Turbo-aanjaer

'n Turbo-aanjaer is 'n meganiese induksietoestel aangedryf deur uitlaatgas wat gebruik word in binnebrandenjins om die werkverrigting te verbeter deur saamgeperste lug in die verbrandingskamers in te dwing. Dit maak dit moontlik om meer brandstof per slag te verbrand wat lei tot 'n groter kraglewering.

Beginsel van werking 
'n Turbo-aanjaer bestaan uit 'n turbine en 'n kompressor wat aan 'n gemeenskaplike as gekoppel is. Die turbine-inlaat ontvang die uitlaatgasse vanaf die verdelerpyp op die enjin-uitlaat wat die turbine se wiel laat draai. Die rotasie van die uitlaatgasse dryf die kompressor aan wat die lug saampers en dit na die inlaatverdeelpyp voer.

Die doel van 'n turbo-aanjaer is om die doeltreffendheid en daarmee saam die kraglewering van 'n enjin te verbeter deur een van die hoofbeperkinge daarvan te oorkom. 'n Natuurlik geaspireerde enjin gebruik slegs die afwaartse slag van 'n suier om 'n lae druk te skep om lug by die silinder in te suig. Die getal lug- en brandstofmolekules bepaal die beskikbare potensiële energie om die suier afwaarts te dwing tydens die kragslag. Gegewe dat die atmosferiese lugdruk relatief konstant bly sal daar dus 'n beperking wees op die hoeveelheid lug en gevolglik die hoeveelheid brandstof wat in die verbrandingskamer ingesuig kan word. Die vermoë om die silinder met lug te vul word na verwys as die volumetriese doeltreffendheid. Aangesien 'n turbo-aanjaer die lugdruk verhoog voor dit die silinder binnegaan en die hoeveelheid lug wat ingelaat word grootliks 'n funksie van druk en tyd is, sal meer lug ingelaat word as die druk verhoog word. Die funksie van die turbo-aanjaer is dus om hierdie inlaatdruk op 'n beheerbare manier te verhoog.

Die gebruik van 'n kompressor om die inlaatdruk na die silinder te verhoog word dikwels na verwys as meganiese induksie. Sentrifugale drukaanjaers werk op dieselfde manier as 'n turbo-aanjaer; die verskil is egter dat die energie om die kompressor aan te dryf in die geval van 'n drukaanjaer vanaf die enjin se krukas verkry word in plaas van die uitlaatgas soos in die geval van 'n turbo-aanjaer. Om hierdie rede is turbo-aanjaers meer doeltreffend, aangesien hulle turbines hitte-enjins is, wat die kinetiese energie van die uitlaatgas wat andersins vermors sou word, omskakel na nuttige werk. Die energie is anders as wat algemeen aanvaar word nie geheel en al verniet nie. Die turbo-aanjaer veroorsaak 'n terugdruk wat deur die enjin oorkom moet word. Drukaanjaers gebruik weer die uitsetkrag van die enjin om 'n verhoging in kraglewering te verkry wat 'n vermindering van die enjin se totale moontlike kraguitset veroorsaak.

Geskiedenis 
Die turbo-aanjaer is deur die Switserse ingenieur Alfred Buchi uitgevind wat werk gedoen het op stoomturbines. Hy het in 1905 aansoek gedoen om die patent vir die interne-verbrandingturbo-aanjaer. Dieselskepe en -lokomotiewe wat toegerus is met turbo-aanjaers het hul verskyning in die 1920's begin maak. Een van die eerste gebruike van turbo-aanjaers wat nie in dieselenjins gebruik is nie het plaasgevind toe Sanford Moss, 'n ingenieur van General Electric, 'n turbo op 'n V12 vliegtuigenjin geïnstalleer het. Die enjin het die voordeel gehad dat dit nie soveel krag verloor het soos ander vliegtuigenjins met binnebrandenjins as hulle hoog gevlieg het nie.

Turbo-aanjaers is vir die eerste keer in vliegtuigenjins gebruik tydens die 1930's voor die Tweede Wêreldoorlog. Die hoofdoel vir die aanwending van turbo's in vliegtuigenjins was dan om die hoogte waarteen die vliegtuie kon vlieg te verhoog deur te vergoed vir die laer atmosferiese druk by hoë hoogtes. Vliegtuie soos die Lockheed P-38 Lightning, Boeing B-17 Flying Fortress en Boeing B-29 Superfortress het almal uitlaatgasgedrewe "turbo-aanjaers" gebruik om die kraglewering van hul enjins op hoë hoogtes te verhoog. Dit is belangrik om kennis te neem dat die oorgrootte meerderheid vliegtuie van hierdie tydperk beide rataangedrewe sentrifugale drukaanjaers asook uitlaatgasgedrewe turbo-aanjaers op dieselfde enjin gebruik het.

