Het eerste wat je moet begrijpen is wat “lag” is. Bij motoren met drukvulling reageert de motor, wanneer de bestuurder het gaspedaal hard intrapt, niet lineair op zijn vraag naar “meer vermogen”. In plaats daarvan wint hij aan koppel naarmate de uitlaatgasstroom versnelt. Wanneer deze een kritieke snelheid bereiken om de turbocompressor effectief aan te drijven, levert de motor plots een dosis “extra” koppel.

Het echte probleem met turbomotoren zit hem in de reactietijd van het gaspedaal

Die tijd tussen het vragen om meer vermogen en het krijgen van die “kick” wordt “lag” genoemd.

De lag komt door de inertie van het turbocompressorsysteem. Zoals u inmiddels wellicht weet, gebruikt de turbocompressor de energie van de verbrandingsgassen die het uitlaatspruitstuk verlaten om een turbine te laten draaien. Deze turbine is gekoppeld aan een andere turbine, die de lucht samenperst die de motor inkomt.

Omdat deze twee turbines een niet onaanzienlijke massa hebben, is het versnellen en afremmen ervan geen kwestie van milliseconden. Bovendien hebben zij een optimale werkingszone, waaronder zij geen effectieve “opvoerdruk” leveren.

Dat wil zeggen, wanneer de turbocompressorturbine bij lage toerentallen per minuut draait, is hij niet in staat de lucht in het inlaatspruitstuk samen te persen. Aangezien de motor ontworpen is om van een turbocompressor te worden voorzien, is de effectieve compressieverhouding in de verbrandingskamer wanneer de turbo niet blaast te laag, en is het dus niet mogelijk om benzine bij volgas in te spuiten, of om grote vermogensdoses te verkrijgen.

Wanneer de bestuurder hard op de gashendel drukt, komt er een kettingeffect op gang: de gasklepvlinder gaat open en de hoeveelheid lucht en benzine die de motor binnenkomt, neemt toe. Met meer lucht en brandstof worden de uitlaatgassen en hun energie verhoogd, zodat ze de turbocompressorturbine iets sneller aandrijven. Hierdoor wordt de inlaatlucht iets meer samengeperst, wat meer luchtstroom in de verbrandingskamer genereert, meer vermogen, meer energie in de uitlaatgassen, wat de turbocompressorturbine nog meer aandrijft… En zo gaat het maar door tot die kritieke turbosnelheid wordt bereikt die erin slaagt om aan de vraag van de bestuurder te voldoen.

Voor een bestuurder is het vermogen om met de rechtervoet de reactie van de motor op het naar de wielen gezonden koppel tot op de millimeter nauwkeurig te sturen van vitaal belang om de gierbeweging van de auto in bochten te kunnen beheersen, de achterkant naar believen te laten zakken of lijnen te corrigeren.

Dit domino-effect heeft tot gevolg dat de bestuurder tot twee seconden voor hij koppel nodig heeft, het gas moet intrappen, anticiperend op wat hem te wachten staat, om de tijd te elimineren die verloren gaat aan vertraging, tijdens het opladen van de turbocompressor.

Dit grote nadeel van turbomotoren was een van de grote hoofdbrekens voor raceteams, die het extra specifieke motorvermogen met turbolading erkenden, maar de negatieve effecten op de wagenbeheersing moesten beperken.

De eerste stap in het verbeteren van de motorrespons was het verkleinen van de afmetingen van de turbolader, om de traagheid te verminderen. Men kon ook spelen met turbo’s met dubbele ingangen, of zelfs met variabele geometrie, om beter te kunnen reageren over het hele toerengebied.

Maar het was in 1994, in de wereld rallysport, dat “de grote perfecte oplossing” werd bereikt, met de introductie van “bang-bang”, het anti-lag systeem, om de reactietijd te elimineren.

Hoe werkt het?

Alles begint wanneer de bestuurder het gas loslaat. Om bij normale motoren te voorkomen dat de samengeperste lucht in de cilinders blijft stuwen, waardoor de motor inhoudt, laat een klep de samengeperste lucht ontsnappen.

