Turbo nedir? Turbonun çalışma Prensibi ve Turbo Tarihçesi

Turbo

Turbochargerın kullanımı hemen hemen içten yanmalı motorların kullanılmasıyla aynı zamanlara denk gelir.Turbochargerı içten yanmalı motorlarda ilk başarılı olarak kullanan Dr. Buchi’dir.General Electric 1910’ların sonlarına doğru turbocharger geliştirme çalışmalarına başladı.1920’de General Electric’e ait motora sahip olan uçak yeni bir irtifa rekor kırmıştır(10092m).

Turbonun tarihi 1800′lü yılların sonlarına dayanmaktadır.1880′lerin sonlarına doğru Gotlieb Daimler ve Rudolf Diesel egzozdan çıkan gazı sıkıştırmaya çalışarak motorun gücünü arttırmanın ve daha az yakıt tüketmenin yollarını aradılar.Fakat yapılan çalışmalarda ki olumlu sonuçların yeterli olmaması sebebiyle yapılan çalışmalar askıda kaldı.

1960′ların başlarında Chevrolet,Corvair,Monza ve Oldsmobile Jetfire ilk turbo kullanılan binek otomobillerdir fakat güvenilirlikleri inanç kazanmadığından dolayı piyasada tutunamadılar.

Formula 1′de 1970li yıllarda turbonun kullanılmasıyla birlikte binek otomobillerin kullanıcı kitlesi turboya karşı büyük sempati duymaya başladı ve bunu farkeden otomobil firmaları turbolu motor kullanılmış otomobiller çıkardılar piyasaya.Bu moda birkaç yıl içinde turbolu motorların güçlü olmasına rağmen ekonomik olmaması ve turbo devrede değil şeklinde söylenen turbonun geç dolmasından dolayı müşterilerin memnuniyetsizlikleri sonucunda tekrar rafa kaldırıldı.

Mercedes’in 1978de çıkardığı Mercedes-Benz 300 SD’si ve 1981 yılında VW’in Golf Turbodizel’i ile turbonun binek otomobillerde kullanımının dönüm noktaları olmuştur.
Turbocharger hareketini egzoz gazından alır ve basit olarak 2 parçaya ayırabiliriz.Egzoz gazının geçtiği ve hareketin sağlandığı türbin kısmı, türbin pali ve hava kompresörü ve kompresör pali.Genel olarak türbin ve kompresör kısmı farklı olarak incelense de bir turbonun genel performansını bu ikisinin çalışma verimi etkiler.Uygun kombinasyonla toplanmış kompresör ile uygun olmayan bir türbin kullanıldığında yada tam tersi uygun bir türbin ile türbine uygunsuz bir kompresör kullanıldığında durum değişik olacaktır.Yanma odasından çıkan gaz egzoz manifoldundan geçerek turbochargerın türbin kısmına gelir.Türbin kısmında bulunan pervane kompresör kısmında bulunan pervane ile aynı mil üzerinde çalışır.Türbin kısmı çıkan gazlar sonucunda harekete geçtiği zaman aynı anda kompresör kısmındaki pal harekete geçerek ortamdan hava emişini sağlayarak emilen havayı emme manifolduna gönderir.

1

Turbocharger gücünü kranktan almadığı için supercharger gibi güçte kayba yol açmaz.Aynı güçteki normal beslemeli motorlarla kıyaslandığında daha iyi yakıt tüketim değerlerine sahiptir.Turbocharger ile düşük devirlerde kazanılan tork özellikle tırmanma gibi koşullarda hız kaybetmeden vites değişimine imkan verir.Yüksek irtifada çalışan motorlar için turbocharger uygulaması uygun bir seçim olur.Atmosferik motorlardaki güç kaygına nazaran havanın yoğunluğu azalmasına rağmen basınçta azaldığı için türbin çıkışındaki basınç daha az seviyelerde olacaktır.Bu yüzden belirli bir güç kaybı yaşanmayacaktır.Daha düşük hacimden elde edilen yüksek güçler motor tasarımının küçük olmasını, daha iyi emisyon değerlerini yakalanmasını sağlar.

Kompresörden çıkan havanın basıncı yanında aynı zamanda sıcaklığı da artar.Kompresörden çıkan hava intercooler yardımıyla soğutularak daha fazla oksijen molekülünün motora gönderilmesi sağlanır.Bu sayede daha yüksek güç elde edilebilir.

