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