Hiç şüphe yok ki her birimiz hayatımızda en az bir kez sıradan görünümlü bir arabada “turbo” isim plakasını fark etmişizdir. Üreticiler sanki bilerek yapmış gibi bu isim plakalarını küçük boyutta ve göze çarpmayan yerlerde yaparlar ki, acemi bir yoldan geçen fark etmesin ve geçmesin. Ve farkında olan bir kişi kesinlikle durup arabaya ilgi duyacaktır. Aşağıda bu davranışın nedenleriyle ilgili bir hikaye yer almaktadır.
Otomotiv tasarımcıları (bu mesleğin ortaya çıktığı andan itibaren) sürekli olarak motorun güç artışı sorunuyla ilgilenmektedir. Fizik yasaları, motor gücünün doğrudan bir çalışma döngüsünde yakılan yakıt miktarına bağlı olduğunu belirtir. Ne kadar çok yakıt yakarsak, güç o kadar artar. Ve diyelim ki kaputun altındaki “at sayısını” artırmak istiyoruz – bunu nasıl yapacağız? Sorunlarla burada karşı karşıyayız.
Gerçek şu ki yakıtın yanması için oksijene ihtiyaç vardır. Yani bu bir yakıt değil, silindirlerde yanan bir yakıt-hava karışımıdır. Yakıtı havayla gözle değil, belirli bir oranda karıştırmak gerekir. Örneğin, benzinli motorlar için bir karışım, çalışma moduna, yakıt bileşimine ve diğer faktörlere bağlı olarak bir kısım yakıt ve 14-15 kısım havadan oluşur.
Gördüğümüz gibi, çok fazla hava gerekir. Yakıt beslemesini artırırsak (bu bir sorun değil), hava beslemesini de önemli ölçüde artırmamız gerekir. Geleneksel motorlar, silindirdeki ve atmosferdeki basınç farkı nedeniyle bunu kendi içlerine çekerler. Bağımlılığın doğrudan olduğu ortaya çıkar – silindirin hacmi ne kadar büyükse, her çevrimde içine o kadar fazla oksijen girer. Amerikalılar da bunu yaptı ve akıl almaz yakıt tüketimine sahip devasa motorlar üretti. Peki aynı hacme daha fazla hava pompalamanın bir yolu var mı?
Var ve Bay Gottlieb Wilhelm Daimler tarafından icat edildi. Bu soyadı size tanıdık geliyor mu? Elbette, DaimlerChrysler adında kullanılıyor. Yani, bu Alman motorlarda çok iyiydi ve 1885’te onlara daha fazla hava pompalamanın yolunu icat etti. Silindirlere hava pompalama fikrini, doğrudan motor şaftından dönüş alan ve silindirlere basınçlı hava pompalayan bir fan (kompresör) olan bir süperşarj kullanarak buldu.
İsviçreli mühendis ve mucit Alfred J. Büchi daha da ileri gitti. Sulzers Brothers şirketinde dizel motorların geliştirilmesinden sorumluydu ve motorların büyük ve ağır olmasından ve çok az güç üretmesinden kesinlikle hoşlanmıyordu. Ayrıca tahrik kompresörünü döndürmek için motordan enerji almak istemiyordu. Bu nedenle, 1905’te Bay Büchi, güç kaynağı olarak egzoz gazı enerjisini kullanan dünyanın ilk hava şarj cihazının patentini aldı. Basitçe söylemek gerekirse, turboşarjı icat etti.
Akıllı İsviçrelinin fikri, her şey kadar yaratıcı. Egzoz gazları, rüzgarlar değirmenin yelkenlerini döndürürken kanatlı bir çarkı döndürür. Tek fark, çarkın çok küçük olması ve çok sayıda kanat olmasıdır. Kanatlı bir çarka türbin rotoru denir ve kompresör çarkıyla aynı şafta monte edilir. Bu nedenle, geleneksel olarak, turboşarj iki parçaya ayrılabilir – bir rotor ve bir kompresör. Rotor, egzoz gazlarından dönüş alır ve ona bağlı kompresör, bir “fan” olarak çalışarak silindirlere ek hava pompalar. Tüm bu karmaşık yapıya turboşarj denir (Latince “turbo” – girdap ve “compressio” – sıkıştırma kelimelerinden).
