Turboladdare – definition, funktion och fördelar

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.