Turbocompressor: hoe uitlaatgas een motor extra kracht geeft
Stel je een fietspomp voor die de lucht die je net hebt weggeblazen, opvangt en gebruikt om nog een keer extra hard terug te pompen. Dat klinkt onmogelijk bij een fiets, maar in een verbrandingsmotor gebeurt precies dit met een turbocompressor. Het apparaat vangt de hete uitlaatgassen op die een motor toch al de lucht in blaast, en gebruikt de energie daarin om extra lucht de cilinders in te persen. Meer lucht betekent dat er meer brandstof verbrand kan worden, en dus meer vermogen, zonder dat de motor groter of zwaarder hoeft te worden.
Turbocompressoren zitten al meer dan honderd jaar in vliegtuigmotoren, vrachtwagens en later ook in gewone personenauto's. Maar het onderwerp is opnieuw actueel: dezelfde compressor-technologie duikt nu op in elektrisch ondersteunde hybride aandrijflijnen, in Formule 1-krachtbronnen en in de brandstofcellen van waterstofauto's, waar hij lucht onder druk naar de cel moet persen. Wat ooit een truc was om benzinemotoren zuiniger te maken, is nu ook een bouwsteen van schonere aandrijftechnieken.
Wat is het precies?
Een turbocompressor bestaat uit twee waaiers (schoepenwielen) die aan weerszijden van één as vastzitten, in een huis dat lijkt op een slakkenhuis. Aan de ene kant zit de turbine: de uitlaatgassen van de motor stromen hierlangs en laten de turbinewaaier ronddraaien, net zoals wind een windmolen laat draaien. Aan de andere kant van diezelfde as zit de compressorwaaier. Omdat beide waaiers vast op één as zitten, draait de compressor automatisch mee met de turbine.
De compressorwaaier zuigt buitenlucht aan en perst die samen, waardoor de lucht onder druk komt te staan. Deze samengeperste lucht wordt vervolgens de cilinders van de motor ingeleid. Omdat samenpersen de lucht ook opwarmt, en warme lucht minder dicht is, wordt de lucht meestal eerst langs een intercooler (een soort radiateur voor lucht) geleid om af te koelen voordat hij de motor ingaat. Koelere, dichtere lucht bevat meer zuurstofmoleculen per liter, en dus kan er meer brandstof mee verbrand worden.
Een bekend nadeel is turbolag: bij lage toerentallen stroomt er nog weinig uitlaatgas, waardoor de turbine traag op gang komt en de motor even 'wacht' voordat de extra kracht merkbaar is. Fabrikanten bestrijden dit met een wastegate (een klepje dat overtollig uitlaatgas omleidt zodat de turbine niet te hard gaat draaien), met verstelbare turbinebladen (variable geometry turbine, VGT, die de gasstroom kunnen bijsturen), of met combinaties van een kleine en een grote turbo (twin-turbo of sequentiële turbo's). De nieuwste ontwikkeling is de elektrische turbo (e-turbo): een kleine elektromotor op dezelfde as die de compressor al bij lage toerentallen op snelheid brengt, nog voordat er genoeg uitlaatgas is. Diezelfde elektromotor kan bij hoge belasting ook als generator werken en overtollige uitlaatgasenergie omzetten in elektriciteit voor de accu.
Wat wil men ermee bereiken?
Het kerndoel is simpel: energie die anders verloren gaat, opnieuw gebruiken. Uitlaatgas van een motor bevat nog veel warmte en drukenergie die normaal gesproken gewoon de lucht in verdwijnt. Een turbocompressor vangt een deel daarvan op en zet het om in extra motorvermogen, zonder dat er meer brandstof per pk nodig is. Dat maakt het mogelijk om kleinere, lichtere motoren te bouwen die toch evenveel kracht leveren als grotere exemplaren, een aanpak die in de auto-industrie bekendstaat als downsizing en die sinds de jaren 2000 een belangrijke manier is geweest om verbruik en CO2-uitstoot te verlagen.
Bij hybride en Formule 1-aandrijflijnen komt daar een tweede doel bij: de elektrische turbo laat zich ook gebruiken als extra energiebron. De motor-generator aan de turbo-as kan remenergie uit uitlaatgas terugwinnen en opslaan in een batterij, vergelijkbaar met regeneratief remmen bij elektrische auto's.
Buiten de klassieke verbrandingsmotor speelt de turbocompressor een heel andere, maar even essentiële rol in waterstof-brandstofcelauto's. Een brandstofcel heeft een constante, onder druk staande toevoer van zuurstof uit de lucht nodig om waterstof om te zetten in elektriciteit. Een compacte, snelle centrifugaalcompressor (in wezen de compressorhelft van een turbo, nu aangedreven door een elektromotor in plaats van uitlaatgas) is hiervoor de gangbare oplossing. Het doel hier is niet vermogen uit een motor persen, maar juist een brandstofcel efficiënt en stil laten werken.
