içten yanmalı motorlarda egzoz gazının basıncından elde edilen enerjiyi emiş havasını sıkıştırmaya harcayarak toplam sıkıştırma oranını artıran sistemlerdir.termodinamiğin ikinci kanunu
na göre bir gazı düşük sıcaklıklarda basıncını artırarak sıkıştırdığınızda harcayacağınız enerji, yüksek sıcaklıklarda aynı basınca kadar genleştirdiğinizde sağlayacağınız enerjiden küçüktür. bu durumda, gazı düşük sıcaklıkta sıkıştırır, sonra yakıtla yakar ve sonra da genleştirirseniz enerji elde edersiniz. içten yanmalı motorlarda da yapılan tam olarak budur.
fakat içten yanmalı motorlarda, hacimsel sıkıştırma oranı hacimsel genleşme oranına eşittir. başka bir deyişle krank mili alt ve üst ölü noktalar arasında sabit bir rota izler. ama öte yandan gazı yaktığınızda aynı hacimsel genleşme oranından sonra bile gazın hala kullanılabilecek kinetik enerjisi vardır. o zaman bu enerjisi olan gazı atmosfere salmak yerine motordan daha çok güç almanızı sağlayacak hale getirerek kullanmak mümkün olabilir.
turbocharger sistemi kullanılarak bu enerjiyi geri kazanmak mümkündür. egzoz manifoldundan çıkan gazı eğer bir türbine sokarsak enerjisiyle bu türbini, tıpkı yel değirmenlerinin rüzgarla dönmesi gibi döndürecektir. bu türbini ise bir şaft ile başka bir kompresöre bağlarsak ve motorun emme manifoldunun önüne de bu kompresörü yerleştirirsek, egzoz gazının enerjisini kullanarak hiç enerji harcamadan bu gazı sıkıştırmış oluruz.
izentropik kurallar gereği gazı yakmadan önce ne kadar sıkıştırırsanız, o kadar çok enerji elde etmeniz mümkün olacaktır. bu durumda turbocharger vasıtasıyla yanmadan önce gazı daha yüksek basınca çıkararak verim artışı yakalamak mümkün olacaktır.
turbocharger sistemi böylece motorun verimini artırır, ama dizel motorlarda benzinli motorlara oranla genellikle daha çok artırır. bunun nedeni dizel motorlarda sıkıştırma oranının benzinli motorlara göre daha yüksek olmasıdır. tabii bu durum turbocharger yapısının tamamen aynı olduğu durumlarda geçerlidir.
içten yanmalı motorların turbocharger sistemlerinde santrifüj yapılı*
türbin ve kompresörler kullanılır. bunun nedeni, bu yapının hem daha kompakt olması (malum, kaputun altında yayla kadar geniş bir hacim söz konusu değil) hem de daha çok sıkıştırma oranına tek kademede izin vermesidir. buna izin vermesinin nedeni, hava akışının daha çok dönmesidir.
euler turbomakina denklemine göre bir akışkanın kazanacağı enerji; adyabatik işlem varsayımı altında, bir streamline boyunca akışkanın bıçak giriş ve çıkışındaki, açısal hızının bıçak açısal hızıyla çarpımının farkına eşittir. aslında bu açısal momentumun korunumundan başka bir şey değildir.
kompresöre giren havanın debisi düşerse, kompresör girişindeki eksenel hız düşecektir. fakat kompresör bıçak geometrisinden dolayı, aynı dönüş açısı empoze edildiğinden dolayı, hava akışının sahip olduğu hücum açısı
artacaktır. bu artış belli bir noktaya kadar sıkıştırma oranını artıracaktır fakat bir noktadan sonra artan pozitif basınç gradyanı viskoz kuvvetleri yenerek hava akışının kompresör rotor bıçağı üzerinden kopmasına neden olur. bu duruma akış ayrılması*
denir. kompresörlerde ise bu durum compressor stall
veya duruma göre compressor surge
denen duruma yol açar. uçak motorlarında bu durumdan çıkmak daha komplikeyken, içten yanmalı motorlarda siz gazı kökledikçe stall'dan çıkar. kopan akış sonucu girdaplar oluşur ve bu girdaplar içinde statik basınç korunacağından ötürü, dış akış girdabın içinden geçemez ve kompresörün kesit alanı daralmış olur. bu da kompresörün performansını düşürür. bunu engellemek kompresör bıçağının empoze ettiği dönüş açısını ve turbocharger kesit alanını düşürmek gerekir.
bunun pratikteki anlamı ise düşük devirlerdeyken turbocharger sisteminin devreye geç girmesidir ve turbo gecikmesi *
olarak bilinir.
durumu tersinden düşünerek, kompresöre giren havanın debisi arttığında ne olur sorusu üzerine düşünecek olursak, bu durumda da kinetik enerjisi aşırı artan hava daralan kesit alanı nedeniyle boğulur ve buna choked flow
denir. bu durumda havanın hızı ses hızına çıkar ve daha sonra kesit alanı artsa da havanın hızı artmaz. bu durumun üstesinden gelmek için de kompresör bıçağının empoze ettiği dönüş açısını ve turbocharger kesit alanını artırmak gerekir.
görüldüğü gibi turbocharger sisteminin etkinliğini artırmak için bir yandan dönüş açısını artırmak gerekirken diğer yandan azaltmak gerekir. bunun üstesinden gelmek için farklı turbocharger sistemleri kullanılır.
