Onder druk van de europese en amerikaanse wetgeving moeten auto’s steeds zuiniger en schoner worden. Een belangrijke factor in het verbruik van een auto is het gewicht van de auto zelf. Een toename van de massa met 50 kg heeft grofweg een 3% toename van het brandstofverbruik tot gevolg. Het is voor de autofabrikanten dus interessant om te proberen zoveel mogelijk gewicht te besparen.   

Het thema drukvulling is de laatste jaren sterk in opkomst. Door grote, zware motoren te vervangen door kleinere lichtere motoren met een vergelijkbaar vermogen, proberen autofabrikanten het brandstofverbruik terug te dringen. De hoeveelheid brandstof die per cyclus kan worden verbrand, bepaalt hoofdzakelijk het geleverde motorkoppel.Omdat de hoeveelheid zuurstof die bij de verbranding in de cilinder aanwezig is bepaalt hoeveel brandstof er verbrand kan worden, is het mogelijk om met behulp van drukvulling op een kleine motor, net zoveel zuurstof in de cilinders te pompen als een natuurlijk aangezogen motor met een groter slagvolume.Zo bereikt men met een kleine motor, vergelijkbare prestaties als een grotere motor zonder drukvulling.Dit artikel gaat in op het principe van drukvulling en bekijkt de inlaatslag van het viertaktprincipe in detail. 

De inlaatslag

Het doel van de inlaatslag is de cilinder te vullen met verse lucht, waarin zuurstof aanwezig is. Het alleen mogelijk dat er verse lucht de cilinder in stroomt zolang de inlaatklep geopend is.
Terwijl de inlaatklep open is, beweegt de zuiger naar beneden. Doordat het openen van de inlaatklep en het naar beneden bewegen van de zuiger met elkaar verband houdt, noemt men deze neergaande slag de inlaatslag.
Wat gebeurt er nu precies tijdens de inlaatslag?

De inlaatklep wordt door de nokkenas opengedrukt, zodat er een opening ontstaat tussen het inlaatkanaal en de cilinder. Dit maakt het mogelijk dat er gasmassa vanuit de cilinder het inlaatkanaal in stroomt of omgekeerd. De richting die het gas opstroomt is afhankelijk van de drukken die op dat moment in cilinder en inlaatkanaal aanwezig zijn.
Het gas zal altijd van de plaats met de hoogste druk naar de plaats met de laagste druk stromen.

Stel dat de drukken in cilinder en inlaatkanaal op het moment van openen van de inlaatklep even groot zijn. Op dit moment stroomt er geen gas de cilinder uit of in.
Doordat de zuiger naar beneden beweegt, daalt de druk in de cilinder wanneer de massa in de cilinder gelijk blijft. Dit volgt uit de algemene gaswet

pV = mRT

Voor het gemak wordt de temperatuur constant verondersteld. Als het volume (V) stijgt, dan zal de druk (p) moeten dalen, omdat de term aan de rechterkant van het is gelijk teken (mRT) constant is.
Deze drukdaling in de cilinder heeft tot gevolg dat er een drukverschil ontstaat met het inlaatkanaal en er een luchtmassa stroom op gang komt vanuit het inlaatkanaal de cilinder in.
Het einde van de inlaatslag wordt bereikt op het moment dat de zuiger in het onderste dode punt staat. Het volume kan nu niet verder vergroot worden. In principe zijn de drukken in het inlaatkanaal en de cilinder nu weer gelijk en stopt de luchtmassastroom. Als de krukas verder draait zal de zuiger omhoog bewegen en de druk in de cilinder vergroten, waardoor er verse lucht naar buiten zou kunnen stromen. Dit is natuurlijk niet de bedoeling, dus we doen gauw de inlaatklep dicht.

De hoeveelheid verse lucht die zich nu in de cilinder bevindt kunnen we berekenen. We kunnen er vanuitgaan dat de druk in het inlaatkanaal ongeveer gelijk is aan de atmosferische druk (1 bar of 10e5 Pa). De atmosfeer is een dusdanig groot voorraadvat van lucht, dat het vullen van de cilinder geen enkele daling van de atmosferische druk teweeg kan brengen, dus aan het eind van de inlaatslag is de druk nog steeds 1 bar.
In de ideale situatie is dus vlak voordat de inlaatklep sluit de druk in de cilinder gelijk aan de druk in het inlaatkanaal.
De hoeveelheid toegevoerde verse lucht is dus precies genoeg om de vergroting van de cilinder inhoud tijdens de neergaande beweging van de zuiger te compenseren, zodat de druk gelijk blijft.
De luchtmassa die hiervoor toegevoerd is, is dan gelijk aan:

Hierin is ΔV gelijk aan de volumeverandering tijdens de inlaatslag. Dit wordt ook wel het slagvolume genoemd en is gelijk aan:

De luchtmassa is dus:

We hebben nu gezien hoe de inlaatslag werkt en dat de druk in de cilinder aan het eind van de inlaatslag in het ideale geval gelijk is aan de druk in het inlaatkanaal.

Wat doet drukvulling?

