Techniek: zo werken 2-stage turbo’s

Auteur: , 42 Reacties

De techniek werd vooral gebruikt bij zware dieselmotoren (vrachtwagens enzo), maar de Bugatti Chiron is er bijvoorbeeld ook mee uitgerust. Hoog tijd om het nut van 2-stage turbo's uit de doeken te doen.

Techniek: zo werken 2-stage turbo's

Hoe groter de turbo, hoe hoger de vermogenswinst die met deze dingen kan worden behaald. Een wijs man leerde ooit dat elk voordeel z’n nadeel heb en uiteraard geldt dat ook in dit geval. Grotere turbo’s hebben namelijk meer tijd nodig om op te spoelen. Als dat eenmaal gebeurt, heb je kans dat het extra vermogen er in één keer vol in klapt. Als je op dat moment net met een achterwielaandrijver middenin een bocht zit, heb je aardige reflexen nodig om de boel op te vangen. En inderdaad, dit fenomeen is wat wordt bedoeld met turbo lag. Meer daarover lees je HIER.

Montage van 2-stage turbo’s ondervangt dit probleem door twee turbo’s te gebruiken: een grote en een kleine. Zoals je weet worden turbo’s aangedreven door de uitlaatgassen van de motor. Bij een laag toerental komen er simpelweg minder uitlaatgassen uit het spruitstuk en bij een hoog toerental meer. Dat verklaart ook waarom een grote turbo pas bij een hoog toerental z’n werk begint te doen en waarom een kleine turbo juist nuttig is bij lagere toerentallen. In het geval van 2-stage turbo’s werken de grote en de kleine turbo deels afzonderlijk van elkaar, maar ze werken ook samen. Om dat uit te leggen, komt een schematische weergave van het systeem goed van pas.

Two stage turbo

Uiterst rechts zie je de grote turbo die pas bij hogere toerentallen mee mag spelen. Links daarvan vinden we de kleine turbo. Verder zijn de bypass en de wastegate voor dit verhaal van belang. We beschrijven de werking van deze onderdelen aan de hand van drie verschillende situaties, te weten een laag toerental, een middelhoog toerental en een hoog toerental.

Laag toerental

Laag toerental

Op het moment dat de motor weinig toeren draait en er dus (te) weinig uitlaatgassen uit het spruitstuk komen om de grote turbo op te laten spinnen, wordt enkel de kleine turbo gebruikt. In deze situatie zijn de wastegate en de bypass gesloten, wat betekent dat alle uitlaatgassen naar de kleine turbo worden geleid. Die comprimeert vervolgens de lucht die via een intercooler de cilinder in gaat, et voilà.

Midden

Middelhoog toerental

Zodra het toerental stijgt, gaat de wastegate steeds verder open. Dat betekent dat de grote turbo mee begint te spelen in het verhaal. De grote compressor is echter nog niet genoeg op stoom om het werk volledig over te nemen. In deze fase comprimeert de grote turbo echter de lucht, die vervolgens nog verder wordt samengedrukt door de kleine turbo. Hierna wordt de (in twee fasen gecomprimeerde) lucht de cilinder in gejaagd.

Hoog

Hoog toerental

De taak van de kleine turbo zit er bij hoge toerentallen op, wat betekent dat al het werk aan de grote turbo wordt overgelaten. Om dit te bewerkstelligen, staat de wastegate volledig open. Alle uitlaatgassen worden dus richting de grote turbo geleid. Omdat de kleine turbo in deze situatie geen rol van betekenis meer speelt staat de klep in de bypass volledig open. De gecomprimeerde lucht wordt dus niet meer vanuit de grote eerst nog naar de kleine turbo geleid, maar gaat in plaats daarvan rechtstreeks via de intercooler naar de cilinder.

Middels deze techniek zorgen fabrikanten ervoor dat de vermogenscurve van de motor in kwestie een meer lineair verloop heeft. Dat zorgt er weer voor dat ook mindere goden zich met een gerust hart uit kunnen leven in pk-kanonnen als de Bugatti Chiron, maar er zijn nog veel meer auto’s met 2-stage turbo’s. De primeur was (wat personenauto’s betreft) voor de BMW 535d (E60). De techniek wordt dan ook vooral toegepast bij dieselmotoren, omdat die over het algemeen minder toeren maken dan krachtbronnen die op benzine lopen. Zelfontbranders hebben dus nog meer baat bij een set turbo’s die ook bij lagere toeren helpt om het vermogen op te krikken.