Turboşarjlı bir motorda, silindirlere giren havanın genellikle ek olarak soğutulması gerekir – daha sonra silindire daha fazla oksijen pompalanarak basıncı yükseltilebilir. Sonuçta, soğuk havayı (zaten içten yanmalı motorun silindirinde) sıkıştırmak, sıcak havayı sıkıştırmaktan daha kolaydır.
Türbinden geçen hava, egzoz gazlarıyla ısıtılan turboşarj parçalarından gelen havanın yanı sıra sıkıştırma yoluyla ısıtılır. Motora verilen hava, bir ara soğutucu kullanılarak soğutulur. Bu, kompresörden motor silindirlerine giden hava yoluna yerleştirilmiş bir radyatördür. İçinden geçerken ısısını atmosfere verir. Ve soğuk hava daha yoğundur, bu da silindire daha fazla hava pompalanabileceği anlamına gelir.
Türbine ne kadar çok egzoz gazı girerse, türbin o kadar hızlı döner ve silindirlere ne kadar çok ek hava girerse, güç o kadar yüksek olur. Bu çözümün, örneğin bir tahrik süperşarjıyla karşılaştırıldığında verimliliği, şarjın “kendi kendini bakımı” için çok az motor enerjisi, sadece %1,5 harcanmasıdır. Gerçek şu ki, türbin rotoru egzoz gazlarından enerjiyi yavaşlamaları yoluyla değil, soğumaları yoluyla alır – türbinden sonra egzoz gazları hala hızlıdır, ancak daha soğuktur. Ayrıca, hava sıkıştırmaya harcanan serbest enerji motorun verimliliğini artırır. Ve daha küçük bir çalışma hacminden daha fazla güç elde etme yeteneği, daha az sürtünme kaybı, motorun (ve bir bütün olarak aracın) daha az ağırlığı anlamına gelir. Tüm bunlar, turboşarjlı arabaları aynı güçteki atmosferik muadillerine kıyasla daha yakıt verimli hale getirir. Bunun mutluluk olduğu düşünülebilir. Ama hayır, o kadar basit değil. Sorunlar daha yeni başlıyor.
Birincisi, türbin dönüş hızı dakikada 200 bin devire ulaşabilir ve ikincisi, akkorun sıcaklığı, hayal etmeye çalışın, 1000°C’ye ulaşır! Tüm bunların anlamı nedir? Uzun süre bu kadar ağır yükleri kaldırabilecek bir turboşarj yapmak çok pahalı ve zordur.
Bu sebeplerden dolayı, turboşarj yalnızca İkinci Dünya Savaşı sırasında ve yalnızca havacılıkta yaygınlaştı. 50’li yıllarda, Amerikan şirketi Caterpillar bunu traktörlerine uyarlamayı başardı ve Cummins’ten ustalar kamyonları için ilk turbodizelleri tasarladılar. Turbo motorlar seri binek otomobillerde daha sonra bile ortaya çıktı. Bu, 1962’de Oldsmobile Jetfire ve Chevrolet Corvair Monza neredeyse aynı anda piyasaya sürüldüğünde gerçekleşti.