Drukvulling houdt in dat er voor wordt gezorgd dat de druk in het inlaatkanaal wordt verhoogd, zodat de druk in de cilinder aan het eind van de inlaatslag ook hoger is. Dit betekent dat er een grotere massa lucht in de cilinder aanwezig is.
Stel dat er een overdruk in het inlaatkanaal heerst van 1,5 bar, dan is de absolute druk in het inlaatkanaal 2,5 bar. Na de inlaatslag zal de luchtdruk in de cilinder ook 2,5 bar zijn.
De luchtmassa in de cilinder is dan 2,5 keer zo groot, want:

Meer lucht betekent automatisch meer zuurstof in de cilinder, zodat er meer brandstof verbrand kan worden. Als er meer brandstof wordt verbrand, komt er meer warmte vrij, waardoor de druk in de cilinder hoger wordt en de arbeid, die op de zuiger wordt uitgeoefend, groter.
Dit betekent een groter motorkoppel en dus ook een hoger vermogen.

Voordeel van drukvulling

Het belangrijkste voordeel van drukvulling is dat er een groter koppel en vermogen bereikt kan worden bij een gelijkblijvend slagvolume, omdat de beperkende factor de aanwezige zuurstofmassa in de cilinder is.

Nadelen van drukvulling

Een nadeel van drukvulling is dat er extra componenten voor nodig zijn, waardoor de kostprijs van serieproductie hoger wordt. Daarnaast zijn de onderdelen van de drukvulling vaak complex en storingsgevoelig, wat een risico op extra reparaties meebrengt.

Neveneffecten

Een nadelige eigenschap van gassen is dat wanneer ze gecomprimeerd worden, de temperatuur toeneemt. Voor het gemak kan worden aangenomen dat de compressie van de inlaatlucht zodanig snel gebeurt dat er geen warmte-uitwisseling met de omgeving plaats vindt (adiabatische compressie). In dat geval geldt:

Waarbij n = 1,4. Het nadeel van deze temperatuursverhoging is dat de dichtheid van het gas daalt en daarmee het aantal zuurstofmoleculen per volume eenheid. Helaas is hier geen ontkomen aan. Het comprimeren van het gas houdt namelijk in dat er arbeid op het gas wordt verricht. Deze energie wordt niet uitgewisseld met de omgeving (adiabatisch proces), maar omdat de energiebalans altijd in evenwicht is, moet de inwendige energie van het gas wel toenemen. Dit uit zich in de temperatuursverhoging.
Ondanks dat hieraan niet te ontkomen is, staat niets ons in de weg om het gecomprimeerde en opgewarmde gas af te koelen, zodat de dichtheid weer toeneemt. Dit gebeurt in de veelvuldig toegepaste intercooler of charge air cooler.
Dit is een soort radiateur die in de koude luchtstroom van de auto is geplaatst, waar de gecomprimeerde lucht doorheen stroomt. Hierdoor staat de inlaatlucht warmte af aan de rijwind en neemt de dichtheid van de inlaatlucht weer toe, zodat er meer zuurstofmoleculen in een kubieke meter gaan.
Dit mechanisme van de intercooler is zo effectief en simpel dat het tegenwoordig op praktisch alle motoren met drukvulling wordt toegepast.

Soorten drukvulling

De meest bekende en meest toegepaste typen drukvulling zijn de compressor en de turbocompressor. Een compressor is een soort luchtpomp die de inlaatlucht comprimeert en direct aangedreven wordt door de motor zelf (meestal via een snaar vanaf de krukas).

Centrifugaal compressor

Een turbocompressor verhoogt ook de inlaatlucht op een vergelijkbare manier, maar het verschil is dat de turbocompressor aangedreven wordt door het uitlaatgas wat de cilinder uitstroomt.

Turbocompressor

In het pV-diagram van de Otto-cyclus is duidelijk zichtbaar dat op het moment dat de uitlaatklep opent, de druk in de cilinder nog hoger is dan de atmosferische druk. Het is deze restdruk die wordt gebruikt om de turbine van de turbocompressor aan te drijven. Door dit gebruik van energie die anders verloren zou gaan is de turbocompressor energiezuiniger dan een andersoortige compressor.

pV-diagram

Drukvulling samengevat

Drukvulling is een methode om de hoeveelheid lucht in de cilinders van een motor te vergroten ten opzichte van een atmosferische motor. Hierdoor kan een relatief kleine motor een relatief groot koppel en vermogen genereren, terwijl het gewicht van de motor beduidend lager is dan van een vergelijkbare atmosferische motor. Dit lagere gewicht levert weer een besparing op in de vorm van een lager brandstofverbruik, wat uitermate wenselijk is vandaag de dag, terwijl het rijplezier gelijk blijft.
Het nadeel is dat de techniek en de onderdelen die nodig zijn voor drukvulling zeer complex zijn. Hierdoor zijn de nodige onderdelen relatief duur.

Door de strenger wordende milieu eisen en de vorderingen van de techniek, wordt drukvulling steeds meer toegepast.
In het geval van een uitlaatgas turbocompressor neemt de efficientie nog verder toe doordat er energie wordt gebruikt die in andere gevallen verloren was gegaan. Het is dan ook niet verwonderlijk dat dit vandaag de dag de meest toegepaste vorm van drukvulling is.
In combinatie met een intercooler wordt het effect van drukvulling op efficiente wijze gemaximaliseerd en is men in staat om met relatief kleine slagvolumes behoorlijke prestaties neer te zetten.
Kortom, drukvulling is in de huidige en toekomstige generaties automotoren niet meer weg te denken.