeheid. Materiaalmoeheid kan het gevolg zijn van een te hoge omwentelingssnelheid en/of een te lange overschrijding van de maximale rotatiesnelheid. Waardoor bijvoorbeeld een compressorwiel kan exploderen of breken in het zwakste punt van het materiaal, figuur 43 weergeeft dit.

Nog extra tips voor de chauffeur:

Sterke acceleratie bij een koude motor is niet gewenst, omdat de olie zich nog niet voldoende heeft kunnen verspreiden. Bij extreem warme motor de motor niet direct uitzetten, nog even stationair laten draaien.

2.10 Turboschade analyse

2.10.1 Problemen en oplossingen

2.10.1.1 De motor houdt in tijdens de acceleratie Hiervan kan de mogelijke oorzaak een defect overdruksysteem van de turbo zijn. De oplossing hiervan is de turbo repareren of vervangen.

2.10.1.2 De motor levert te weinig vermogen Er kunnen tal van redenen zijn voor een afname van het motorvermogen. Ik zal hier een aantal mogelijke oorzaken bespreken.

Een montage tip is: Wanneer u de slang van het luchtfilter naar de turbo demonteert, dan bent u in staat de speling van de rotor te voelen. Als de radiale speling zo groot is dat de wielen tegen de turbobehuizing aanlopen, dan is er sprake van een te grote slijtage van de turbo. De wielen zullen dan schuren tegen de behuizing waardoor ze sterk zullen afslijten. Het is dan belangrijk om te turbo te vervangen. Als deze speling niet overmatig is en nog binnen de normen is, dan is er geen probleem.

Figuur 43 Gebroken compressorwiel

51

Nog mogelijke oorzaken kunnen zijn:

• Een defecte turbo Hiervoor is het repareren of vervangen van de turbo noodzakelijk. Meestal is als het een groot defect is, dan is het aangeraden de turbo ineens te vervangen/vernieuwen.

• Brandstofpomp of verstuivers verkeerd afgesteld Wanneer er een probleem met het brandstofsysteem is, kan men best het brandstofsysteem opnieuw correct afstellen en daarna controleren ofdat alle onderdelen juist werken. Dit kan te maken hebben met een onjuiste afstelling van de ontstekingstijd, stel de ontsteking opnieuw af en vernieuw de defecte onderdelen. Vervanging van de turbo is niet noodzakelijk.

• Een defect overdruksysteem van de turbo, overdrukklep in de turbo zit vast De oplossing is de turbo repareren of vervangen.

• Slijtage van de motor zorgt ervoor dat het vermogen stilaan afneemt • Nokkenas en/of distributieriem verkeerd afgesteld • Versleten zuigerveren en/of cilinderbussen • Verstopping katalysator

Als de katalysator verstopt is kan de turbo zijn uitlaatgassen niet snel genoeg afvoerden. Het turbinewiel ondervindt dan een soort weerstand om de goede kant op te draaien. De turbo zal hierdoor het beoogde toerental niet behalen en levert te weinig vermogen.

• Compressorkant van de turbo is vervuild • Interne motorproblemen kan ook een oorzaak zijn van te weinig geleverd vermogen.

Overweeg vervanging van de turbo of andere belangrijke onderdelen. • Luchtlekkage tussen de turbo en het inlaatspruitstuk

De oplossing is de aansluitingen controleren en de nodige onderdelen vervangen. Ook kan er verstopping van de luchttoevoer naar de turbo zijn. Vervanging van de gehele turbo is meestal niet noodzakelijk.

• Verstopping uitlaatpijp, uitlaatdemper of uitlaatspruitstuk Bij een verstopping van de uitlaatpijp of uitlaatdemper kan de turbo zijn uitlaatgassen niet snel genoeg afvoeren. Hierdoor ontstaat er een soort weerstand voor het turbinewiel om de goede kant op te draaien. Hierdoor kan de turbo het beoogde toerental niet behalen en levert deze dus te weinig vermogen.

