Hur turboladdare fungerar

Bildgalleri: Turboladdare Mitsubishi Lancer Evolution IX: s turboladdarsystem. Se fler turboladdare. YOSHIKAZU TSUNO / AFP / Getty Images

När folk pratar om racerbilar eller högpresterande sportbilar, ämnet för turboladdare kommer vanligtvis upp. Turboladdare visas också på stora dieselmotorer. En turbo kan öka motorens hästkrafter betydligt utan att väsentligt öka vikten, vilket är den enorma fördelen som gör turbos så populära!

I den här artikeln kommer vi att lära oss hur en turboladdare ökar effekteffekten för en motor samtidigt som de överlever extrema driftsförhållanden. Vi lär oss också hur wastegates, keramiska turbinblad och kullager hjälper turboladdare att göra sitt jobb ännu bättre. Turboladdare är en typ av tvingat induktionssystem. De komprimera luften som strömmar in i motorn (se Hur bilmotorer fungerar för en beskrivning av luftflödet i en normal motor). Fördelen med att komprimera luften är att den låter motorn pressa mer luft i en cylinder, och mer luft gör att mer bränsle kan tillsättas. Därför får du mer kraft från varje explosion i varje cylinder. En turboladdad motor genererar mer kraft totalt sett än samma motor utan laddning. Detta kan förbättra motorns vikt-till-vikt betydligt (se Hur Hästkrafter fungerar för detaljer).

-För att uppnå detta uppsving använder turboladdaren avgassflödet från motorn för att snurra a turbin, som i sin tur snurrar en luft pump. Turbinen i turboladdaren snurrar med hastigheter upp till 150 000 rotationer per minut (varv / minut) - det är ungefär 30 gånger snabbare än de flesta bilmotorer kan gå. Och eftersom det är anslutet till avgaserna är temperaturen i turbinen också mycket hög.

Fortsätt läsa för att ta reda på hur mycket mer kraft du kan förvänta dig av din motor om du lägger till en turboladdare.

Innehåll

1. Turboladdare och motorer
2. Design av turboladdare
3. Turboladerdelar
4. Använda två turboladdare och fler turbodelar

Där turboladdaren finns i bilen.

Ett av de säkraste sätten att få ut mer kraft från en motor är att öka mängden luft och bränsle som den kan bränna. Ett sätt att göra detta är att lägga till cylindrar eller göra de nuvarande cylindrarna större. Ibland kanske dessa förändringar inte är genomförbara - en turbo kan vara ett enklare och mer kompakt sätt att lägga till ström, särskilt för ett eftermarknadstillbehör.

Med turboladdare kan en motor bränna mer bränsle och luft genom att packa mer i de befintliga cylindrarna. Den typiska boost som tillhandahålls av en turboladdare är 6 till 8 pund per kvadrat tum (psi). Eftersom normalt atmosfärstryck är 14,7 psi vid havsnivån kan du se att du får cirka 50 procent mer luft i motorn. Därför kan du förvänta dig att få 50 procent mer kraft. Det är inte perfekt effektivt, så du kan få en 30- till 40 procent förbättring istället.

En orsak till ineffektivitet kommer från det faktum att kraften att snurra turbinen inte är fri. Att ha en turbin i avgasflödet ökar begränsningen i avgaserna. Detta innebär att mot avgasen måste motorn trycka mot ett högre mottryck. Detta subtraherar lite kraft från cylindrarna som skjuter samtidigt.-

-

Hur en turboladdare placeras i en bil Bild med tillstånd av Garrett

Turboladdaren är bultad på avgasrör av motorn. Avgaserna från cylindrarna snurrar turbin, som fungerar som en gasturbinmotor. Turbinen är ansluten med en axel till kompressor, som är beläget mellan luftfiltret och insugningsgrenröret. Kompressorn trycksätter luften som går in i kolvarna.

Inuti en turboladdare bild med tillstånd av Garrett

Avgaserna från cylindrarna passerar genom turbinblad, vilket får turbinen att snurra. Ju mer avgaser som går igenom bladen, desto snabbare snurrar de.

På den andra änden av axeln som turbinen är fäst vid, kompressor pumpar luft in i cylindrarna. Kompressorn är en typ av centrifugalpump - den drar in luft i mitten av bladen och slänger den utåt när den snurrar.

För att hantera hastigheter upp till 150 000 varv / minut måste turbinaxeln stöttas mycket noggrant. De flesta lager skulle explodera i hastigheter som denna, så de flesta turboladdare använder a vätskelager. Denna typ av lager stöder axeln på ett tunt lager olja som ständigt pumpas runt axeln. Detta tjänar två syften: Det kyler skaftet och några av de andra turboladerdelarna, och det gör att axeln kan snurra utan mycket friktion.

Det är många avvägningar som är involverade i att designa en turboladdare för en motor. I nästa avsnitt tittar vi på några av dessa kompromisser och ser hur de påverkar prestandan.

För mycket ökning?

När luft pumpas in i cylindrarna under tryck av turboladdaren och sedan komprimeras ytterligare av kolven (se Hur bilmotorer fungerar för en demonstration) finns det större risk för bank. knackar händer eftersom när du komprimerar luft ökar lufttemperaturen. Temperaturen kan öka tillräckligt för att antändas bränslet innan tändstiftet tänds. Bilar med turboladdare behöver ofta köra på högre oktanbränsle för att undvika knock. Om höjningstrycket är riktigt högt kan motorns kompressionsförhållande behöva sänkas för att undvika knackning.