Met het antilag-systeem wordt de samengeperste lucht van de inlaatturbine rechtstreeks naar het uitlaatspruitstuk omgeleid. Tegelijkertijd staat, ook al is de bestuurder gestopt met gasgeven, het inlaatgas nog steeds open (met 15-20%), alsof de bestuurder het gas ingedrukt houdt.

Het gecompliceerde turboladergasleidingsysteem van een Mitsubishi WRC-motor

Maar de elektronische regeleenheid van de motor wijzigt het beheer van de motor. Wat het doet is het ontstekingspunt van de bougie zo veel mogelijk uitstellen. Wanneer de zuiger van de motor zich dus al in zijn expansieslag bevindt, wordt het mengsel tot ontbranding gebracht. Hierdoor wordt het overgrote deel van de energie van die verbranding in de uitlaatslag door de cilinder gestuwd, die het brandende mengsel en al die energie naar de gasturbine stuurt. Bovendien worden deze gassen vermengd met de hogedruklucht die vanaf de inlaatturbine in het uitlaatspruitstuk komt.

Dus beschikt de turbolader nog steeds over energie in de vorm van hogesnelheidsuitlaatgassen met een hoge temperatuur, die doorgaan met het samenpersen van hogedruklucht.

In 1994 begon het anti-lag systeem te worden gebruikt op WRC podia

In zekere zin is dit anti-lag systeem equivalent aan het gebruik van de turbo als een thermische turbomachine vergelijkbaar met een vliegtuigmotor.

Als de druk die door de turbolader voor schone lucht wordt gegenereerd hoog blijft, wanneer de bestuurder het gas intrapt, snijdt de bypassklep de stroom van samengeperste lucht naar het uitlaatspruitstuk af, en schakelt over op het terugvoeren naar de inlaatlong, waardoor daar vrijwel ogenblikkelijk spruitstukdruk wordt gegenereerd.

Deze oplossing vermindert de vertraging tot een punt waarop die voor de bestuurder onmerkbaar is. Alleen door de verfijning van het elektronisch motormanagement en de kleppen die de luchtstromen van de turbocompressor beheren, hebben we deze situatie kunnen bereiken, met motoren die ondanks dit werkingsprincipe zeer arm zijn.

Maar waarom wordt het niet gebruikt op wegauto’s?

Het is geen systeem om op uw wegauto te monteren

Er zijn verschillende goede redenen waarom deze anti-lagsystemen geen goed idee zijn op een wegauto. De eerste reden is dat er nog steeds brandstof wordt verbrand wanneer de motor stationair draait, zodat het brandstofverbruik van een dergelijke motor veel hoger is dan bij een conventionele motor.

De tweede reden is dat de verbranding van gassen in het uitlaatspruitstuk in plaats van in de verbrandingskamer een enorme thermische druk op de gasturbine van de turbocompressor uitoefent, hetgeen een negatieve invloed heeft op de betrouwbaarheid ervan. De derde reden is dat de uitstoot van verontreinigende stoffen toeneemt, omdat het verbranden van brandstof buiten het optimale punt van de compressieslag inefficiënt is.

En de vierde reden is dat voor straatauto’s, die turboladers met een kleinere diameter gebruiken, met dubbele inlaten, en met de mogelijkheid (in het geval van turbo’s en sommige specifieke benzinemotoren) om variabele geometrie te gebruiken, zo’n systeem overbodig zou zijn.

Helaas heeft de FIA experimenten met turbines met variabele geometrie verboden, waardoor dergelijke anti-lag systemen waarschijnlijk overbodig zouden zijn geworden in de “wereld” 1,6-liter motor die wordt gebruikt in het WRC, in het WTCC, en heeft zij het ook verboden voor toekomstige F1-motoren. De voordelen voor wegvoertuigen die zouden kunnen worden behaald door de ontwikkeling van turbines met variabele geometrie voor benzinemotoren zullen dus niet worden geconsolideerd in de concurrentiestrijd. FIA stuff.

Het goede nieuws is dat F1’s elektromotor-gekoppelde turbo’s in staat zullen zijn om lag te elimineren zonder toevlucht te nemen tot bang-bang anti-lag systemen, en deze oplossing kan worden toegepast op de weg auto’s. Maar daar hebben we het een andere keer nog wel over.

Verslag oorspronkelijk gepubliceerd in december 2013, gered voor Pistonudos
.