• Verstopt inlaatspruitstuk In deze situatie behaalt de turbo wel zijn toerental, alleen wordt de geproduceerde turbodruk niet richting de verbrandingsruimte geblazen. Hierdoor komt er onvoldoende turbodruk bij de motor waardoor deze niet in staat is het gewenste vermogen te behalen.

• Vacuümslangen naar de turbo kapot, verstopt of niet goed aangesloten Als de vacuümslangen naar de turbo toe defect zijn, dan wordt de variabele ring in de turbo niet dichtgetrokken. Hierdoor wordt er onvoldoende turbodruk behaald en levert de auto te weinig vermogen.

• Een obstructie tussen de turbo en het inlaatspruitstuk Verwijder de obstructies en vernieuw de defecte onderdelen indien nodig. Vervangen van de turbo is meestal niet noodzakelijk indien het niet beschadigd is.

• Een obstructie tussen de turbo en het uitlaatspruitstuk

52

Verwijder de obstructies en vernieuw de defecte onderdelen indien nodig. Ook hier is het vervangen van de turbo meestal niet noodzakelijk als het niet beschadigd is.

• Uitlaatgaslekkage bij de turbo Als dit gebeurd zal er verder onderzoek moeten gebeuren. Maar het zeker te overwegen om de turbo te vervangen.

2.10.1.3 Zwarte uitlaatgassen De mogelijke oorzaken van zwarte uitlaatgassen zijn:

• Een beschadigde of defecte turbo. De oplossing is de beschadigde turbo analyseren, de oorzaak van de beschadiging opsporen en verhelpen. De turbo reviseren of helemaal vervangen is noodzakelijk.

• Een verstopt luchtfilter-element. De oplossing is het luchtfilter-element vervangen.

• Een verstopte luchtinlaat naar de turbo. Hiervoor is de oplossing de luchtinlaat reinigen, alle obstructies verwijderen en indien nodig luchtinlaat vervangen.

• Een verstopte luchtinlaat van turbo naar inlaatspruitstuk. De oplossing is het luchtkanaal reinigen, alle obstructies verwijderen en zo nodig vervangen. Het inlaatspruitstuk kan ook verstopt zijn, hiervoor is dezelfde methode toe te passen.

• Luchtlekkage tussen turbo en inlaatspruitstuk. De oplossing is de bevestigingen, aansluitingen en afdichtingen controleren en als het nodig is vervangen.

• Luchtlekkage tussen inlaatspruitstuk en cilinderkop. Hiervoor is de oplossing hetzelfde als de vorige. De bevestigingen, aansluitingen en afdichtingen controleren en als het nodig is vervangen.

• Verstopping van uitlaatspruitstuk. Vervanging van de turbo is niet noodzakelijk, verwijder de obstructies en vernieuw de defecte onderdelen. Reinig het uitlaatspruitstuk en raadpleeg de handleiding van de motorfabrikant.

• Verstopping van uitlaatpijp of uitlaatdemper. Reinig het uitlaatsysteem en vervang het indien nodig.

• Lekkage tussen uitlaatspruitstuk en cilinderkop. Controleer de aansluitingen, bevestigingen, afdichtingen en deze zo nodig vervangen.

• Lekkage tussen turbine - ingang en uitlaatspruitstuk. Controleer de aansluitingen, bevestigingen, afdichtingen en deze indien nodig vervangen.

• Verstuivers verkeerd afgesteld of stuk. De verstuivers testen en juist afstellen of vervangen.

• Brandstofpomp of verstuivers verkeerd afgesteld. Brandstofsysteem laten afstellen en indien nodig repareren of vervangen.

• Nokkenas verkeerd afgesteld. De nokkenas opnieuw afstellen en raadpleeg de handleiding van de motorfabrikant.

• Versleten zuigerveren en of cilinderbussen. De motor repareren, raadpleeg de handleiding van de motorfabrikant.