Kompresör pervanesi çok yüksek hızlarda döner, merkez kaç kuvvetleri nedeniyle hareket eden hava yüksek hızlara ulaşır bu yüzden kinetik enerjisi artar.Difüzör kısmında ise havanın kinetik enerjisi statik basıncın artışını sağlar.Basınç artışı nedeniyle havanın hızı belirli oranda düşer.Hava kolektör sayesinde difüzör çevresinde toplanır ve çıkış kısmından motora gönderilir.

Genelde çeşitli kompresör dizaynları kullanılır.En basit olanı birbirine paralel bıçaklardır.Bu tasarımın üretimi kolay ve maliyeti azdır.Fakat bıçakların düz olması nedeniyle oluşan çok dalgaları düşük kompresör verimlerinin yakalanmasına sebep olur.Şok dalgaları belirli oranda eğilmiş bıçaklarla önlenebilir.Eğimli bıçakların üretimi düz olanlara göre daha zor ve maliyetlidir fakat daha yüksek mukavemet değerlerine sahiptir.Şu an kullanılan eğimli bıçak tasarımı sayesinde daha yüksek kompresör verimlerine ulaşılabilmektedir.
Kompresör kanatçıkları genelde döküm teknolojisi kullanılarak üretilir ve aluminyum alaşımları kullanılır.Daha yüksek dayanım ve performans istenen durumlarda ise uygun alaşımdan CNC’de üretim yapılabilir.Bu sayede daha yüksek basınçlar ve zor koşullar altında çalışabilmektedir.(12-13 bar gibi).

Türbin pali ve housingi genel olarak egzoz gazındaki enerjiyi palin hızlanması için kullanır aynı zamanda pale teğet olan gaz akışını mile paralel olarak değiştirir.Türbindeki dönüş hızı basınç farklılığı(sıcaklığın fonksiyonu olarak) egzoz gazının hızına ve expension oranına bağlıdır.
Hız aynı zamanda alan/yarı çap oranına bağlıdır.A/R oranı türbin girişinin boğaz kısmına bağlandığı kısımdaki alan ile giriş kısmının orta noktasından mile olan uzaklık yarı çap olarak alınarak hesaplanır.Büyük A/R oranı egzoz gazları düşük hızda geçerek milin daha düşük hızlarda dönmesini sağlar.Küçük A/R oranı ise çarpma oranı artarak dönüş hızının artmasını sağlar.

2

Normal kullanımda türbin yaklaşık 25bin devirlere kadar serbest dönebilir.Gaz kelebeğinin tam açık olduğu konumda artan egzoz gazı oranı nedeniyle mil hızı artarak kompresör motora daha fazla hava gönderecektir.A/R oranı arttıkça gaz çıkışı daha rahat olarak sağlanır fakat alan artışından dolayı milin hızlanması daha fazla süre alır.Buna turbo boşluğu ‘lag’ denir.Lag motor devrine ve aynı zamanda türbin palinin ataletine bağlıdır.Minimum lag küçük türbine housingi ile sağlanabilir.

3

Daha önceden kullanılan türbin pal tasarımları büyük ve ataleti fazlaydı.Günümüz tasarımları düşük ağırlık, daha küçük büyüklükler ve daha fazla eksenel akış üzerine odaklanmıştır.
Gelişen teknoloji ile özellikle dizel motorlarda verimli olan diğer bir çalışma ise twin scroll türbindir.Gaz akışını daha efektif şekilde kullanılmasını sağlar.Örneğin 4 silindirli ve ateşleme sırası 1-3-4-2 olan bir motorda 1. silindir genişleme zamanını geçirdikten ve egzoz subabını açtıktan sonra 2. silindirin hala egzoz subabı açıktır.(subap bindirme zamanında) Twin scroll olmayan bir manifoldda bu durumda 2. silindire egzoz gazı kaçışı olup daha düzgün bir iş yapmasını engeller, ayrıca türbinde daha iyi iş yapılmasını sağlar

