Turboen er langt fra ny. Det første patentet ble tatt ut allerede i 1905, selv om det tok ytterligere 20 år før det ble laget en som virket.
Likevel er det først i nyere tid teknologien har tatt av. Nå er en ny generasjon motorer på vei inn i markedet. En med lite sylindervolum som kompenseres med bruk av turbo.
Les også: Om tre år skal du kunne kjøre elektrisk gjennom hele landet
Tvangsfôring
En stempelbasert firetakts forbrenningsmotor er i utgangspunktet en som suger inn luft når innsugingsventilen åpner og stemplet beveger seg nedover. Motorens volum, turtall og sprellåpning på bensinbiler bestemmer hvor mye luft den klarer å suge inn og dermed bruke til forbrenningen.
Turboen og forkompressoren er måter å dytte mer luft inn i motoren enn den klarer å suge selv. Dermed kan man øke effekten eller redusere volumet.
Hver metode har sine fordeler, men turboen har stort sett vunnet kampen. Forkompressoren drives av motoren og gir et jevnt overtrykk over hele turtallsregisteret. Jevnt trykk er bra, men det er ikke bra at den snylter på motorens mekaniske kraftproduksjon.
Turboen, derimot, snylter ikke på den utnyttbare mekaniske energien.
Den hentter energi fra eksosgassen som ikke kan utnyttes på annen måte. Den bruker altså «gratis» energi og nye turboteknologier klarer å komme rundt problemet med jevnt overtrykk over turtallsområdet, som har vært en stor ulempe for turboen tidligere.
Les også: Vil utvinne strøm fra eksosvarme
Enkelt prinsipp
Prinsippet for en turbo kan knapt bli enklere – to «vifter» forbundet med en aksel. Når eksosen blåser gjennom den ene drives den andre rundt og trykker luft inn i motoren. Alle turboer virker etter dette prinsippet, men de er blitt temmelig sofistikert de siste årene.
En turbo er en forholdsvis effektiv måte å utnytte energien i eksosen på, men begge trinn og den mekaniske virkningsgraden påvirker resultatet.
På eksossiden, turbinsiden, er virkningsgraden medregnet de mekaniske tapene på rundt 70 prosent. På luftsiden, kompressorsiden, er den på mellom 75 og 80 prosent. Totalvirk-ningsgraden er på mellom 50 og 60 prosent.
Mye bedre enn i selve forbrenningsmotoren, altså. Men siden all denne energien ellers går tapt, er regnestykket ganske positivt.
En av parameterne som påvirker hvor effektiv turboen er, er gapet mellom turbinene og huset. Jo større turbinene er, jo mindre er gapet i prosent. En liten turbo har altså mindre virkningsgrad, men også andre designparameter spiller inn.Kompressoren har alltid litt større diameter enn turbinen. Et forhold mellom 1: 1,05 til 1:1,25 er vanlig.
Bensinmotorer har større diameter på turboen. I en toliter er typiske diameter for turbinene mellom 46 og 48 mm og 54 og 56 mm for kompressoren.
Les også: Denne bilen skal kjøre i 1600 km/t
Fast geometri-turbo
Det enkleste turboprinsippet er det med fast geometri.
Slike var gjerne konstruert for maksimal ytelse. Ulempen med dem var at man hadde en treghet på grunn av stor diameter og trengte mye energi for å komme opp i turtall.
De akselererte sakte og trykket og motoreffekten kom svært brått. Typisk turtall i en turbo er over 4000 omdreininger i sekundet.
Wastegate-turbo
En wastegate-turbo, altså en med en overløpsport, er basert på det samme prinsippet, men den har mindre hus og mindre diameter på turbinen og kompressoren.
På den måten reagerer den raskere og effekten slår inn på et lavere turtall. Når eksosgassen strømmer ut ved høyt turtall og høyt pådrag, kan gassmengden reguleres ved å lede den utenom turboen slik at den ikke overbelastes gjennom overløpsporten.
