Turboladdare – definition, funktion och fördelar
Lär dig vad en turboladdare är, hur den fungerar och vilka fördelar den ger — ökad effekt, bättre bränsleeffektivitet och förbättrad motorkapacitet.
En turboladdare, eller turbo, är en gaskompressor som används för att tvinga in mer luft i en förbränningsmotor. Genom att öka luftmängden i cylindrarna kan motorn förbränna mer bränsle och därmed producera mer effekt. En turboladdare är en form av tvångsinduktion och består i grunden av en kompressor och en turbin sammankopplade via en axel. Turbinen drivs av motoravgaserna och snurrar kompressorn — det behövs alltså ingen direkt mekanisk drivning från motorns vevaxel.
Hur en turboladdare fungerar
- Avgaser driver turbinen: Avgaserna lämnar förbränningskammaren och passerar genom turbinhjulet. Trycket och energin i avgaserna får turbinen att snurra.
- Kompressorn trycker in luft: Turbinens rörelse överförs via en axel till kompressorn. Kompressorn suger in omgivningsluft och trycker den till högre tryck in i insugningssidan av motorn.
- Intercooler: Den uppkomna kompressionen värmer luften. För att förbättra effekt och motortålighet kyls ofta luften i en intercooler innan den når insugsmanifolden.
- Wastegate/avledningsventil: För att begränsa laddtrycket används en wastegate eller elektronisk ventil som släpper förbi en del avgaser utan att gå genom turbinen.
Viktiga komponenter
- Turbinhjul – drivs av avgaser.
- Kompressorhjul – pressar in luft i motorn.
- Axel och lager – bär och för över rotation; kan vara oljeburna eller keramiska.
- Wastegate – reglerar maximal laddning.
- Intercooler – kyler̊ den komprimerade luften.
Typer av turboladdare
- Enkel turbo – vanligast, enkel turbin och kompressor.
- Tvilling-turbo (twin turbo) – två turboladdare, antingen seriekopplade eller parallella för bättre respons eller effekt.
- Variable Geometry Turbo (VGT) – justerbara styrskovlar på turbinen för bättre verkningsgrad över ett större varvtalsregister.
- Elektriskt assisterad turbo – en elektrisk motor hjälper turbinen/kompressorn för att minska turbolagg.
Fördelar
- Ökad effekt utan att behöva större motorkubik.
- Bättre bränsleeffektivitet vid rätt körsätt — mindre motor med turbo kan ge samma effekt som en större atmosfärisk motor.
- Minskad vikt och utrymme: Mindre motor och komponenter jämfört med motsvarande sugmotorer.
- Högre verkningsgrad: Tar tillvara energi som annars skulle gå ut med avgaserna.
Nackdelar och risker
- Turbolagg: Fördröjning mellan gaspådrag och full turbowirkning, särskilt på äldre eller enklare system.
- Ökat värme- och tryckstress: Högre temperaturer och tryck kan öka slitage och krav på kylning/olja.
- Komplexitet och kostnad: Fler komponenter ger högre servicekostnader och mer komplex felsökning.
- Felaktig hantering: Till exempel att stänga av motorn direkt efter hård körning kan skada lagren — låt motorn gå på tomgång eller använd turbotimer om nödvändigt.
Underhåll och vanliga problem
- Oljeförsörjning: Rent och rätt tryck i oljesystemet är avgörande. Smutsig olja eller oljeläckage skadar lagren.
- Luftläckor: Sprickor eller lösa slangar i insugs- eller intercoolersystemet minskar effekt och kan orsaka ojämn gång.
- Slitage på turbin/kompressor: Inloppsfrämmande föremål eller små partiklar kan skada skovlar och orsaka obalans.
- Överhettning: Kontrollera kylsystem och låt turbon svalna efter hård belastning.
Användningsområden
- Personbilar och lastbilar för att öka effekt och effektivitet.
- Prestandafordon och motorsport för maximal effekt från mindre motorer.
