Techniek: turbo’s
Kawasaki heeft met de indrukwekkende H2 het concept drukvulling weer terug onder de aandacht gebracht. Zullen andere fabrikanten volgen? En wat levert drukvulling eigenlijk op?
Strikt gezien begon de historie van motoren met drukvulling op 11 juli 1879 in Winterthur in Zwitserland. De kleine Alfred Büchi zag het levenslicht en zijn ouders gaven hem het talent mee om de turbocompressor uit te vinden. Al op zijn zesentwintigste, in 1905, kreeg de jonge ingenieur het patentnummer 204630 voor zijn idee om een turbine in de uitlaatgasstroom te plaatsen en met behulp daarvan lucht in het inlaatkanaal te persen. Het was hem opgevallen dat ongeveer tweederde van de energie bij een motor verloren gaat in de vorm van afvalwarmte en versnelde uitlaatgassen. Dit slechte rendement zou moeten worden verbeterd door zijn uitvinding. Daarbij stond de motortechniek in die tijd nog volledig in de kinderschoenen. Pas halverwege de jaren twintig zouden de eerste turbomotoren verschijnen, waarna de eisen die aan vliegtuigmotoren werden gesteld de ontwikkeling flink versnelden. Uit de samentrekking van de Engelse woorden ‘turbine’ en ‘boost’ ontstond het nu zo bekende woord ‘turbo’. Maar hoe werkt drukvulling en wat levert het op?
Het basisprincipe van een verbrandingsmotor is dat er vermogen wordt ontwikkeld door het gecontroleerd verbranden van een lucht-brandstofmengsel (let wel: geleidelijke verbrandingen, geen explosies). Door de daarbij ontstane druk in de verbrandingskamer wordt een zuiger in beweging gezet die via een kruk-drijfstangmechanisme de heen-en-weer-gaande beweging van de zuiger omzet in een draaiende van de krukas. Hoe meer mengsel je in de verbrandingskamer verbrandt, hoe meer energie er aan de krukas wordt doorgegeven en hoe meer vermogen er dus wordt ontwikkeld. Meer mengsel verbranden kan door simpelweg meer verbrandingen per tijdseenheid te laten plaatsvinden (hoger toerental) of door een grotere cilinderinhoud toe te passen, met een grotere zuiger en/of langere slag, waardoor meer mengsel wordt aangezogen en de verbrandingskracht op de drijfstang groter wordt. Of je perst het mengsel onder druk in de verbrandingskamer, bijvoorbeeld met een turbocompressor. Dan hoef je geen grotere zuigers te gebruiken. En als je je realiseert dat een hogere verbrandingsdruk meer kracht op de drijfstang betekent en dat dat meer koppel geeft, kun je vuldruk simpelweg zien als koppelverhoging. Twee keer zoveel druk, twee keer zoveel koppel. En aangezien koppel maal toerental resulteert in vermogen, is het werkingsprincipe goeddeels verklaard. Dankzij drukvulling kun je dus met een relatief kleine motor veel koppel en vermogen behalen. Of je neemt gewoon een grotere motor.
Daarmee zou het verhaal eigenlijk al bijna af zijn, als je je niet zou afvragen waarom er dan verschillende oplossingen worden gebruikt. Soms met turbo, soms zonder, diesels bijna altijd met turbo, motorfietsen bijna altijd zonder. Om dat te verklaren, moeten we wat dieper in de materie duiken.
Diesels zouden zonder turbo nooit veel vermogen leveren. Vergeleken met normaal aanzuigende diesels wordt zomaar het drievoudige vermogen behaald, en omdat er alleen lucht in de verbrandingskamer wordt geperst, zitten er nauwelijks nadelen aan.
Moderne motorfietsmotoren leveren 200 pk en meer uit slechts 1.000 cc. De daarvoor benodigde toerentallen liggen rond de 13.500 en hoger. Mechanisch is dat inmiddels geen probleem meer, de daarvoor gebruikte viercilinderblokken houden dat vele tienduizenden kilometers vol, mits correct behandeld (vooral rustig opgewarmd). Daarbij is het natuurlijk ook zo dat niemand dat topvermogen continu benut; er zal op straat overwegend in het gebied tussen 20 en 120 pk worden gebivakkeerd. Maar zelfs intensief circuitgebruik kunnen moderne sportmotoren probleemloos meerdere seizoenen doorstaan zonder revisie.
[STREAMER]
Turbo’s hebben op een motor weinig zin, het zou meer een gadget zijn
Waarom zou je bij dergelijke prestaties nog drukvulling overwegen? Het antwoord is puur technisch gezien vrij simpel: voor een motorfiets loont al die moeite niet. Eigenlijk. Wie echt meer koppel en vermogen wil, moet gewoon de cilinderinhoud vergroten. Want waarom zou je (los van racegebruik) krampachtig vasthouden aan 1.000 cc en niet gewoon een superbike met bijvoorbeeld 1.500 cc maken? MV ging met de F4 al eens over de 1.000 cc met de 1078, Aprilia maakte van de Tuono V4 een 1.077 en Ducati doorbreekt met de nieuwe Panigale V4 zelfs de 1.100 cc om zich een voordeel tegenover de 1.000cc-concurrentie te geven. Maar 1.200 cc of 1.500 cc zou natuurlijk nog veel beter zijn. Daarmee zou 250 pk en een vette 160 Nm geen probleem zijn. Da’s meer dan genoeg, of niet?