• Motorproblemen (kleppen, zuigers, …)

53

Raadpleeg een specialist, de handleiding van de motorfabrikant, … • Compressorkant van de turbo vervuilt.

De oorzaak van de vervuiling opsporen en verhelpen. De luchtfilter en oliefilter vervangen, de olie verversen, de compressor schoonmaken met een zachte borstel en met een niet bijtend product. Indien nodig de turbo laten reviseren of vervangen.

2.10.1.4 Blauwe uitlaatgassen De mogelijke oorzaken van blauwe uitlaatgassen zijn:

• Een defecte of beschadigde turbo De beschadigde turbo analyseren, oorzaak beschadiging opsporen en zo nodig de turbo repareren of vervangen.

• Verstopt luchtfilter-element Het luchtfilter-element vervangen.

• Verstopte luchtinlaat naar turbo De obstructies verwijderen en de turbo reinigen

• Verstopte luchtinlaat van turbo naar inlaatspruitstuk Vervanging van de turbo is niet noodzakelijk, verwijder de obstructies en vernieuw de defecte onderdelen.

• Luchtlekkage tussen turbo en inlaatspruitstuk Vervanging van de turbo is niet noodzakelijk, controleer de aansluitingen, bevestigingen en afdichtingen en vervang de onderdelen.

• Luchtlekkage tussen inlaatspruitstuk en cilinderkop Ook hier hetzelfde als het vorige, de aansluitingen, bevestigingen en afdichtingen controleren en indien nodig vervangen.

• Verstopping van uitlaatspruitstuk • Verstopping van olie-afvoerkanaal

Olieafvoer kanaal reinigen, overweeg vervanging van de turbo. • Slecht functionerende carterventilatie

Carterventilatie reinigen en als het nodig is vervangen. • Lagerhuis van turbo dichtgeslibd of dichtgekoold

In dit geval is het aangeraden om de turbo te reviseren of te vervangen. De luchtfilter en de oliefilter moeten worden vervangen. De olie moet ververst worden en controleer het olieafvoerkanaal en de carterventilatie.

• Versleten zuigerveren en/of cilinderbussen De motor repareren, vervang de onderdelen die beschadigd zijn. Raadpleeg de handleiding van de motorfabrikant voor extra informatie.

• Motorproblemen (kleppen, zuigers, krukas, …) De beschadigde onderdelen vervangen en raadpleeg de handleiding van de motorfabrikant voor extra informatie en hulp.

• Compressorkant van de turbo vervuild Zoek de oorzaak van vervuiling en los dit op. Vervang de luchtfilter en de oliefilter, ververs de olie en maak de compressor schoon met een zachte borstel en met een niet bijtend product. Laat de turbo reviseren of vervangen indien het nodig is.

54

2.10.1.5 Turbocharger maakt lawaai De mogelijke oorzaken van lawaai kunnen zijn:

• Luchtlekkage tussen de luchtfilter en de turbo Controleer de aansluitingen, bevestigingen en afdichtingen. Vervanging van de turbo is meestal niet noodzakelijk.

• Een defecte of beschadigde turbo Reparatie of vervanging van de turbo is noodzakelijk.

• Luchtlekkage tussen turbo en inlaatspruitstuk Controleer de bevestigingen, de afdichtingen en de aansluitingen. Vervang de beschadigde onderdelen.

• Uitlaatgaslekkage bij de turbo Controleer eveneens de bevestigingen, de afdichtingen en de aansluitingen. Vervang de beschadigde onderdelen. Overweeg vervanging van de turbo

• Obstructie tussen de turbo en het inlaatspruitstuk Vervanging van de turbo is niet noodzakelijk, verwijder de obstructies en vernieuw de defecte onderdelen.

• Obstructie tussen de turbo en het uitlaatspruitstuk Vervanging van de turbo is niet noodzakelijk, verwijder de obstructies en vernieuw de defecte onderdelen.