- Industriella motorer, fartyg och kraftaggregat där utrymme och vikt spelar roll.
Turboladdare kontra mekanisk kompressor
- Turbo drivs av avgaser och återvinner annars förlorad energi, vilket ofta ger bättre bränsleeffektivitet.
- Kompressor (roots, snails etc.) drivs direkt av motorn och ger oftast omedelbar respons men kostar effekt från motorn och kan ge sämre bränsleekonomi.
Praktiska råd för förare
- Låt motorn varva ner efter tung acceleration före avstängning.
- Använd rekommenderad olja och följ serviceintervaller för byten av olja och filter.
- Lyssna efter ovanliga ljud (vissling, skrap eller högfrekventa ljud) som kan tyda på turboproblem.
- Åtgärda läckage och fel i insugssystemet snarast för att undvika ytterligare skador.
Sammanfattningsvis är en turboladdare ett effektivt sätt att öka motorns effekt och verkningsgrad genom att nyttja avgaserna för att komprimera insugsluften. Rätt design, underhåll och körsätt är viktiga för lång livslängd och bra prestanda.
Skärning av en turboladdare med luftfolie som bärs av ett lager.
Namn
Tidiga tillverkare av turboladdare kallade dem för "turbosuperchargers". En kompressor är en luftkompressor som används för att tvinga in luft i en motor. De trodde att om man lade till en turbin för att driva kompressorn skulle man få en "turbosupercharger". Termen förkortades snart till "turboladdare". Detta kan nu skapa viss förvirring. Termen "turbosupercharged" används ibland för att hänvisa till en motor som använder både en vevaxeldriven kompressor och en avgasdriven turboladdare. Detta kallas också för dubbelladdning.
Vissa företag, t.ex. Teledyne Continental Motors, använder fortfarande termen turbosupercharger för sina turboladdare.
Operation
En motor skapar kraft genom att förbränna en blandning av luft och bränsle. Luften och bränslet förs in i cylindrarna för att brinna. När de brinner trycker de kolven nedåt. Kolven vrider vevaxeln och skapar kraft. För bilmotorer mäts detta i hästkrafter.
Naturligt sugna motorer (Normally Aspirated)
En motor som inte har någon turboladdare eller kompressor kallas för en motor med naturlig eller normal insugning. När motorspecifikationerna listas brukar man normalt bara notera om motorn har en turboladdare eller kompressor. De flesta bilmotorer har naturlig insugning. Den effekt de kan skapa begränsas av den mängd luft som kolvarna kan dra in i cylindrarna.
Turboladdade motorer
En turboladdare är en liten fläktpump som snurrar runt en axel. Pumpen drivs av avgasernas tryck. En turboladdare består av en turbin och en kompressor. De är båda monterade på samma axel. Turbinen är en värmemotor. Den omvandlar avgasvärme och tryck till rotation. Denna rotation används för att vrida kompressorn. Kompressorn tar in suger in uteluften. Den pressar eller komprimerar luften. Den skickar sedan luften till motorn. Eftersom lufttrycket har ökat kan mer luft och bränsle föras in i cylindrarna. Detta kallas ibland för boosttryck.Med mer bränsle att förbränna kan motorn skapa mer kraft. Detta ökar motorns hästkrafter.
Skador på motorn
Motorn kan skadas om lufttrycket i cylindrarna blir för högt. Om för mycket avgas skickas till turbinen kan kompressorn skapa för högt tryck. För att förhindra att detta händer används en wastegate. Avfallsporten begränsar mängden avgas som skickas till turbinen.
Historia
Turbokompressorn uppfanns av den schweiziske ingenjören Alfred Büchi. Hans patent söktes för användning 1905. Dieselfartyg och lokomotiv med turboladdare började dyka upp på 1920-talet.
Luftfart
Under första världskriget monterade den franske ingenjören Auguste Rateau turboaggregat på Renault-motorer som drev olika franska stridsflygplan, med viss framgång.