Turboladdare ger motorerna högre hastigheter. © Fotograf: Max Dimyadi | Byrå: Dreamstime.com

Ett av huvudproblemen med turboladdare är att de inte ger en omedelbar kraftförstärkning när du går på gasen. Det tar en sekund för turbinen att komma upp i fart innan boost produceras. Detta resulterar i en känsla av fördröjning när du trampar på bensin, och sedan lyfter bilen framåt när turboen rör sig.

Ett sätt att minska turbo-fördröjningen är att minska tröghet av de roterande delarna, främst genom att minska deras vikt. Detta gör att turbinen och kompressorn kan accelerera snabbt och börja ge boost tidigare. Ett säkert sätt att minska trögheten i turbinen och kompressorn är att göra turboladdaren mindre. En liten turboladdare kommer att ge boost snabbare och vid lägre motorvarvtal, men kanske inte kan ge mycket boost vid högre motorvarvtal när en riktigt stor volym luft går in i motorn. Det riskerar också att snurra för snabbt vid högre motorvarvtal, när mycket avgaser passerar genom turbinen.

De flesta turboladdare för fordon har en wastegate, vilket tillåter användning av en mindre turboladdare för att minska fördröjningen samtidigt som den förhindrar att den snurrar för snabbt med höga motorvarvtal. Wastegate är en ventil som gör att avgaserna kan gå förbi turbinbladen. Wastegaten känner av booststrycket. Om trycket blir för högt kan det vara en indikator på att turbinen snurrar för snabbt, så att wastegaten kringgår en del av avgaserna runt turbinbladen, så att bladen kan bromsa ner.

Vissa turboladdare använder kullager istället för fluidlager för att stödja turbinaxeln. Men det här är inte dina vanliga kullager - de är superexakta lager tillverkade av avancerade material för att hantera turboladdarens hastigheter och temperatur. De tillåter turbinaxeln att snurra med mindre friktion än de vätskelager som används i de flesta turboladdare. De gör det också möjligt att använda en något mindre, lättare axel. Detta hjälper turboladdaren att accelerera snabbare, vilket ytterligare minskar turbo-fördröjningen.

Keramiska turbinblad är lättare än stålbladen som används i de flesta turboladdare. Återigen tillåter detta turbinen att snurra upp till hastighet snabbare, vilket minskar turbo-fördröjningen.

En Mazda RX-8 roterande coupé utrustad med ett eftermarknads turboladdarsystem. TOSHIFUMI KITAMURA / AFP / Getty Images

Vissa motorer använder två turboladdare i olika storlekar. Den mindre snurrar upp till hastigheten mycket snabbt, vilket minskar fördröjningen, medan den större tar över vid högre motorvarvtal för att ge mer boost.

När luft komprimeras värms den upp; och när luften värms upp expanderar den. Så något av tryckökningen från en turboladdare är resultatet av att värma upp luften innan den går in i motorn. För att öka motorns effekt är målet att få fler luftmolekyler in i cylindern, inte nödvändigtvis mer lufttryck.

En intercooler eller ladda luftkylare är en ytterligare komponent som ser ut som en radiator, förutom att luft passerar genom insidan och utsidan av intercooler. Inloppsluften passerar genom förseglade passager inuti kylaren, medan svalare luft från utsidan blåses över fenor av motorns kylfläkt.

-

Interkylaren ökar motorns kraft ytterligare genom att kyla den tryckluft som kommer ut ur kompressorn innan den går in i motorn. Detta innebär att om turboladdaren arbetar med en ökning på 7 psi, kommer det interkylda systemet att lägga in 7 psi svalare luft, som är tätare och innehåller fler luftmolekyler än varmare luft.

En turboladdare hjälper också på höga höjder, där luften är mindre tät. Normala motorer kommer att uppleva minskad effekt i höga höjder eftersom motorn kommer att få en mindre massa för varje slag i kolven. En turboladdad motor kan också ha minskad effekt, men reduktionen blir mindre dramatisk eftersom den tunnare luften är lättare för turboladdaren att pumpa.

Äldre bilar med förgasare ökar automatiskt bränslehastigheten för att matcha det ökade luftflödet som går in i cylindrarna. Moderna bilar med bränsleinsprutning kommer också att göra detta till en punkt. Bränsleinsprutningssystemet förlitar sig på syrgasgivare i avgaserna för att avgöra om luft-till-bränsleförhållandet är korrekt, så dessa system kommer automatiskt att öka bränsleflödet om en turbo tillsätts.

Om en turboladdare med för mycket boost läggs till en bränsleinsprutad bil kanske systemet inte tillhandahåller tillräckligt med bränsle - antingen den programvara som är programmerad i regulatorn tillåter det inte, eller pumpen och injektorerna kan inte leverera den. I detta fall måste andra ändringar göras för att få maximal nytta av turboladdaren.

För mer information om turboladdare och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.

Relaterade artiklar

• Motorquiz
• Hur bilmotorer fungerar
• Hur bilantändningssystem fungerar
• Hur hästkrafter fungerar
• Hur momentomvandlare fungerar
• Hur fungerar Aptera-hybriden
• Hur Champ Cars fungerar
• Hur NASCAR racerbilar fungerar
• Hur bilkylsystem fungerar
• Hur hjälper lustgas en motor att prestera bättre?

Fler bra länkar

• Turbo International: How Turbos Work - illustrerad!
• Mercedes-Benz: VNT-turboladdare med variabel turbingeometri
• Ray Hall Turbocharging - Twin Turbo 351 Windsor
• Sport Compact Car Magazine: Turbo Basics