artikel
Samenspel inlaatluchtkoeling en turbo, effecten van interkoeling (1997-10)
Op een Volvo 760 Turbo-Diesel hebben we een interkoeler gemonteerd. Daarna bleek de turbodruk te zijn gedaald. Niet zo gek natuurlijk, want de interkoeler zal de lucht verdichten, nadat deze is afgekoeld en dat geeft op de turbodrukmeter een daling van de inlaatdruk te zien. Aan de acceleratie te voelen, hadden we niet de indruk dat het motorvermogen spectaculair gestegen was. Ik hoor soms fantastische verhalen over een behoorlijke toename van het motorvermogen na montage van een interkoeler, maar ik heb mijn twijfels om de volgende redenen:
1. Na montage van de interkoeler zijn de lengte en de luchtweerstand van het inlaatkanaal toegenomen.
2. De inlaatdruk is behoorlijk omlaag gegaan. Gaat er per saldo toch meer lucht de cilinder in?
3. De temperatuur van de inlaatlucht is omlaag gegaan, terwijl de brandstofpomp van deze auto evenveel blijft inspuiten, want aan de pomp is niets veranderd. Overigens hoorde ik van een Volvo-dealer dat de Turbo-Interkoeler die Volvo zelf levert behalve de interkoeIer ook gewijzigde zuigers, cilinderkop en brandstofpomp bevat. Mijn vraag in het algemeen luidt: Welke effecten heeft interkoeling op de motor? Wat gebeurt er nu precies met de cilindervulling? Wat gebeurt er thermisch en welke gevolgen zijn er voor het brandstofverbruik? Is er echt vermogenswinst? Is achteraf-montage van een interkoeler een goed idee om ook de kwetsbare delen van de dieselmotor zoals cilinderkop en wervelkamers thermisch te ontlasten?
Voor het in algemene zin beantwoorden van uw vraag moeten we onderscheid maken tussen otto- en dieselmotoren. Bij ottomotoren wordt de grens bepaald door detoneren, bij dieselmotoren zijn de topdruk en de rookgrens bepalend. Detoneren (ook wel pingelen of kloppen genoemd) is een ongecontroleerde verbranding die voor zulke hoge drukken en temperaturen in de verbrandingskamer zorgt dat er, zeker bij hoge toerentallen, ernstige schade optreedt van mechanische en thermische aard.
Een topdruk van 150 bar vormt bij dieselmotoren in dagelijks gebruik de grens voor de mechanische belasting van het drijfwerk, de koppakking en de cilinderkop. Het ontwikkelde vermogen van een motor hangt af van de hoeveelheid (in feite de massa) verbrande brandstof per tijdseenheid. Om een bepaalde hoeveelheid brandstof volledig te kunnen verbranden is er een zekere hoeveelheid zuurstof nodig. Een motor is een pomp die per tijdseenheid een bepaalde hoeveelheid lucht verpompt. De werkelijk in de cilinder opgesloten hoeveelheid lucht hangt af van de druk en de temperatuur van de toegevoerde lucht. Omdat lucht een bepaalde hoeveelheid (21 volumeprocent, 23,2 gewichtsprocent) zuurstof bevat, hangt ook de in de cilinder aanwezige hoeveelheid zuurstof af van de druk en de temperatuur van de toegevoerde lucht.
Bij een motor met uitlaatgascompressor (turbo) wordt een deel van de uitlaatgasenergie gebruikt om de turbine aan te drijven. De uitlaatgasenergie wordt bepaald door de energie van de verbrandingsgassen op het moment dat de uitlaatklep opent. De verbrandingsenergie hangt af van de hoeveelheid energie die uit de brandstof is vrijgekomen. Dat betekent dat uiteindelijk de in de cilinder aanwezige brandstof met zuurstof bepalend zijn voor het functioneren van de turbine.
Nu zit erop de turbine-as een compressor. De compressor bepaalt de hoeveelheid lucht die naar de motor gaat. Door het samenpersen van de lucht stijgen de druk en de temperatuur van de lucht. Hoe hoger de inlaatluchttemperatuur en -druk worden, des te hoger de eindcompressiedruk en temperatuur zullen zijn. Bij een motor met turbocompressor heeft ‘alles’ invloed op ‘alles’. Het is een ingewikkeld samenspel tussen een groot aantal factoren.
Nu moeten we kiezen. Bij een dieselmotor kunnen we niet onbeperkt brandstof inspuiten omdat óf de topdruk te hoog wordt óf de rookgrens wordt bereikt. Bij een ottomotor, die met een bijna constante lucht-brandstofverhouding werkt, zal er detoneren ontstaan. Vandaar dat het verlagen van de compressieverhouding nodig is. Een inlaatluchtkoeler zal de samengeperste lucht afkoelen. Dat heeft tot gevolg dat de in de cilinder aanwezige lucht meer zuurstof bevat. Hoe meer zuurstof hoe meer vermogen. Hoe meer vermogen, hoe meer uitlaatgasenergie. Hoe meer uitlaatgasenergie, hoe sneller de turbine draait. Hoe sneller de turbine draait, hoe sneller de compressor draait. Hoe sneller de compressor draait, hoe meer lucht er naar de motor gaat.
U voelt het al aankomen: er stelt zich een nieuw evenwicht in, want de inlaatluchtkoeler kan de hetere lucht niet verder afkoelen en zorgt bovendien voor meer stromingsweerstand.
Tot zover de algemene beantwoording van uw vraag, nu de antwoorden op de door u gestelde vragen: De cilindervulling krijgt een lagere druk en temperatuur door het monteren van de inlaatluchtkoeler. De lagere temperatuur zorgt voor een lagere eindcompressietemperatuur en een lagere verbrandingstemperatuur. Omdat de hoeveelheid ingespoten brandstof gelijk blijft, zal er in principe weinig veranderen aan het vermogen.