Voorbeelden uit de praktijk
De Zwitserse ingenieur Alfred Büchi patenteerde het basisprincipe van de turbocompressor al in 1905, en de techniek werd in de jaren dertig en veertig van de vorige eeuw voor het eerst op grote schaal toegepast in vliegtuigmotoren, om op grote hoogte, waar de lucht ijl is, toch voldoende vermogen te behouden.
In de moderne auto-industrie is de TSI-motorenreeks van Volkswagen, geïntroduceerd vanaf 2005, een van de bekendste voorbeelden van grootschalige downsizing met turbocompressoren: kleinere motoren die dankzij turbodruk hetzelfde vermogen leverden als grotere, minder zuinige exemplaren.
In de Formule 1 gebruiken de hybride hybride krachtbronnen sinds het seizoen 2014 een systeem genaamd MGU-H (Motor Generator Unit-Heat), waarbij een elektromotor direct op de turbo-as is gekoppeld. Teams als Mercedes-AMG High Performance Powertrains en Honda Racing hebben hiermee laten zien dat een turbo niet alleen vermogen kan leveren, maar ook energie kan oogsten.
Turboleverancier Garrett Motion (voorheen onderdeel van Honeywell) presenteerde in 2019 een elektrisch aangedreven turbo (E-Turbo) gericht op zware vrachtwagens en bedrijfswagens, om turbolag te verminderen en brandstofverbruik te verlagen. Ook branchegenoot BorgWarner ontwikkelt vergelijkbare elektrische turbosystemen voor hybride personenauto's.
Op het gebied van brandstofcellen leveren bedrijven als Garrett Motion en BorgWarner de centrifugaalcompressoren die de luchttoevoer verzorgen in brandstofcelauto's zoals de Toyota Mirai (tweede generatie, geïntroduceerd in 2020) en de Hyundai Nexo.
Hoe ver is de techniek?
Voor gewone verbrandingsmotoren is de turbocompressor volwassen technologie: na meer dan een eeuw ontwikkeling zijn turbolag, betrouwbaarheid en levensduur grotendeels onder controle, en zit de techniek in een groot deel van de nieuwe benzine- en dieselauto's.
De elektrische turbo is jonger en nog niet wijdverspreid. De uitdaging zit vooral in kosten en techniek: de as van een turbo draait tot wel twee- tot driehonderdduizend toeren per minuut en wordt door de uitlaatgassen zeer heet, wat hoge eisen stelt aan de lagers, de elektromotor en de koeling wanneer daar ook nog elektronica bij komt. Op dit moment zien we e-turbo's vooral in racewagens, dure sportwagens en zware vrachtwagens, en nog nauwelijks in gewone gezinsauto's.
Compressoren voor brandstofcellen ontwikkelen zich gestaag: fabrikanten werken aan stillere, efficiëntere en goedkopere versies, maar de markt voor waterstofauto's zelf is klein en groeit langzamer dan een aantal jaren geleden werd verwacht, wat ook de opschaling van deze compressortechniek vertraagt.
Een onzekere factor voor de langere termijn is de opkomst van volledig elektrische auto's zonder verbrandingsmotor, die geen turbocompressor nodig hebben. Voor personenauto's zal de rol van klassieke turbo's daardoor op termijn waarschijnlijk afnemen, al blijft de techniek relevant in vrachtwagens, scheepvaart, industriële gasturbines en brandstofcelsystemen, waar elektrificatie langzamer verloopt.
Wie werken eraan?
De grootste gespecialiseerde toeleveranciers van turbocompressoren zijn Garrett Motion (Verenigde Staten, met wortels in Honeywell), BorgWarner (Verenigde Staten), IHI Corporation en Mitsubishi Heavy Industries (beide Japan), en Vitesco Technologies (Duitsland, afgesplitst van Continental). Deze bedrijven leveren zowel klassieke als elektrische turbo's aan vrijwel alle grote autofabrikanten.
Autofabrikanten als Volkswagen Group, Hyundai-Kia en Toyota passen de techniek breed toe in hun modellenreeksen, terwijl Formule 1-fabrikanten als Mercedes-AMG, Ferrari en Honda Racing Corporation de meest geavanceerde hybride turbosystemen ontwikkelen voor de racerij.
Op onderzoeksgebied houden technische universiteiten met sterke afdelingen verbrandingsmotoren en turbomachines, zoals de RWTH Aachen in Duitsland en de TU Delft in Nederland, zich bezig met de aerodynamica, materialen en regelsystemen die nodig zijn om turbocompressoren efficiënter en duurzamer te maken.