En zo ontpopt het hele verschijnsel drukvulling zich eigenlijk vrij snel als een marketingstunt. Ook om te laten zien dat men deze gecompliceerde techniek beheerst. Want simpel is deze constructie niet. Bijvoorbeeld turbocompressoren: de uitlaatbochten moeten worden samengevoegd en naar de turbine worden geleid. De op toeren gebrachte turbine heeft aan de andere kant van zijn as een centrifugaalcompressor die de koude inlaatlucht onder druk naar de cilinderkop voert. Die gasstroom moet dus een omweg maken en vervolgens weer over de cilinders worden verdeeld. En als je die samengeperste lucht weer wilt afkoelen, omdat hij anders al voor de verbranding heet (en uitgezet) is, dan moet je ook nog een tussenkoeler inbouwen. Nog een omweg en bovendien kost het ruimte; zie ook de foto van het experimentele Suzuki-blok.
Een nog groter probleem is echter de respons van de turbo. Het kost tijd om de turbine op toeren te brengen. Ten eerste omdat de motor aanvankelijk niet genoeg uitlaatgas produceert, ten tweede omdat de massatraagheid van de turbine moet worden overwonnen en vervolgens de compressor aan de andere kant eerst druk moet opbouwen. De kleine turbines draaien immers tussen de 100.000 en zelfs 250.000 toeren! Een motorrijder wil echter niet wachten tot het vermogen er in komt, maar verwacht direct vermogen om zijn motor optimaal te kunnen beheersen. Dat krijgen zelfs de twin-scroll-turbo’s niet voor elkaar (zie kader).
Er is natuurlijk een oplossing voor het bovenstaande probleem: je drijft de compressor mechanisch aan, dan heb je afhankelijk van de dimensionering van de aandrijving altijd genoeg vuldruk. Dat is wat Kawasaki heeft gedaan. Via een klein planetair tandwielstelsel wordt de aandrijfkracht voor de centrifugaalcompressor (in feite de ‘inlaathelft’ van een turbocompressor) afgetapt van de krukas. De compressor kan vervolgens gewoon zonder omslachtige in- en uitlaatbochten achter de cilinders worden geplaatst en heeft daardoor niet veel ruimte nodig. Net als bij alle motoren met drukvulling moet ook bij het Kawasaki-systeem de overtollige vuldruk via een klep worden afgeblazen wanneer de rijder het gas dichtdraait. Deze klep regelt ook de maximale vuldruk (wat bij een turbo via de wastegate wordt gedaan, die het teveel aan uitlaatgas om de turbo heen leidt); deze vuldruk mag niet te hoog worden ingesteld, want dan kan een motorblok zichzelf snel opblazen.
Nadelen van de mechanische aandrijving zijn dat het rendement lager is dan bij een turbo (die wordt aangedreven door ‘gratis’ energie) en dat de vuldruk bij lage toerentallen weliswaar direct aanwezig is, maar wel lager dan bij een turbo mogelijk is. Het hele bullige onderin van moderne turbomotoren heb je dus niet. Overigens is er bij de mechanische aandrijving weliswaar geen turbotraagheid, maar na het gas afsluiten en het resulterende afblazen van de overdruk moet bij het openen van het gas wel weer de vuldruk worden hersteld. Die overgang blijft lastig. Aan topvermogen in elk geval geen gebrek: Kawasaki pompt de H2R op tot meer dan 310 pk, een enorm vermogen – voor de hele dapperen.
Waarmee we bij het echte nut van drukvulling komen. Als het echt bruut hard moet gaan, dan heeft een compressor zin. Kawasaki stuwt het vermogen hiermee meer dan 60 procent op. Daarbij moet overigens wel de hele techniek worden aangepast aan de hogere belasting: het carter, de zuigers en drijfstangen, de transmissie en niet te vergeten de koeling. Zestig procent meer vermogen betekent ook zestig procent meer afvalwarmte; in absolute zin neemt de hoeveelheid afvalwarmte zelfs sterker toe dan de hoeveelheid geleverd vermogen
Het 1.000cc-Kawasaki-blok is hier zeer grondig ontwikkeld; zelfs de compressieverhouding is maar weinig verlaagd ten opzichte van het normaal aanzuigende blok. Wanneer je het motorblok nou duidelijk kleiner maakt en daarmee ruimte schept voor compacte drukvullingssystemen, en dit zou eventueel worden gehomologeerd voor bepaalde raceklassen, dan zou het een interessante ontwikkeling kunnen opleveren. Momenteel is er zelfs in de motorracerij echter meer aandacht voor elektrische motoren.
Ziet de toekomst er desondanks toch goed uit voor drukvulling? In de huidige hybride Formule-1-motoren wordt met de uitlaatgasturbine tevens een dynamo aangedreven, met de ‘gratis’ opgewekte stroom wordt de compressorzijde elektrisch aanvullend aangedreven. Zo kan het compressortoerental naar behoefte worden geregeld en er zelfs bij hele lage toerentallen al veel vuldruk worden gerealiseerd. Dat is dus een optimale situatie, ook omdat overtollige vuldruk helemaal niet meer wordt geproduceerd. Dit concept geeft de motor met drukvulling toch nog een kans.
Kawasaki komt de eer toe momenteel het vaandel hoog te houden. De elektrisch aangedreven compressor zal waarschijnlijk eerst in personenauto’s verschijnen. En zo komen we nog even terug bij onze pionierende ingenieur Alfred Büchi. Zijn eerste turbomotoren werden ingezet door de Zwitserse fabrikant Saurer; het waren dieselvrachtwagens.
