DİĞER SİTELERİMİZ
Menu
ANA SAYFA
MEVZUAT
KALFALIK-USTALIK DERS NOTLARI
MEGEP MODÜL DÖKÜMANLARI
MEGEP MODÜLLERİNİ İNDİR
MOTOR BÖLÜMÜ TANITIM MODÜLÜ
MOTOR BÖLÜMÜ TANITIM FİLMİ
MOTOR BLM. ÇRÇV. ÖĞT. PRG. 2011
ALANLARA AİT HAFTALIK DERS ÇİZELG.
MOTR. ARAÇLR.(OBİTET NOTLARI)
YILLIK PLAN VE DERS NOTU İNDİR
MOTOR BÖLÜMÜ MODÜLLER
GEÇMİŞ YILR. AİT PLN VE ZÜMRE
DERS NOTLARI
GEÇMİŞ SINAV SORULARI
BİLGİLENDİRME İŞARETLERİ
TEHLİKE UYARI İŞARETLERİ
TRAFİK İŞARETLERİ
OTOMOBİL AMBLEMLERİNİN ANLAMLR.
GÖRSEL
DERS ANİMASYONLARI
DERS ANİMASYONLARI 2
DERS ANİMASYONLARI 3
DERS ANİMASYONLARI 4
DERS ANİMASYONLARI 5
ELEKTRİK ANİMASYONLARI
ARAÇ KESİT RESİMLERİ
OTO EĞİTİM VİDEOLARI
VİDEO
ARAÇ TEKNOLOJİ RESİMLERİ
MODİFİYE ARAÇLAR
MOTOR YAĞLARI VE YAĞ DEĞİŞİMİ
OTOMATİK VİTESMİ DÜZ VİTESMİ
LPG HAKKINDA BİLGİ
UZUN YOLA ÇIKMADAN ÖNCE
ARACINIZLA YOLDA KALMAYIN
SIK KARŞILAŞILAN MOTOR PROBL.
ARACINIZI YAZA HAZIRLAYIN
FAR AMPULÜ VE STOP LAM. DEĞİŞTİR.
MOTOR BİLGİSİ EĞT. VİDEO
ATEŞLEME SİSTEMİ EĞT. VİDEO
YAKIT SİSTEMİ EĞT. VİDEO
SOĞUTMA SİSTEMİ EĞT. VİDEO
ŞARJ SİSTEMİ EĞT. VİDEO
FREN SİSTEMİ EĞT. VİDEO
UYGULAMALI MOTOR EĞT. VİDEO
TRAFİK VE ÇEVRE BİLGİSİ VİDEO
TRAFİK İŞARET LEVHALARI VİDEO
YOL ÇİZGİLERİ VİDEO
KAVŞAKLARDA İLK GEÇİŞ VİDEO
GEÇİŞ ÜSTÜNLÜĞÜ VİDEO
ARAÇ. BOYUT AĞIRLIK VE YÜKLEME
İLK YARDIM VİDEO
GEÇİCİ KANAMA DURDURMA YOLLARI
YARALANMALARDA İLKYARDIM
ÇEŞİTLİ MOTOR EĞİTİM VİDEOLARI
EN GÜZEL ARABALAR BURADA
TEMEL İMALAT FACEBOOK SAYFASI
OTO ELEKTRİK ELEKTRONİK
GÜÇ AKTARMA ORGANLARI
ATEŞLEME SİSTEMİ
YAĞLAMA SİSTEMİ
YAKIT SİSTEMİ
ARAÇ TEKNOLOJİSİ DERSİ
ÖN DÜZEN SİSTEMLERİ VE AYARLARI
TEKNİK VE MESLEK RESİM DERSİ
ARAÇLARDAKİ YENİ TEKNOLOJİLER
DİZEL MOTOR DÖKÜMANLARI
SOĞUTMA SİSTEMİ
SÜSPANSİYON SİSTEMİ
ARAÇ ARIZA BKM ONRM VE ÖNERİLER
MOTOR PARÇALRI GÖREVİ ÇALIŞMASI
TRAFİK VE İLKYARDIM DÖKÜMANLARI
ARAÇ TEKNOLOJİSİ RESİMLERİ
OTO SÖZLÜK OTO. KISALTMA.

BELGESEL İZLE

SİNEMA FİLMİ İZLE

FORUM SAYFASI ÜYE GİRİŞİ

MOTORLU ARAÇLAR TEKNOLOJİSİ ALANI

DIZEL ASIRI DOLDURMA

 