Turbodieselvragmotors is in Europa en Amerika (veral Cummins) na 1949 vervaardig. Die turbo-aanjaer het groot opslae in 1952 gemaak toe Fred Agabashian die voorste wegspringplek behaal het tydens die kwalifiserende rondtes van die Indianapolis 500 en voorgeloop het totdat meganiese probleme sy motor laat faal het.

Na aanvanklike vroeëre mindersuksesvolle pogings deur General Motors met turbo-aangejaagde passasiersmotors het BMW die herlewing van turbo-aanjaers in 1973 ingelui met die 2002 Turbo met Porsche kort op hulle hakke met die bekendstelling van die 911 Turbo by die Paryse Motorskou in 1974. Buick was die eerste van GM se afdelings wat die turbo weer heringestel het in die 1978 Buick Regal, gevolg deur Mercedes-Benz met die 300D en Saab 99 in 1978. Die wêreld se eerste passasiersmotor met 'n turbodiesel is ook in 1978 bekendgestel deur Peugeot met die loods van die Peugeot 604. Vandag word byna alle passasiersvoertuie met dieselenjins met turbo-aanjaers toegerus.

Alfa Romeo was die eerste Italiaanse vervaardiger met 'n motor met 'n turbo-aanjaer met hul Alfetta GTV 2000 Turbodelta in 1979. Pontiac het 'n motor met 'n turbo in 1980 bekendgestel gevolg deur Volvo in 1981. Renault het 'n nuwe rigting ingeslaan deur 'n turbo-aanjaer in hul kleinste en ligste motor, die Renault 5 te installeer in 1980.

In Formule Een staan die tydperk tussen 1977 tot 1989 as die "turbo-era" bekend. Dit was die tydperk toe enjins met verplasings van 1500 cc kraglewering van tussen 746 tot 1119 kW kon lewer. Renault was die eerste vervaardiger om turbotegnologie in 1977 in F1 te gebruik. Turbo-aanjaers het die sport oorgeneem, maar die FIA het besluit dat dit die sport te gevaarlik en duur gemaak het en het beperkinge begin plaas op die druktoename in 1987 en is turbo-aanjaers in 1989 uiteindelik geheel en al verban.

In tydrenne is turbo-aangedrewe enjins met 'n verplasing van meer as 2000cc al lank die gunstelingkragbron by die Groep A/Wêreldtydrenkampioenskap (topvlak) mededingers vanweë die uitstaande krag-tot-gewig verhouding (en besonderse hoë wringkrag) wat bereikbaar is. Die FIA het eerder as om die tegnologie in tydrenne te verban, beperkings geplaas op die inlaatdeursnee en sodoende die druktoename beperk.

Die sukses van klein, turbo-aangedrewe, vierwielaangedrewe voertuie in tydrenne, wat begin het met die Audi Quattro het gelei tot die ontwikkeling van padvoertuie soos die Lancia Integrale, Toyota Celica GT-four, Subaru Impreza WRX en die Mitsubishi Lancer Evolution.

Ontwerpbesonderhede

Komponente 

'n Turbo-aanjaer het vier hoofkomponente:
 Die turbinewiel
 Die stuwer
 Koniese omhulsels vir elke wiel
 Die sentrale roterende spil

Die omhulsel rondom die kompressor se stuwer en turbine versamel en stuur die gasvloeie deur die wiele. Die grootte en die vorm van die omhulsel bepaal baie van die werkverrigtingseienskappe van die turbo-aanjaer. Die oppervlakte van die koniese deel vanaf die spil tot die wye tuit word uitgedruk as 'n verhouding. Sommige vervaardigers verskaf 'n basiese samestelling met verskeie keuses van bogenoemde verhouding. Dit laat die ontwerper toe om 'n doelgemaakte ontwerp daar te stel in terme van die werkverrigting, reaksiesnelheid en doeltreffendheid na gelang van die spesifieke ontwerpdoelwit. Die turbine- en stuwerwiel groottes dikteer ook die hoeveelheid lug of uitlaatgas wat deur die stelsel kan vloei en die relatiewe doeltreffendheid van hul werking. 'n Algemene reël is dat hoe groter die turbine- en kompressorwiele hoe groter die lugvloeikapasiteit. Mates en vorms, asook die kromming van- en die aantal lemme op die wiele wissel. Die as verbind die stuwer en turbine aanmekaar. Die as moet ook laers bevat om wrywing te verlaag.