2.10.1.6 Olielekkage aan de luchtinlaatzijde/compressorzijde van de turbo De mogelijke oorzaken van olielekkage kunnen zijn:

• Een defecte of beschadigde turbo Reparatie of vervanging van de turbo is noodzakelijk

• Uitlaatgaslekkage bij de turbo Overweeg vervanging van de turbo. Controleer de aansluitingen, bevestigingen en afdichtingen. Vervang deze indien het nodig is.

• Motorproblemen (kleppen, zuigers, turbo zelf, …) Overweeg vervanging van de turbo en raadpleeg de handleiding van de motorfabrikant.

• Olie-afvoer of carterventilatie verstopt Overweeg eveneens een vervanging van de turbo. Reinig het olie afvoerkanaal en de carterventilatie. Vervang de nodige onderdelen.

• Obstructie tussen turbo en uitlaatspruitstuk Vervanging van de turbo is niet noodzakelijk, verwijder de obstructies en vervang de beschadigde onderdelen.

2.10.1.7 Olielekkage aan de turbinezijde van de turbo De mogelijke oorzaken van olielekkage kunnen zijn:

• Een defecte of beschadigde turbo Vervanging of reparatie van de turbo is noodzakelijk. Oorzaak van de beschadiging analyseren en verhelpen.

• Motorproblemen (kleppen, zuigers, nokkenas, turbo, …) Overweeg vervanging van de turbo. Raadpleeg de handleiding van de motorfabrikant.

55

• Olie-afvoer of carterventilatie verstopt Reinig het olie-afvoer kanaal en de carterventilatie. Overweeg vervanging van de turbo. Raadpleeg de handleiding van de motorfabrikant.

• Lagerhuis van turbo dichtgeslibt of dichtgekoold Turbo laten reviseren of vervangen, luchtfilter en oliefilter vervangen, olie verversen en controleer het olie-afvoer kanaal en de carterventilatie.

• Versleten zuigerveren of cilinderbussen Motor repareren en raadpleeg de handleiding van de motorfabrikant

• Compressorkant van de turbo is vervuild Oorzaak van de vervuiling opsporen en verhelpen. Reinig de turbo. Luchtfilter en oliefilter vervangen, ververs de olie. De compressor schoonmaken met een zachte borstel aan de hand van een niet bijtend product. Indien nodig de turbo laten reviseren of vervangen.

56

2.10.2 Samenvatting storingsdiagnose turbo

57

2.10.2.1 Quality Checklist Wanneer de turbo vervangen of gerepareerd moet worden of als dat al gebeurd is, dan is het handig om te controleren ofdat alle onderdelen goed in werking zijn. De zogenaamde ‘quality checklist’ is hiervoor van toepassing. Dit zijn montage aanwijzingen die ervoor zorgen dat als er een defect aan de turbo is, dat deze gemakkelijk worden gevonden. De ‘quality checklist’ gaat als volgt:

Controle voorafgaand de montage van de turbo

• Controleer de olie-aanvoerleiding Demonteer de olie-aanvoerleiding en controleer of deze nog goed is. Reinig de leiding. Als er enige vorm van verstopping wordt vastgesteld, dient de olie-aanvoerleiding direct vervangen te worden. Controleer ook of er knikken aanwezig zijn in de leiding. Het is aangeraden vaste pakkingen te gebruiken. Zorg ervoor dat er geen vloeibare pakking wordt gebruikt. Indien er toch met vloeibare pakkingen wordt gewerkt zal men heel precies en zorgvuldig moeten handelen. Als je teveel vloeistof aanbrengt en de pakking gaat uitzetten in de binnenkant van het motorblok, dan kunnen er pakkingdeeltjes vrijkomen die in de motorolie terecht komen. Want een motorblok trilt en beweegt. De meeste vibraties worden door het motorblok opgevangen, maar niet allemaal. De oliefilter kan deze deeltjes filteren, maar het mag ook niet overdreven veel zijn. In de praktijk zijn er turbo’s kapot gegaan doordat het kunststof residu van het pakkingmateriaal de smering van de turbo blokkeerde. Een turbo heeft nood aan koeling, als er geen koeling is gaat de turbo stuk. Het is dus ideaal om vaste pakkingen te gebruiken.