1918 monterade Sanford Moss, ingenjör på General Electric, en turboladdare på en Liberty-flygmotor. Motorn testades vid Pikes Peak i Colorado på 4 300 m höjd. Testet skulle visa att turbon kunde ge den kraft som flygplan förlorar på hög höjd. Förbränningsmotorer förlorar effekt eftersom lufttrycket utanför flygplanet är lågt på hög höjd. Mindre luft och bränsle kan sugas in i motorn.
Turboladdare användes för första gången i flygplansmotorer på 1930-talet.
Produktionsbilar
Den första lastbilen med turboladdad dieselmotor byggdes av det schweiziska maskinverket Saurer 1938. De första turboladdade bilmotorerna i produktion kom från General Motors 1962. Oldsmobile Cutlass Jetfire var utrustad med en Garrett AiResearch-turboladdare och Chevrolet Corvair Monza Spyder med en TRW-turboladdare.
1974, på Paris Auto Show, visade Porsche 911Turbo. Detta var under oljekrisens höjdpunkt. 911Turbo var den första serietillverkade sportbilen med avgas-turboaggregat och tryckregulator. Tryckregulatorn var wastegate. De första turbodieselbilarna i produktion var Mercedes 300SD med en Garrett-turboladdare och Peugeot 604. Båda introducerades 1978. I dag är de flesta fordonsdieslar turboladdade.
Racingbilar
Den första framgångsrika turboladdade tävlingsmotorn verkar ha varit 1952. Fred Agabashian i en dieseldriven Cummins Special kvalificerade sig för pole position i Indianapolis 500. Han ledde i 282 km (175 miles). Sedan skadades turbon av däckrester. Offenhausers turboladdade motorer kom först till Indianapolis 1966. Deras första seger kom 1968 med hjälp av en Garrett AiResearch-turboladdare. Turboladdade bilar dominerade 24-timmarsloppet i Le Mans mellan 1976 och 1988, och därefter mellan 2000 och 2007.
| ||||||||
Formel 1 hade en "Turbo-eran" från 1977 till 1989. Motorer med en kapacitet på 1500 cc kunde producera så mycket som 1500 hk (1119 kW). År 1977 var Renault först med att använda turboladdade motorer i F1. Prestandan kompenserade för den höga kostnaden. Andra motortillverkare började bygga turbos. De turboladdade motorerna tog över F1-fältet. De avslutade Ford Cosworth DFV-eran i mitten av 1980-talet. FIA beslutade att turboladdare gjorde sporten för farlig och dyr. År 1987 beslutade FIA att begränsa den maximala laddningen av turbos. År 1989 förbjöds turboladdare helt och hållet.
World Rally Car-förare har länge föredragit turboladdade motorer. De ger ett mycket högt effekt-viktförhållande. Turboeffekten började stiga till F1-bilarnas nivå. FIA förbjöd inte turbos. De begränsar turboeffekten genom att begränsa inloppsdiametern.
Chevrolet Corvairs turboladdade motor. Turbon, som är placerad högst upp till höger, för in tryckluft i motorn genom det kromade T-röret som sträcker sig över motorn.
Flera turboaggregat
Parallell
Vissa motorer har två turboladdare. De är båda lika stora. De är normalt mindre än de som används på motorer med en enda turbo. De används ofta på motorer av V-typ, till exempel V6- och V8-motorer. Varje turbo drivs av ett separat avgasrör från motorn. Eftersom de är mindre når de sin optimala laddning snabbare. Denna uppsättning turbos kallas normalt för ett parallellt dubbelturbosystem. Den första produktionsbilen med parallella dubbelturbosystem var Maserati Biturbo i början av 1980-talet.