Drukverhoging 
Die drukverhoging verwys na die toename in die absolute inlaatverdeelpyp se druk wat deur die turbo-aanjaer veroorsaak word. Dit is presies gelyk aan die druk soos op 'n drukmeter aangedui word. Die drukverhoging word beperk om die enjinstelsel binne sy bedryfsbestek te hou en word beheer deur 'n afvoersluis wat uitlaatgasse verby die uitlaatturbine laat vloei. In sommige motors hang die maksimum drukverhoging af van die brandstof se oktaangehalte en word elektronies beheer deur 'n klopsensor.

Baie dieselenjins het nie so 'n afvoersluis nie omdat die hoeveelheid uitlaatgas direk beheer word deur die hoeveelheid brandstof wat ingespuit word en klein veranderinge in die drukverhoging maak nie 'n groot verskil aan die enjin se werkverrigting nie.

Afvoersluis 
Die vinnigdraaiende kompressorturbine trek 'n groot hoeveelheid lug in en forseer dit deur die enjin. As die turbo-aanjaer se uitsetvloei die enjin se volumetriese vermoë oorskry sal die inlaatverdeelpyp se druk te hoog word. Die rotasiesnelheid van die turbine kan ook te hoog word en daarom moet die uitlaatgas wat dit aandryf beheer word. Vir dié doeleinde is die gebruik van 'n afvoersluis die mees algemene meganiese manier om die spoed te beheer. Die stelsel word dikwels deur 'n bykomende elektroniese beheerstelsel bygestaan. Die hoofdoel van die afvoersluis is dus om van die uitlaatgas rondom die turbine te lei wanneer die verlangde inlaatdruk verkry is. Die meeste passasiersvoertuie se afvoersluise word by die turbo-aanjaer ingebou.

Stuwingsvermydings-, stort- of afblaaskleppe 
Turbo-aangedrewe enjins wat met 'n vol-oop smoorklep en teen hoë omwentelinge werk vereis dat 'n groot hoeveelheid lug tussen die turbo en die inlaat van die enjin vloei. As die smoorklep toegemaak word sal die saamgeperste lug na die smoorklep beweeg sonder 'n plek om heen te gaan. Dit kan 'n stuwing tot gevolg hê wat die druk van die lug tot so 'n mate verhoog dat die enjin beskadig kan word. Die skielike drukverhoging kan ook 'n terugvloei na die turbo se kompressor veroorsaak wat die kompressor se wiel skielik sal rem. As die smoorklep weer oopgemaak word sal die terugdruk ook veroorsaak dat die kompressor stadig versnel en dus die reaksiesnelheid van die enjin beïnvloed. Om hierdie verskynsel te verhoed word 'n klep tussen die turbo en die inlaat geïnstalleer om die oortollige lug af te blaas. Die kleppe word gewoonlik deur die enjinvakuum of met elektroniese beheermetodes geaktiveer.

Die hoofdoel van die klep is om skade aan die enjin vanweë 'n drukstuwing te vermy en om te verseker dat die turbo altyd teen 'n hoë spoed bly draai. Die kleppe kan ook gebruik word om die drukverhoging te beheer op 'n soortgelyke wyse as die afvoersluis maar word om praktiese redes selde gebruik. Die lug word gewoonlik na die atmosfeer afgeblaas of kan alternatiewelik na die turbo se inlaat gehersirkuleer word. Die hersirkulasie verminder die blaasklank wat die turbo voortbring.

Brandstofdoeltreffendheid 
Aangesien die turbo-aanjaer die spesifieke kraglewering van 'n enjin beïnvloed, sal die enjin ook groter hoeveelhede afvalhitte vrystel. Dit kan probleme veroorsaak in motors wat nie van meet af aan ontwerp is om die hoë hittelading te hanteer nie. Hierdie ekstra afvalhitte saam met die laer kompressieverhouding van turbo-aangejaagde enjins dra by tot 'n effens laer termiese doeltreffendheid, wat 'n klein maar direkte impak op die oorhoofse brandstofdoeltreffendheid het.

Selfs al word die saamgeperste lug verkoel in 'n tussenverkoeler is die totale saampersing in die verbrandingskamer groter as in 'n natuurlike geaspireerde enjin. Om enjinklop te vermy en steeds die maksimum krag uit die enjin te tap, is dit soms gebruiklik om ekstra brandstof in te voer slegs om beter verkoeling te bewerkstellig. Die oortollige brandstof word nie verbrand nie maar absorbeer slegs die hitte. Terwyl hierdie gebruik wel lei tot verhoogde kraglewering is dit ten koste van brandstofekonomie en verhoogde uitlaatgasse.

Verwysings 
 Happy 100th Birthday to the Turbocharger , Don Sherman, Automobile Magazine, February 2006

Eksterne skakels 
 Artikel oor hoe turbo-aanjaers werk
 Fotos van 5 kragtige turbo enjins 

Voertuigtegnologie