• Ververs de olie

Het is belangrijk de olie tijdig te verversen en het oliefilter tijdig te vernieuwen. Oude of vervuilde olie belemmert de goede werking van het binnenwerk en kan schade veroorzaken aan de turbine-as en de lagers.

• Controleer de olie-afvoerleiding

Demonteer de olie-afvoerleiding en controleer of deze in orde is. Reinig de leiding. Als er enige vorm van verstopping wordt vastgesteld, zal de olie-afvoerleiding direct vervangen moeten worden. Controleer op knikken in de leiding. Ook hier is het ideaal om vaste pakkingen te gebruiken, gebruik bij voorkeur geen vloeibare pakkingen.

• Controleer de carterontluchting en de motorconditie

De carter ontluchtings filter zorgt ervoor dat vervuilde olie en water vanuit het motorblok afgevoerd kunnen worden. Als je geen carter ontluchtings filter hebt zal dit in het motorblok blijven of via de luchtfilter de motor verlaten. Als er sprake is van een slechte motorconditie, ontstaat er een te hoge carterdruk in een motor. Dit betekent dat er oliedampen ontstaan in de motor. Deze oliedampen zullen moeten afgevoerd worden via de carterontluchting. Te hoge carterdruk of een verstopt carterventilatie systeem zorgen voor olie lekkage van de turbo.

De voordelen van een carterfilter zijn: minder hete lucht in het inlaatsysteem en er blijven geen olieresten achter in het motorblok.

58

Meestal is de carterontluchting aangesloten op de luchtaanvoerleiding van de turbo. Als er een teveel aan oliedampen is blaast de turbo de oliedampen terug in de richting van de motor, dit veroorzaakt een onvolledige verbranding. Daarenboven veroorzaakt een verstopte carterontluchting olie-afvoerproblemen voor de turbo. Om deze redenen is het belangrijk om zowel de carterdruk als de carterontluchting te controleren. Natuurlijk is de staat van de motor een belangrijk iets voor de goede werking ervan.

• Controleer de luchtleidingen

Monteer een nieuwe luchtfilter indien nodig en reinig de luchtaanzuigslang. De eventuele olieresten moeten verwijderd worden als er een intercooler is geïnstalleerd. Eveneens moet de slang die de turbo met de motor verbindt zorgvuldig worden gecontroleerd. Ook moet het inlaatspruitstuk worden gecontroleerd en gereinigd om de eventuele resten van de voorafgaande turboschade te verwijderen.

• Controleer de oliedruk

Gebruik een schone opvangbak om de olie op te vangen uit de olie-aanvoerleiding. Zorg ervoor dat het oliecircuit gevuld is zonder dat de motor aanstaat. Dit is voldoende om alle of de meeste vuil- en roetdeeltjes uit de leidingen te laten lopen en op deze manier ervoor te zorgen dat er geen schade komt aan de lagers van de turbo. Op deze wijze zijn alle oliekanalen goed gereinigd.

• Bevestiging op het spruitstuk

Controleer het uitlaatspruitstuk zorgvuldig. Het uitlaatspruitstuk kan nog metaalresten bevatten van de vorige turboschade. Deze moeten verwijderd worden, om een optimale werking van de turbo te bekomen. Want een spruitstuk met scheuren zal de nieuwe turbo kunnen beschadigen. Dus is een nauwkeurige controle hiervan noodzakelijk.