Sekventiell
Vissa biltillverkare undviker turbolag (nedan) genom att använda två små turbos. Den normala inställningen är att en turbo arbetar hela tiden. Den andra turbon börjar fungera först vid högre varvtal. Eftersom turbon är mindre har de inte lika mycket turbofördröjning. Den andra turbon kommer att kunna nå full fart innan den behövs. Den här inställningen kallas normalt för en sekventiell twin-turbo. Porsche använde denna teknik för första gången 1985 i Porsche 959.
Tillämpningar
Diesel
Turboladdning är mycket vanligt på dieselmotorer i bilar, lastbilar, lokomotiv, fartyg och tunga maskiner. Dieselmotorer är särskilt lämpliga för turboladdare av flera skäl:
- Turboladdning kan dramatiskt förbättra motorns effekt och förhållandet mellan effekt och vikt.
- Dieselmotorer för lastbilar och industrier körs normalt på högsta varvtal. Detta minskar problemen med turboläge.
- Dieselmotorer har inga knackningar. Dieselbränslet sprutas in i slutet av kompressionsslaget och antänds av kompressionsvärmen. Dieselmotorer kan använda mycket högre laddtryck än bensindrivna motorer.
Motorcykel
Att använda turboladdare för att öka prestandan var mycket lockande för de japanska tillverkarna på 1980-talet. Det första exemplet på en motorcykel med turboladdning är Kawasaki Z1R TC från 1978. Den använde ett Rayjay ATP-turbokit för att bygga 0,35 bar (5 lb) laddning. Detta höjde effekten från 90 hk (67 kW) till 105 hk (78 kW). Den var endast något snabbare än standardmodellen. Flera andra motorcyklar byggdes med turboaggregat. Turbotillämpningar för motorcyklar ökade deras pris. De små prestandavinsterna var inte värda den extra kostnaden. Sedan mitten av 1980-talet har inga tillverkare tillverkat motorcyklar med turboladdning.
Flygplan
En naturlig användning av turboladdare är flygplansmotorer. När ett flygplan stiger till högre höjder sjunker trycket i den omgivande luften snabbt. En turboladdare löser detta problem genom att komprimera luften till högre tryck.
Temperaturöverväganden
Genom att komprimera luften ökar dess temperatur. Detta orsakar flera problem. Ökade temperaturer kan leda till att motorn knackar på grund av ökade temperaturer i cylinderhuvudet. Varm luft kan inte förbränna lika mycket bränsle som kall luft. Detta minskar den producerade effekten.
Den vanligaste metoden för att hantera den varmare luften är att kyla den. Det vanligaste sättet är att använda en mellankylare eller efterkylare. Dessa kylare sänker luftens temperatur innan den kommer in i motorn.
Moderna turboladdade flygplan behöver vanligtvis inte kyla inkommande luft. Deras turboaggregat är i allmänhet små och trycket som skapas är inte särskilt högt. Lufttemperaturen höjs därför inte särskilt mycket.
Jämförelse med överladdning
För att en kompressor ska fungera måste den ta bort en del kraft från motorn. Den effekt den tillför är större än den effekt den använder. En turboladdare använder avgaserna. Detta är värmeenergi som skulle gå till spillo.
Egenskaper
Tillförlitlighet
Turboladdare kan skadas av smutsig eller dålig olja. De flesta tillverkare rekommenderar tätare oljebyten för motorer med turboladdning. Turbokompressorn blir varm när den är igång. Många rekommenderar att man låter motorn gå på tomgång i flera minuter innan man stänger av motorn. Detta ger turbon tid att svalna. Detta kommer att öka turboens livslängd.
Turbofördröjning
Den tid som krävs för att turbon ska bygga upp det nödvändiga trycket kallas för turbofördröjning. Detta märks som en tvekan i motorns reaktion. Det orsakas av den tid det tar för avgassystemet att sätta fart på turbinen. Den direktdrivna kompressorn i en kompressor har inte detta problem.
Lag kan minskas genom att använda lättare delar. Detta gör att turbinen kan starta snabbare. Andra mekaniska förändringar kan minska turbofördröjningen, men till en högre kostnad.
Sök