Diğer teknolojik bir çalışma ise değişken geometrili turbo tasarımlarıdır.Türbin pali etrafında bulunan kanatçıklar elektronik yada pnömatik olarak kontrol edilerek düşük devirlerden itibaren turbochargerın yüksek basınç üretmesini sağlar.İlk değişken geometriye sahip turbo üzerinde Chrysler çalışmıştır.Düşük devirlerde yada rolantide basınç istenmediğinden kanatçıklar açık durumdadır ve gazın akışını değiştirecek bir duruma sahip değildirler.Gaza tam basıldığında kanatçıklar hareket ederek gaz akışını hızlandıracak şekilde hareket ederek daha çabuk basınç elde edilmesini sağlar.Bu sayede düşük devirlerden itibaren daha iyi bir devir bandı yakalanır aynı zamanda daha iyi tepki sağlanır.Devir arttıkça, kanatçıklar yeniden açılarak yüksek basınç ve güç üretmeye uygun şekilde hareket ederler.

4

5

KOMPRESÖR PERFORMANS HARİTALARI

Kompresör performans haritaları genel olarak merkezkaç kompresörlerin performansını ifade eder.Aynı zamanda bir motor için performans gereksinimleri doğrultusunda uygun olan kompresörü seçmeye olanak sağlar.
Bütün turbo üniteleri ASME SAE gibi kurumların hazırlamış olduğu kurallara göre test edilerek kompresör haritaları çıkarılır.Turbolar test edilirken termodinamik kuralları, akışmetreler, basınç sensörleri, optik hız sensörleri, gibi bir çok elemanın elde ettiği sonuçlar göze alınarak yapılır.Harita tam olarak tamamlanmadan önce aşağıdaki gibi bitmemiş bir harita elde edilir.

6

Haritada tamamlanmamış kısımlar gerekli verimlilik hesapları yapılarak tamamlanır ve son haline getirilir.Testlerden alınan ham veriler hesaplamalar ve düzenlemeler yapılarak standartlara çevrilmezse bir işe yaramaz.Tipik datalar, hesaplamalar, düzenlemeler, türbin pal hızı kompresör akış oranları türbin egzoz gazı oranları kompresör basınç oranı türbin genişleme oranı gibi veriler ışığında yapılır.Datalar SAE standartlarına göre yeniden hesaplanıp haritaların kalan kısımları elde edilir.Verilerin düzenlenmesi için aşağıdaki formüller kullanılabilir:

7

Yapılan düzenlemelerden sonra haritalarda verimli alanların yeniden hesaplanarak ayrılması gerekir.Turbo adyabatik olarak çalışmadığı için ısı transferlerini, kazanımları, kayıpları mutlaka hesaplarda göz önünde bulundurmamız gerekir.Bunun için sebep izentropiktir.Kısıtlamalar giriş sıcaklığı,basıncı ve çıkış sıcaklığı, basıncı hem ideal adyabatik komresör için hemde gerçek kompresör için aynıdır.Bu sonuçları kullanarak kompresör denklemleri çıkar:

8

Sıcaklık transferi oranları kompresör ve türbin yağlama sistemi su soğutma sistemlerinin etkileri hesaplanır ve kullanılan kompresör haritası elde edilir.

9

Basınç oranı(pressure ratio) kompresör girişindeki toplam mutlak basınç(statik+dinamik) ile(kayıplar olmaksızın) kompresör çıkışındaki mutlak basıncın oranı verir.

Kompresör verimi adyabatik sıkıştırma veriminde kayıp olmaksızın hesaplanır.Fakat basıncın artışıyla gelen sıcaklık artışı adyabatik verimde düşüşe neden olmaktadır.

Merkezkaç kompresörlerin haritasında genel olarak 3 ana nokta vardır.Merkez alan operasyon alanıdır.Surge çizgisi düşük hava debisinin olduğu ve kompresör işinin stabil olmadığı kısımdır.Surge toplam hava miktarının kompresörden geçtikten sonra yeniden kompresöre dönmesidir.Bunun önüne daha düşük basınçlarda kompresörü çalıştırmak yada kompresörü değiştirmek ile geçilebilir.Surge devam ederse kompresör paline, yataklara zarar verebilir.

TÜRBİN KOMPRESÖR HARİTASI

Türbin performans haritası türbin palinin hızını, gaz debisini,genel türbin verimini ve türbin basınç oranını gösterir.

Gaz debisi basınç oranından etkilendiği için değişik türbin hızları oluşur fakat uygun hesaplamalarla tek bir eğri elde edilebilir.

10

Genel verim türbin verimi hem türbin verimi hem de mekanik verimi içerir.