Periferihastigheten bør ikke overskride 530 m/s på turbinsiden og 560 m/s på kompressorsiden.
Wastegate-turboer gir litt lavere makseffekt, men fungerer mye bedre over turtallsregisteret.
Les også: Utviklet alternativ til diesel - fikk kjemperegning
Variabel geometri-turbo
En nyere teknologi som sprer seg raskt, er å utstyre turboen med mange justerbare ledeskovler i eksosstrømmen.
Ved å vri dem kontrollerer man eksoshastigheten inn på turbinen. Ved å strupe gasstrømmen kan man få høy eksoshastighet selv på lave motorturtall og så kan skovlene åpnes for å kontrollere hastigheten når turtallet øker.
Dette er en bedre, men litt dyrere måte å optimalisere virkningsgraden over motorens turtall. Det forbedrer drivstofforbruket og gjør at effekten kommer raskere. Dette prinsippet brukes i svært mange dieselmotorer.
Totrinnsturbo
En mer effektiv, men også dyrere løsning er å bruke en totrinnsturbo.
Ved å la to turboer, som er optimalisert for hvert sitt eksosvolum, gjøre jobben kan man få en mye bedre karakteristikk over hele turtallsregisteret.
En turbo med liten diameter på turbinen starter lettere og roterer raskere med en liten eksosmengde på lave turtall, mens en med større diameter og derfor tregere tar seg av de store volumene som kommer når motoren belastes og turtallet stiger.
I starten gjør den lille turboen jobben, så jobber de sammen og med høyt pådrag overtar den store. Ulempen med to trinn på denne måten er prisen og en komplisert gassføring og regulering inn og ut av begge to.
En totrinnsturbo kan typisk øke litereffekten på en dieselmotor fra 70 til 85 kW/l.
Den vanlige forståelsen av en biturbo er to vanlige og helt like turboer som tar seg av hver sin sylinderrekke i V-motorer.
Les også: – Elbil mindre miljøvennlig enn diesel
Lettere
Jo lettere turbiner og kompressorer, jo raskere kan en turbo akselerere.
I dag brukes mye nikkel på turbinsiden. Dette for å tåle temperaturene, som kan komme opp i over tusen grader. Svært kostbare kompressorer lages av titan med nesten halve egenvekten.
Problemet er prisen og at titan ikke kan brukes billig i store serier. Dit tror turboutviklerne de kommer og da vil det også være mulig å gi turbinen en mer optimal utforming fordi den akselererer så mye kjappere. Den støpte legeringen som brukes til å lage turbinhuset kan bli erstattet av billigere presset platemetall.
På samme måte arbeides det med å utvikle kompressorer basert på magnesium i stedet for aluminium, som brukes i dag. Aluminium brukes også i kompressorhuset i dagens modeller, for her kommer ikke temperaturen over 220 grader. Det kan bli erstattet av plast i fremtiden på grunn av bedre kontroll med overflateruheten.
Bedre turboer kommer
Selv om turboen gjør det mulig å designe mer effektive motorer i fremtiden med mindre drivstofforbruk og utslipp, vil også turboene forbedres.
I dag har de aller fleste turboer oljesmurte aksielle og radielle glidelagre og det medfører en god del friksjon. Løsningen er kulelagre og det vil bidra til turbiner som akselererer mye raskere.
Lenger frem jobbes det med luftlagre, som vil erstatte dagens oljeputer med luftputer og redusere friksjonen med 90 prosent. Turboer med slike luftputelagre kan også brukes til å øke virkningsgraden i brenselceller som ikke tåler forurensing fra oljesmurte turboer.
En ny, lovende måte å akselerere turboen på, er å bruke en elmotor til å assistere gass-trømmen i eksosen for å gjøre motoren mer responsiv.
Les også: Denne skal løse nakkeslengmysteriet