Controle tijdens de montage van de turbo

• Verwijder alle afstoppingen

De turbo bevat gemonteerde afstopkappen die dienen om tijdens de verzending ervan bescherming te bieden, als je deze bij een fabrikant bestelt, zodat er geen vreemde voorwerpen in kunnen komen. Deze afstoppingen moeten verwijderd worden voor de montage van de turbo, met als belangrijkste de olie-aanvoerplug. Een plug wordt gebruikt om twee objecten/materialen aan elkaar te verbinden, het is een hulpmiddel voor het aan elkaar bevestigen van een object aan een niet-elastisch materiaal.

• Controleer de olieaanvoer

Zoals op figuur 44 is te zien kan een turbo extreem heet worden tot 1000°C. Daarom is het belangrijk de turbo te vullen met olie. De turbo moet genoeg olie aanvoer krijgen, zodat het goed gesmeerd en gekoeld wordt. Nadat de olie bijgevuld is monteer je de olie-aanvoer en zorg ervoor dat er geen vuil in het lagerhuis van de turbo terecht kan komen. Wanneer de oliekanalen goed gemonteerd zijn en alles in

Figuur 44 Turbo kan extreem heet worden

59

orde is, laat je de motor best 5 à 10 minuten stationair draaien. Dit zorgt ervoor dat de olie goed rondgaat in de turbo en alle onderdelen worden goed gesmeerd.

• Controleer de verbindingen

Controleer ofdat alle verbindingen goed aangesloten zijn. Voer tijdens het testen langzaam het toerental van de motor op en controleer alle verbindingen op eventuele lekkages. Bij een warme motor dienen alle boutverbindingen te worden nagetrokken op de juiste spanning.

• Controleer de turbodruk

Ten slotte dient de turbodruk gecontroleerd te worden. Dit gebeurt aan de hand van een turbodrukmeter. De afstelling van de turbo actuator laat je best bij de turbofabrikant/specialist doen.

Wanneer alle deze stappen compleet gedaan zijn, zal de turbo in werking kunnen schieten en is hij klaar voor gebruik.

2.11 In de werkplaats Hier neem ik Turbo’s Hoet als voorbeeld. Dit bedrijf levert gereviseerde turbochargers voor ieder type motor, reviseren is hun specialiteit. De werkplaats kent vier gespecialiseerde disciplines met elks hun specifieke taak. Deze disciplines zijn: reiniging, oppervlaktebehandeling, controle en balanceren. Deze vier taken die professioneel zijn uitgevoerd zorgen ervoor dat de gereviseerde turbocharger weer de kwaliteit van een turbo bereikt of zelfs overstijgt.

Een turbo reviseren is echter niet altijd mogelijk, wanneer de turbo zo sterk beschadigd is, kan men best een nieuwe turbo plaatsen. Maar er is toch heel veel mogelijk. Tijdens de fabrieksmatige productie worden de onderdelen slechts binnen de vastgestelde marges en toleranties in serie vervaardigd. Dit is nog niet tot perfectie vervaardigd, maar wel heel goed. Toch gaat de fabrieksinstelling niet op tegen de instelling van de revisie van een turbo. Bij revisie wordt elk onderdeel met grote precisie, met oog voor nauwkeurigheid en met volle aandacht op haar toleranties gecontroleerd. Een gereviseerde turbocharger voldoet daarom meer aan de ideale fabrieksmatige maatvoering dan een serieproduct.

Op figuur 45 is te zien dat een gereviseerde turbo er terug als nieuw uitziet.

60

Figuur 45 Oude turbo in vergelijking met gereviseerde turbo

Het reinigingsproces

De turbo wordt gedemonteerd en geanalyseerd bij binnenkomst in de werkplaats. De onderdelen worden vervolgens grondig gereinigd. Zie figuur 46 voor de gespecialiseerde reinigingsbehandeling.