Ancak tasarımın karmaşıklığı ve yüksek maliyeti tek dezavantaj değil. Gerçek şu ki, türbinin verimliliği büyük ölçüde motor hızına bağlıdır. Düşük hızlarda, egzoz gazlarının hacmi fazla değildir, rotor zayıf döner ve kompresör silindirlere neredeyse hiç ek hava üflemez. Bu nedenle, motorun üç bin rpm’den daha düşük bir hızda hiç çalışmaması ve ancak o zaman, dört veya beş binden sonra “ateş etmesi” olur. Bu merhemdeki sinek, turboşarj gecikmesi olarak adlandırılır. Dahası, türbin ne kadar büyükse, o kadar uzun süre hız kazanır. Bu nedenle, çok yüksek güç-ağırlık oranına sahip motorlar ve yüksek basınçlı türbinler, kural olarak, özellikle turboşarj gecikmesinden muzdariptir. Ancak düşük basınç oluşturan türbinlerde neredeyse hiç turbo gecikmesi yoktur, ancak gücü çok fazla artırmazlar.
Sıralı bir turboşarj şeması, turbo gecikmesinden neredeyse kurtulmaya yardımcı olur. Düşük motor hızlarında, küçük, düşük ataletli bir turboşarj çalışır, “diplerde” itmeyi artırır ve daha büyük olan ikinci, egzoz basıncında bir artışla yüksek hızlarda açılır. Geçtiğimiz yüzyılda Porsche 959’da sıralı turboşarj kullanıldı ve bugün örneğin BMW ve Land Rover turbodizelleri bu şemaya göre düzenlenmiştir. Volkswagen benzinli motorlarda küçük bir “güç merkezi” rolünü bir tahrik süperşarjı oynar.
Düz motorlarda, genellikle çift çalışma aparatına sahip tek bir ikiz kaydırmalı turboşarj (bir çift volüt) kullanılır. Volütlerin her biri farklı silindir gruplarından gelen egzoz gazlarıyla doldurulur. Ancak aynı zamanda her ikisi de gazları bir türbine besleyerek onu hem düşük hem de yüksek hızlarda etkili bir şekilde döndürür.
Ancak yine de paralel olarak ayrı silindir gruplarına hizmet eden bir çift özdeş turboşarj bulmak daha yaygındır. Her ünitenin kendi süperşarjına sahip olduğu V şeklindeki turbo motorlar için tipik bir şema. BMW X5 M ve X6 M’de ilk kez piyasaya sürülen M GmbH’nin V8 motoru, ikiz kaydırmalı kompresörün zıt fazda çalışan farklı blokların silindirlerinden egzoz gazlarını almasını sağlayan çapraz banka egzoz manifoldu ile donatılmış olsa da.
Ayrıca, çalışan parçanın geometrisini değiştirerek turboşarjın tüm hız aralığında daha verimli çalışmasını sağlamak da mümkündür. Volütün içindeki rpm’ye bağlı olarak özel kanatlar döner ve nozulun şekli değişir. Sonuç, tüm hız aralığında iyi çalışan bir “süper türbin”dir. Bu fikirler onlarca yıldır havadaydı, ancak nispeten yakın zamanda uygulandılar. Dahası, ilk önce değişken geometrili türbinler dizel motorlarda ortaya çıktı, neyse ki, oradaki gazların sıcaklığı çok daha düşüktür. Ve Porsche 911 Turbo, böyle bir türbini deneyen ilk benzinli otomobildi.
Turbo motorların tasarımı uzun zaman önce şekillendi ve son zamanlarda popülerlikleri önemli ölçüde arttı. Dahası, turboşarjlar sadece motor zorlaması açısından değil, aynı zamanda egzozun verimliliğini ve saflığını artırma açısından da umut verici çıktı. Bu özellikle dizel motorlar için geçerlidir. Günümüzde hemen hemen her dizelin turbo ön eki vardır. Aynı zamanda, benzinli motorlara bir türbin takılması, sıradan görünümlü bir arabayı gerçek bir “çakmağa” dönüştürmenizi sağlar. Küçük, zar zor fark edilen bir “turbo” plakasına sahip olan.
Bu bir çeviridir. Orijinalini buradan okuyabilirsiniz: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3303.html
Yayımlandı January 27, 2022 • 8m to read