1) değişken geometrili turbocharger: bu tip turbocharger sisteminde kompresör bıçakları elektronik bir mekanizma ile kontrol edilir. öyle ki düşük devirlerde düşük dönüş açısına sahip bıçak pozisyonu ayarlanırken, yüksek devirlerde dönüş açısı artırılır. böylelikle turbocharger'ın etkin olduğu motor devir aralığı alt ve üst bandda genişlemiş olur. bu tip turbochargerlar borg warner
ve garrett
tarafından çok üretilir. turbocharger sistemi üzerindeki manipülasyonlarla motorun çıkış torku ve gücü dramatik artışlar yakalayabilir. öyle ki renault tarafından geliştirilen 90 ve 110 beygirlik 1.5 dci motorlar arasındaki tek fark 110 beygirlik motordaki değişken geometrili turbocharger sistemidir, bütün motor blok geometrisi tamamen aynıdır. 90 beygirlik motorda waste gate turbocharger kullanıldığından egzoz gazının tamamı türbine sokulmadan bypass edilerek kompresörün üst devirlerdeki aşırı yüksek rpm nedeniyle maruz kalacağı merkezkaç kuvvetinden dolayı yiyeceği stres azaltılır.
ek bilgi: 75 beygirlik motorla 90 beygirlik arasındaki fark da yanlış hatırlamıyorsam intercooler
kullanımıdır, turbocharger sistemleri birebir aynıdır.
2) çift turbo: biturbo veya twin turbo olarak bilinen turbocharger sistemidir. bu turbocharger sisteminde, birebir aynı olan, paralel bağlı 2 adet turbocharger kullanılır. bundaki amaç boyutu küçültüp, hava debisini bölerek turbocharger'ın etkin olduğu devir aralığını genişletmektir. genellikle v tipi motorlarda kullanılır çünkü 2 ayrı emme manifoldu zaten vardır. tasarımında dikkat edilmesi gereken husus 2 manifolda da aynı sıkıştırma oranında ve aynı basınç kayıplarına sahip hatlarda havayı taşımak gerektiğidir. aksi takdirde 2 yatay blokta aynı güç üretilemez ve uygulanan döngüsel kuvvet farkı motorun krank mili üzerinde yeni ve farklı bir yorulma döngüsü yaratabilir. ayrıca titreşim farkı nedeniyle titreşim analizi de sil baştan yapılmalıdır.deutz tcd 2015 v8
motorunda iki ayrı emme manifolduna tek değişken geometrili borg warner ürünü turbocharger kullanılırken, mtu 890 serisi
motorlarında paralel bağlı çift turbo kullanmaktadır, bunun nedeni motor büyüklükleri arasındaki farktır.
çift turbo uygulamalarında turbochargerlar seri de bağlanabilir. bu durumda egzoz gazını ikiye bölmek için bypass valve gerekir. bu durumda turbochargerlar zaten birbirinin birebir aynısı olmaz. egzoz debisinin hangi oranda bölüneceği türbinlerin performans haritasına bakarak anlaşılabilir. bu tip uygulamalarda, düşük devirlerde egzoz gazının tamamı küçük turbochargera yönlendirilir çünkü turbo gecikmesine karşı daha dirençlidir. ara devirlerde egzoz debisi paylaştırılırken, yüksek devirlerde boğulma riskine karşı tamamen büyük turbocharger'a yönlendirilir. konfigürasyonun seri olması, basıncın bir diğerine input olarak girmesi nedeniyle ikiyle çarpılması anlamına gelir ama bu durumda tek taraflı egzoz gazı tamamen bloke edildiğinde, seri bağlı hatta ilgili turbocharger kompresörünü de bypass etmek gerekir. bu kadar kompleks bir intake hattı tasarlayacaksam da ben neden mühendis olarak seri bağlı turbocharger kullanayım gerçekten çok saçma, belki açıklayan çıkar.
3) twin power turbo: bmw'nin en çok sevdiği turbocharger sistemi budur. özellikle son geliştirmelerle birlikte turbocharger etkinlik aralığı en geniş turbocharger sistemidir. bu noktada aslında tek turbocharger çift turbocharger gibi davranır. tek aks üzerinde dönen 2 farklı turbocharger geometrisi söz konusudur, tabii 2 tarafın da ayrı ayrı değişken geometrili turbocharger'a sahip olduğunu söylememe gerek yok sanıyorum. aslında bmw motorlarının görece yüksek performansını bu turbocharger sistemine borçlu. bildiğim kadarıyla 328i ve 320d motorlarında son sene yapılan iyileştirmelerle yakalanan 6 ve 7 beygirlik güç artışı (sırasıyla 245'ten 252'ye ve 184'ten 190'a) da büyük oranda turbocharger optimizasyonu sayesinde oldu. aynı aks üzerinde farklı inputlara sahip turbochargerlar ve bunu motor devrine ve gaz pedalının konumuna göre farklı oranlarda bölüştüren valfler sayesinde optimizasyonda kolay kolay ulaşılamayacak bir noktaya taşıdılar.
turbocharger sistemleri içerisinde en karmaşık geometriye sahip olan bu tarz turbochargerlar'ın üretimi de oldukça masraflı oluyor.
edit: imla