Figuur 46 Reinigingsproces

Voor het reinigen wordt deze speciale wasmachine en een industriële oven gebruikt. Na het reinigen in de speciale wasmachine gaan de onderdelen vier uur in een industriële oven bij 350˚C. Daardoor worden de laatste vetrestjes in allerlei kleine hoekjes en gaatjes verbrand. Daarna is het vuil er als poeder zo af te vegen. Dankzij die behandeling kunnen de delen korter gestraald worden. Belangrijk, want bij stralen gaat er materiaal verloren op delen die niet vet zijn. Dit reinigingsproces bevordert de kwaliteit van de onderdelen zoals lagerhuizen en turbine-assen. Dit zorgt ervoor dat men in het volgende proces, het oppervlaktebehandelingsproces, minder intensief te werk moet gaan. Want dit proces kan een afwijking in de maatvoering teweeg brengen, wanneer de behandeling te intensief is.

Het oppervlaktebehandelingproces

Figuur 47 Straalmachine

61

De oppervlaktebehandeling dient meestal als bescherming tegen corrosie en schadelijke externe invloeden, als verfraaiing van het uiterlijk en ook het verbeteren van de hechting bij het verf-of lijmproces. Oppervlaktebehandelingen kunnen thermisch, chemisch of mechanisch worden aangebracht om verontreinigen te verwijderen in de materialen, bescherming te bieden tegen corrosie of de gewenste afwerking te bieden. Er zijn veel verschillende methodes van oppervlaktebehandeling, zoals: stralen, ontvetten, coaten, …

In functie van de turbo worden de gietijzeren onderdelen automatisch gestraald met een sterke straalkorrel. Voor de aluminium onderdelen wordt gebruik gemaakt van een andere straalmachine waarbij met een keramische glasparel gewerkt wordt (zie figuur 47). Nadien krijgt het lagerhuis van de turbo nog een extra nabehandeling aan de hand van een ultrasoon reinigingsbad om er voor te zorgen dat het volledig proper is, zodat er geen enkel vuiltje achterblijft. Ten slotte worden alle onderdelen ingevet om roestvorming (corrosie) te voorkomen. Na dit proces wordt het controleproces in actie gezet.

Het controleproces

Het is belangrijk dat de turbine-as gecontroleerd wordt op rechtheid alvorens hij in het binnenwerk van de turbo gemonteerd wordt. Om dit te controleren gebruikt men een rechtheidmeter.

Figuur 4831 Controleproces

De lagerplaatsen van de turbine-as en het lagerhuis van de turbo worden met behulp van handmeetgereedschap nagemeten of deze inderdaad binnen de juiste toegestane toleranties liggen (zie figuur 48).

62

Het balanceerproces

Het balanceren van een turbo is van uitermate belang. Het balanceerproces is één van de belangrijkste onderdelen bij het reviseren van een turbo. De reden hiervoor is eenvoudig. Aangezien de toerentallen die een moderne turbo haalt wel tot 220.000 toeren per minuut gaan. Iedere vorm van onbalans bij die hoge toerentallen leidt op termijn of zelfs direct tot grote schade binnen de turbocharger. Voor het balanceren van de turbo is het belangrijk om de wielen goed dynamisch te balanceren. Elk component dient apart gebalanceerd te worden. Hiervoor wordt er gebruik gemaakt van een balanceermachine. De onderdelen dienen zodanig gemonteerd te worden dat de turbo als één geheel ronddraait.

2.12 Interessante weetjes

Wist u dat…

Dat een turbo, mits goede smering en goed onderhoud zo’n 120.000 kilometer meegaat. Ook hebt u zelf een grote invloed op de levensduur van een turbo namelijk via uw rijgedrag.

Dat een turbo door een luchtbel in de olieleiding al kapot kan gaan. Als de turbo even niet gesmeerd wordt kan het al genoeg zijn om de lagers te laten vast lopen.

De uitlaatgassen bij een turbo aangedreven motor bedragen; bij een dieselmotor 800°C en bij een benzinemotor 1000°C, dus dit is de temperatuur bij de inlaat van de turbo (aan het compressorwiel).