Fotocredit: afbeeldingen per toerental via Autozine.org, schematische weergave via BorgWarner



42 reacties

In het kort erg duidelijke uitleg over een interessant stukje techniek, dat is knap. Ook is het knap van degenen die deze techniek verzonnen heeft, kom er maar eens op.. Zo klinkt het allemaal heel logisch maar verzin het maar..
@viezefreddyw: lekker kort, niet te lang top
@kalslasie: mooi verhaal
Een erg interessant stukje leesvoer. Dit is techniek die meer en meer toegepast wordt, leuk om te leren hoe dit nu precies werkt.
Bi-Turbo en diesels heb ik altijd al een leuke combinatie gevonden.
@misterdrogba: kan ik me goed voorstellen. Rijd zelf een diesel met enkele turbo, bevalt uitermate prima!
@misterdrogba: dit is niet hetzelfde als bi-turbo.
@misterdrogba: bi turbo is 2 turbo’s na elkaar, ongeacht de grootte
Zo op de pc maar ff kijken. Op de app moet je steeds van het plaatje naar de tekst switchen .
Ik ben wel fan van VNT. Simpeler systeem, dezelfde uitkomst.
https://nl.wikipedia.org/wiki/Variabele_geometrie_turbo
@bregt14: Vind ik ook een mooier systeem, maar het zou kunnen dat een vgt niet het gewenste bereik dekt. Met name in de Chiron zou dat een probleem kunnen zijn
@bregt14: echt niet dezelfde uitkomst , meeste moderne diesels hebben variabele geometrie turbo’s , maar nog steeds een aanzienlijk turbo gat. Twin turbo geeft een ander resultaat, je voelt dit gelijk. Ga maar een proefritje maken, dan snap je het gelijk
@slickrick: bij BMW monteren ze tegenwoordig 4 turbo’s op een 6 cilinder diesel.
Clarkson weet dit nog mooi samen te vatten: (vanaf 2:12) https://youtu.be/fU4f_NwAfUs :-)
Ik rij zelf de V250 (biturbo). Super comfortabel en vlotte motor, zeker met +2ton.
@unknown32: ik heb 3 x bmw E60 535d gehad, wat een heerlijke motor blokken waren dat zeg, een heel lineaire vermogens opbouw, en bij flink doorrijden nog steeds acceptabel verbruik
@slickrick: Wat de 5-serie betreft enkel een M550d gereden. Die heeft er dan weer 3 als ik me niet vergis, maar rijdt toppie!
Mooi artikel, het valt me alleen wel op dat de bovenstaande afbeeldingen een “compound” setup laten zien. Nou vind ik compound setups erg gaaf om te zien en te horen, maar bij een 2-stage setup denk ik meer aan de setup op bijvoorbeeld een Mazda RX-7 FD3S. Daarbij wijst één turbo inlaat naar achteren en de andere naar voren. Elk van de turbo’s heeft zijn eigen inlaatbuis die vaak vlak na het luchtfilter samenkomt met die van de andere turbo. Beide turbo’s delen wel dezelfde downpipe, door de ligging van de turbo’s vormt zich als het ware een kleine T-vormige downpipe. Wel krijgen beide turbo’s elk hun eigen uitlaatgassen aangevoerd. Bij een RX-7 krijgt de achterste turbo dus de gassen van de achterste rotor, en de voorste turbo de gassen van de voorste rotor. Hierbij is er zowel een kleine als een iets grotere turbo aanwezig.

Bij een compound setup zal de kleine turbo zijn uitlaatgassen direct uit de motor krijgen en komt de luchttoevoer vanuit de grotere turbo, die de lucht zelf aanzuigt. De grotere turbo krijgt de (gebruikte) uitlaatgassen van de kleine turbo aangevoerd en voorziet de kleinere turbo van (de door hem) samengeperste lucht. De lucht wordt dus twee keer samengeperst terwijl de lucht bij een reguliere 2-stage turbo setup slechts één keer samengeperst wordt. Een reguliere 2-stage setup zal afhankelijk van het toerental bepalen welke turbo de meeste druk moet leveren terwijl bij een compound setup de lucht altijd door beide turbo’s samengeperst wordt.
@ej20g: dat is niet helemaal waar, want er zit een bypass klep die hier gesloten of geopend kan worden
@ej20g: Toch word een setup als deze word bijna altijd gezien als sequentieel. Al snap ik de verwarring die er vaak is meteen. In de tekst staat zelfs dat in het middelhoge toerengebied de lucht “in twee fase word gecomprimeerd” wat natuurlijk het hele idee is van compound charging. Ook op de tekening is dat terug te zien. Het word niet gezien als een compound setup omdat het doel niet is om een enorm hoge turbodruk te verkrijgen, ze werken in principe ook sequentieel alleen in dit middengebied waar alles half open staat niet.