11

TURBOCHARGER YATAK ÇEŞİTLERİ

Turbolar yüksek devirlerde çalışan elemanlardır.Dakikadaki devir sayıları 300.000i bulabilir.Aynı zamanda çalışma ömrü motorla paralel olmalıdır.Yağlama ve soğuma turbochargerın orta kısmında gerçekleşir (chra=center housing rotating assemble).Bu bölümde bir arıza olduğunda yüksek ihtimalle turbocharger arıza verip büyük problemler çıkaracaktır.Turbochargerlar genel olarak kaymalı ve yuvarlanmalı yataklar kullanırlar:
Kaymalı yataklar:Eksenel şekilde yerleştirilmiş olan bu yataklar eksenel kuvvetlerin bir kısmını karşılayabilirler.Kompresörde ve türbinde eksenel olarak hareket eden gazlar yataklar üzerine belirli kuvvetlerin olmasına neden olur.Konik sürtünme alanı sayesinde bu kuvvetleri absorbe edebilirler.Fakat sürtünme oranlarının yüksek oluşu nedeniyle daha fazla olan turbo lag düşük devir çeviren motorlarda kullanılabilecek verimli devir aralığını azaltmaktadır

12

Şekilde 270 derece kaymalı yataklı bir turbocharger görülüyor.270 ve 360 derece yataklar arasındaki fark yağlama kanalı sayısıdır.270 derecede 4 yağlama kanalı varken 360 derece kaymalı yatakta 6 adet yağlama kanalı vardır.Buda daha iyi bir yağlama ve soğutma sağlar.
Aynı zamanda mil üzerine yataklanmış kaymalı yataklarda kullanılmaktadır.Mil ve yatak arasında sürtünme olmadan yağ molekülleri arasında sürtünme görülür.Yataklar genelde pirinç kaplanarak sürtünme katsayısı ve mukavemeti belirli düzeylere getirilebilir.Yüksek devirlerde sürütnme sadece yağ molekülleri arasında olur fakat uygun yağ filmi kalınlığı olmazsa metal metal sürtünmede görülebilir.Toleranslar ne çok fazla nede çok az olmalıdır fazla mil yatak arası boşluk ise yüksek devirlerde problem çıkarabilir.

Yuvarlanmalı yataklar:Turbolardan istenen yüksek performans, yüksek dayanım gibi beklentileri karşılamak için çeşitli iyileştirmelere gidilmesi gerekir.Garrett Motorsport çeşitli yarış serilerinde yaptığı çalışmalar sonucu yuvarlanmalı yatakları geliştirdi.Yuvarlanmalı yataklar kaymalı yataklara göre düşük sürtünme katsayısına sahiptir.Bu sebeple özellikle düşük devir çeviren motorlarda problem olan turbo lag’in önüne biraz olsun geçilmiş olur.Aynı zamanda yuvarlanmalı yataklı turbolar kaymalı yataklı turbolara göre daha az yağa ihtiyaç duyarlar.Bu sayede daha uzun ömürlü keçelerden söz edebiliriz.

13

Gelişen teknoloji sayesinde yuvarlanmalı yataklar orijinal ekipman olarak sunulabilmektedir.Aynı zamanda sahip olduğu yüksek dayanım nedeniyle çoğu performans uygulamalarında tercih edilmektedir.
Aynı zamanda gelişen teknoloji ile su soğutmada turbolarda kullanılan bir diğer özelliktir.Yüksek sıcaklıklarda çalışan turbochargerların sağlıklı çalışması için yağ değişimi aralıklarının daha sık yapılması gerekir.Yapılmadığı takdirde yataklar yüksek ihtimalle zarar görür.Su soğutmalı turbolar yağ ömrüne çok katkısı olmasada turbocharger ömrünü uzattığı gerçektir.Yataklar çevresindeki sıcaklıklar düşürülmesi nedeniyle turbo ömrüne önemli bir katkı sağlar.

Yazar Hakkında

yazan 1523 Blogdaki yazılar

Telif © 2017 OtoResim.net ~ Otomobil Resimleri ve Haberleri. Tüm Hakları Gizlidir.
Designed by Eyüp ÖZDEMİR
Bu sitedeki tüm yazı ve görseller çeşitli kaynaklardan derlenerek yayınlanmaktadır. evdeyiz.net bu bilgilerin kesin doğruluğunu kabul etmez. ~