Hoe werkt het turbo Anti-Lag Systeem
Bang-bang (ook bekend als ALS, wat staat voor Anti-Lag Systeem) is een motormanagement techniek die het mogelijk maakt om de turbo lag tijd te minimaliseren.
Zoals u wellicht weet, vertonen turbochargers een zogenaamde lag tijd. Dit is de tijd die de turbine nodig heeft om zijn volle gas te bereiken vanuit een tussenliggende rotatiesnelheidstoestand. De duur van de vertraging van een turbocompressor hangt af van vele factoren, waaronder de traagheid, de efficiëntie van de luchtstroom, de tegendruk, enz. Dit probleem wordt gedeeltelijk verholpen door een turbodumpklep te monteren, die in werking treedt telkens wanneer de bestuurder zijn voet van het gaspedaal haalt. De dump valve zuigt de lucht af die onder druk uit de turbolader komt terwijl het inlaatspruitstuk gesloten is, zodat de turbine niet afslaat en mogelijke schade aan de lagers wordt voorkomen. In raceauto’s worden vaak overgedimensioneerde turboladers gemonteerd om voldoende opvoerdruk te kunnen produceren en een voldoende motorvermogen te garanderen. Grote turboladers vertonen aanzienlijke vertragingen door hun grotere rotatietraagheid. In dergelijke gevallen is de dump valve onvoldoende om de turbolader niet te veel snelheid te laten verliezen wanneer de bestuurder optrekt. Bovendien worden rallywagens uitgerust met een turbo restrictor, die door de FIA wordt geregeld. Een van de effecten van de restrictor is dat de nalooptijd toeneemt. Daarom wordt in raceauto’s, en meer in het bijzonder in rallyauto’s, waar koppel en beschikbaarheid van de motor kritische prestatiefactoren zijn, meestal gebruik gemaakt van anti-lag systemen.
Tijdens de lagetijd reageert de motor veel minder goed en ligt zijn vermogen ver onder het nominale niveau. Om het effect van de vertragingstijd van de turbolader tegen te gaan, anticipeerden de coureurs op de reacties van de motor door veel eerder gas te geven dan ze in een auto zonder turbo zouden hebben gedaan. Anderen gebruikten een techniek, geïntroduceerd door de Duitse coureur Walter Röhrl, bekend als “linkervoetremmen” waarbij de coureur zijn linkervoet gebruikt om de auto af te remmen terwijl zijn rechtervoet gas geeft om de turbolader optimaal belast te houden. Remmen met de linkervoet is zeer zwaar voor de remmen, die onder extreme druk staan, maar het is zeer efficiënt om de turbo draaiende te houden.
ALS was een eenvoudig idee, maar een dat relatief moeilijk was uit te voeren. Pas toen elektronische motormanagementsystemen ver genoeg gevorderd waren om rekening te kunnen houden met veel meer parameters, in real time, dan in het verleden, werd het mogelijk om ze efficiënt te gebruiken bij het afhandelen van ALS. Voor zover ik weet was Toyota Team Europe de eerste die het systeem in de racerij toepaste (Toyota’s implementatie staat bekend als Toyota Combustion Control System, terwijl Mitsubishi het systeem Post Combustion Control System noemt).
Hoe ALS werkt
Als de bestuurder zijn voet van het gaspedaal haalt, wordt het ontstekingstijdstip gewijzigd met soms 40° of meer vertraging (retard) en wordt het inlaatlucht- en brandstofmengsel rijker gemaakt. De inlaatklep wordt iets open gehouden of een luchtinjector, die de inlaatklep omzeilt, wordt gebruikt om de luchttoevoer naar de motor op peil te houden. Dit resulteert in een lucht/brandstofmengsel dat in de verbrandingskamers blijft komen wanneer de bestuurder geen gas meer geeft. Omdat de ontsteking ernstig wordt vertraagd, bereikt het lucht/brandstofmengsel de uitlaatpijpen grotendeels onverbrand. Wanneer de bougie ontsteekt, begint de uitlaatklep open te gaan ten gevolge van de bovenvermelde ontstekingsvertraging. Bovendien is de uitlaattemperatuur extreem hoog, waardoor de onverbrande brandstof explodeert bij het contact van de uitlaatpijpen. Gelukkig zit de turbo daar en de explosie zorgt ervoor dat hij blijft draaien (anders zou hij langzamer gaan draaien omdat zijn inlaat, de uitlaatgassen, is afgesneden). Het effect is een veel kortere reactietijd met enkele nadelen:
- Een snelle stijging van de temperatuur van de turbocompressor (die van ~800°C naar de 1100°C+ regio springt) wanneer het systeem wordt geactiveerd
- Een enorme spanning op het uitlaatspruitstuk en de uitlaatpijpen (gemonteerd op een straatauto zou een bang-bang systeem het uitlaatsysteem binnen 50-100 km vernietigen)
- De turbo produceert een aanzienlijke boost, zelfs bij stationair toerental
- De explosies die in de uitlaatpijpen optreden, genereren belangrijke vlammen die kunnen, die soms aan het eind van de uitlaatpijp te zien zijn
- Verminderde motorrem
Het ALS effect is vooral afhankelijk van de hoeveelheid lucht die in de motor wordt toegelaten, hoe meer lucht er wordt toegevoerd hoe meer het ALS effect merkbaar zal zijn. ALS-systemen kunnen dus meer of minder agressief zijn. Een milde ALS zal een druk van 0 tot 0,3 bar in het inlaatspruitstuk handhaven wanneer hij is geactiveerd terwijl, wanneer hij niet actief is, de druk in het inlaatspruitstuk met gesloten gasklep in de buurt van -1 bar zal liggen (absoluut vacuüm). Race ALS versies kunnen een druk van maximaal 1,5 bar in het inlaatspruitstuk met de gashendel gesloten.
While de systemen gemonteerd in Toyota en Mitsubishi race auto’s zijn relatief glad en geruisloos die gemonteerd in Ford en Subaru auto’s zijn veel meer luidruchtige en agressieve.
De bang-bang systeem dankt zijn naam aan de luide explosie geluiden die men hoort wanneer de bestuurder liften uit. De meeste race implementaties hebben door de gebruiker selecteerbare anti-lag instellingen afhankelijk van het terrein, meestal drie instellingen die door de coureur kunnen worden geselecteerd, gaande van mild tot zeer agressief.
Merk op dat sommige regionale of nationale Europese evenementen het gebruik van ALS systemen verbieden, terwijl steeds meer WRC evenementen de geluidsniveaus reguleren die zijn toegestaan door wedstrijdauto’s, waardoor ALS effectief wordt uitgeschakeld.
Begin 2002 beginnen nieuwe anti-lag technieken, zoals Exhaust Gas Recirculation (EGR), langzaam de hierboven beschreven methode in te halen omdat ze vriendelijker zijn voor de mechanische delen van de motor.