Heeft de Chiron trouwens geen 4 turbo’s van het zelfde formaat? In mijn herinnering was dat bij de Veyron in ieder geval wel zo. Verder zijn 2-stage turbo’s niet echt mijn ding omdat het heel snel heel ingewikkeld word. Met veel actuator, kleppen en en regelunits.
Goed geschreven stuk, duidelijk maar niet te diepgaand. Want er zijn ondertussen al zoveel varianten hierop.
Maar was de Opel vectra niet eerder met een twinstage turbo opbouw?
@phdg: Deze plaatjes komen ook van Opel als ik het mij niet vergis.
@phdg: ik d8 aan de Toyota supra mk4.
-edit: nutteloze bijdrage-
Okay gezien de laatste reacties volledig out of my league hier, maar is aan de turbo “aan de buitenkant” te zien om wat voor soort het gaat, of hoe kan je dat zien?
@pomoek: turbo’s tellen. Één. Of twee.
@coffeecup: kun je dan niet te maken hebben met een turbo per cilinderbank? Heb je nog steeds twee turbo’s maar geen 2-stage
Mis nog een kleine aanvulling; variable turbo schoepen; waarmee Turbo lag ook enigszins verminderd kan worden en een mooiere lineaire opbouw mogelijk is … per Turbo. Combineer dat met de 2-stage Turbo (911 Turbo) en je hebt echt amper meer Turbo lag … en bakken koppel vanaf ergens tussen de 1250-1500rpm. VTs zag je voor het eerst veel gebruikt worden in high-end dieseltjes van rond de eeuwwisseling (los van de highend sportauto’s)
Hate to be that guy.. Maar turbo lag is niet de plotselinge afgifte van vermogen, maar de vertraging tussen vraag naar en afgifte van vermogen
@bernardoo: haha ik zie hem nu pas! Ik haal turbolag en boost threshold steeds weer door elkaar…
simpel: A=Bx3:6,8% kwadraad (Nitze)
Ik zeg meer turbos is meer pks…. zo nog simpeler uitgelegd ?
Dus een chiron heeft 8 turbo’s
mazda RX7 had dit principe al in 1992, alsook de Supra MK4.

De klep die het uitlaatgasverkeer regelt is niet de wastegate. Een wastegate is een soort overdruk ventiel wat er moet voor zorgen dat er niet teveel turbodruk wordt gemaakt. Het regelventiel wordt meestal met vacuum (vroeger) en tegenwoordig steeds meer electronisch geregeld
@neal: De Nissan 300ZX (Z32) was al een twin turbo in 1989, maar volgens mij heeft die 2 dezelfde turbos dus allebei voor de hoge toerentallen.

Toyota had in 1987 de Supercharged 1.6 16v 4AGZE, waar velen nog een turbo erbij schroefden. Daardoor had je een zogenaamde twincharger, supercharger voor de lage toerentallen en turbo voor de hoge. Berust op de dezelfde noodzaak, alleen anders uitgevoerd. Vermogens rond de 400pk waren mogelijk, uit een 1.6 16v…

Als er van “2-Stage turbos” (zoals in de titel beweerd) wordt gesproken, dan ga ik ervanuit dat er wordt gesproken van turbos met variabele schoepengeometrie. Het systeem wat besproken wordt is echter een systeem met 2 turbos, een beetje een foutieve titel dus.
En sinds wanneer komt de uitlaat uit het spruitstuk? Het spruitstuk is dat waar de nevel en lucht uit de carburator samenkomt vooraleer in de cilinderkop te gaan
@poeperman: Dat is het inlaatspruitstuk, de uitlaat is op het uitlaatspruitstuk gemonteerd. Een turbo zit tussen het uitlaatspruitstuk en de uitlaat.
Dit moeten ze nou vaker doen. Zo weet iedereen wat het betekend vanwege een duidelijke uitleg.
Altijd leuk om te lezen.
De wijze man (JC) waaraan wordt gerefereerd leerde ons dat elk nadeel z’n voordeel “heb”, niet andersom.
Eh, sorry maar volgens mij was de Porsche 959 destijds de eerste die dit toepaste, en noemde het toepasselijk “Registeraufladung”
waarom 2 turbo’s als ke 1 variable twin scroll turbo kan gebruiken:
https://www.youtube.com/watch?v=J06nj5-B_AE

Geef een reactie:

Je moet ingelogd zijn om reacties te posten, registreren kan HIER (ook via Facebook).