De nieuwe generaties turbo’s ronddraaien tot 220.000 toeren per minuut. Terwijl de rotoren van vliegtuigen ‘niet meer dan’ 7.000 toeren per minuut draaien.

De aangezogen lucht bijna de geluidssnelheid overtreft bij een turbocompressor.

Een turbo kan accelereren in 1 seconde van 20.000 toeren per minuut tot 150.000 per minuut.

Voor een goede afkoeling en na smering van de turbo is het verstandig de motor even stationair te laten draaien als deze na een lange rit veel toeren heeft gedaan.

Dat bij onbalans van een turbo er een hinderlijk geluid wordt veroorzaakt en dat de levensduur van deze turbo sterk verkort kan worden. Dit wordt veroorzaakt door de vibraties die ontstaan bij hoge toeren. Enkel de slecht uitgebalanceerde, versleten of beschadigde turbo’s maken veel lawaai. De goed uitgebalanceerde, onderhouden en functionerende turbo is nauwelijks hoorbaar. Dus aan de hand van het geluid kan men afleiden ofdat er een defect is.

Wanneer er blauwe rook uit de uitlaat komt bij bijvoorbeeld het stilstaan aan een stoplicht dat dit kan wijzen op een probleem met de turbo.

De actuator van een variabele turbo wordt meestal door middel van vacuüm gestuurd in plaats van druk gestuurd.

Wanneer een motor zich in slechte conditie bevindt met bijvoorbeeld een verkeert carterdruk dat aanleiding geeft tot een verkeerde oliedruk. Dat dit ook de oorzaak kan zijn voor olielekkage in de turbo, doordat de oliedruk niet op het juiste peil staat. Dus een verhoogde carterdruk, overmatige slijtage of slecht functionerende inspuitsystemen bij zowel benzine als dieselmotoren zijn slechts een

63

greep uit het grote aantal factoren dat invloed heeft op de juiste werking van een turbo. Als er twijfel is over de goede werking van de motor kan men best een specialist raadplegen.

Bij voorkeur kan je best de turbo laten zoals het standaard is. Aanpassingen aan een turbo zijn niet bevorderlijk voor de levensduur ervan. Zoals het rijden met een hogere turbodruk kan leiden tot schade aan lagering van de turbo.

2.12.1 Een aantal bekende turbofabrikanten:

• Turbonetics • Turbo’s hoet • Garrett • C&E Turbochargers • Honeywell • BorgWarner Turbosystems • Mitsubishi • Toyota • ,…

64

3 Bronvermelding

• AUTO TECHNISCH ZAKBOEKJE, 14e herziene druk, 2009, uitgeverij Innovam, 846 p. • HET TURBO HANDBOEK, van Turbo’s Hoet • DE TECHNIEK VAN DE AUTO, van J.Trommelmans, vierde geheel herziene druk, 299 p. • http://www.turbos-hoet.com • http://www.turbochargers.nl • http://www.porsche-club-holland.nl • http://www.kickitup.nl/?p=591 • http://caboturbo.nl/ • http://www.hybridturbos.be/ • http://www.autoforum.be/showthread.php?18530-Drukvulling-turbo-compressor-comprex-

intercooler • http://www.arturbo.co.uk/turbo_works.asp • http://www.marcovw.nl/Motor/Turbo/turbo.htm • http://auto.howstuffworks.com/turbo.htm • http://www.porsche.com/microsite/technology/default.aspx?pool=uk&ShowSingleTechterm

=PTVTG&.. • http://turbo.honeywell.com/turbo-basics/ • http://www.motor-forum.nl/forum/list_message/3075737 • http://turbo-hulp.nl/ • http://www.rodspot.nl/drukvulling/wat-is-drukvulling • http://www.rodspot.nl/basismotor/pv-diagram • http://www.auto-techniek.com/motor/mechanische-drukvulling-compressor • http://www.tuning-gids.nl/turbo_turbocharger_supercharger.htm • http://www.febiac.be/public/content.aspx?FID=588