DİZEL MOTORLARINDA AŞIRI DOLDURMA



.. II

İÇİNDEKİLER DİZİNİ III

ŞEKİLLER DİZİNİ VI

SEMBOLLER LİSTESİ VIII

ALT İNDİSLER.. IX

1.GİRİŞ.. 1

2. DİZEL MOTORLARINDA AŞIRI DOLDURMA.. 3

2.1. Aşırı Doldurmanın Tarihçesi 3

2.2. Aşırı Doldurmalı Bir Motorun Tasarımında Önemli Parametreler 4

2.3. Aşırı Doldurma Sistemleri 6

2.4. Aşırı Doldurma Esasları Ve Çeşitleri 7

2.5. Aşırı Doldurmada Kullanılan Kompresörler 10

2.5.1. Pistonlu Tip Kompresörler 10

2.5.2. Döner Kanatlı (Paletli) Kompresörler 11

2.5.3. Roots Tipi Kompresörler 11

2.5.4. Vida Tip Kompresörler 12

2.5.5. Santrifüj Kompresörler 13

2.6. Kompresörün Döndürülmesine Göre Aşırı Doldurma Yöntemleri 13

2.6.1. Enerjisi Dış Kaynaktan Sağlanan Aşırı Doldurma  13

2.6.2. Kompresörsüz, Basınç Dalga Makinesi (Comprex) Aşırı Doldurma  14

2.6.3. Mekanik Aşırı Doldurma  16

2.6.4. Turboşarj 18

3. TURBO KOMPRESÖRLER.. 19

3.1. Turbo Kompresör Sisteminin Amacı 19

3.2. Turbo Kompresörün Çalışma Prensibi 20

3.3. Turbo Kopresörün Yapısı 21

3.3.1. Türbin  22

3.3.2. Kompresör 23

3.4. Turboşarjda Yardımcı Sistemler 24

3.4.1.Yağlama Sistemi 24

3.4.2. Tahliye Valfi (Wastegate Valve) 26

3.4.2.1. Tahliye valfinin çalışması 27

3.5. Turboşarjda Kullanılan Doldurma Yöntemi 28

3.5.1. Sabit Basınç Sistemi 28

3.5.2. Darbeli Sistem   28

3.6. Sabit Basınç ve Darbeli Doldurma Sistemlerinin Mukayesesi 31

4. AŞIRI DOLDURMALI DİZEL MOTORLARININ TERMODİNAMİĞİ 35

4.1. Aşırı Doldurma Uygulanan Motorda Isı Transferi 40

4.2. Aşırı Doldurmada Ortalama Efektif Basınç. 41

4.3. Tabii Emişli ve Turbo Kompresörlü Motorların Karşılaştırılması 43

5. AŞIRI DOLDURMALI MOTORLARDA ARA SOĞUTMA.. 46

5.1. Ara Soğutucunun Yapısı 46

5.2. Ara Soğutucu Çeşitleri 49

5.2.1. Hava Soğutmalı Ara Soğutucu  49

5.2.2. Su Soğutmalı Ara Soğutucu  50

6. AŞIRI DOLDURMA SİSTEMLERİNDEKİ SON GELİŞMELER.. 53

6.1. Değişken Türbinli Turbo: (VNT) 53

6.2. Sıralı Olarak Devreye Giren Turbo Sistemi(Sequential Turbo System) 54

6.3. Seramik Türbinli Turbo Doldurma. 55

6.4. Rulman Yataklı Turbo Doldurucular 56

7. SONUÇ VE TARTIŞMA.. 58

KAYNAKLAR.. 60
.. 62

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil                                                                   Sayfa

Sayfa. V

Şekil 2.1 Turbo doldurmalı ve ara soğutuculu bir dizel motorunun çalışma şeması 8

Şekil 2.2. Aşırı doldurma uygulamaları [4]. 9

Şekil 2.3. Pistonlu tip kompresör [4] 10

Şekil 2.4. Döner kanatlı (paletli) kompresör [3]. 11

Şekil 2.5. Roots tipi kompresör [2]. 12

Şekil 2.6. Vida tip kompresör [7]. 12

Şekil 2.7. Santrifüj kompresör [4]. 13

Şekil 2.8. Comprex doldurucu (kompresör) [8]. 14

Şekil 2.9. Şematik olarak comprex doldurucunun çalışması [8]. 15

Şekil 2.10. Mekanik aşırı doldurma [4]. 16

Şekil 2.11. Pozitif yer değiştirmeli bir kompresör ile mekanik aşırı doldurma uygulanan dört zamanlı bir motorun akış haritası. 17

Şekil 2.12. Krank mili tarafından döndürülen radyal tip bir kompresör ile mekanik aşırı doldurma yapılan bir motorun akış haritası [3] 18

Şekil 3.1. Turbo kompresörün kesit görünüşü [11]. 19

Şekil 3.2. Turboşarj da havanın akış şeması [9]. 21

Şekil 3.3. Turboşarjın kısımları [9]. 22

Şekil 3.4. Türbin ünitesi [9]. 23

Şekil 3.5. Kompresör ünitesi[9] 24

Şekil 3.6. Yağlama Donanımı [9]. 25

Şekil 3.7 Tahliye Valfinin Şematik Resmi [10]. 26

Şekil 3.8. Tahliye Valfinin Çalışması [10]. 27

Şekil 3.9. Ateşleme sırası 1-3-4-2 dört zamanlı ve dört zamanlı bir motora ait bindirme diyagramı[3]. 29

Şekil 3.10. Dört zamanlı, üç silindirli bir motora ait zaman bindirme diyagramları [3]. 29

Şekil 3.11 de, dört zamanlı, altı silindirli, darbeli turbo doldurma sistemine [3]. 30

Şekil 3.12. Sabit basınç ve Darbeli Turbo Doldurma Sistemlerinin Mukayesi [3]. 33

Şekil 4.1. Turbo kompresörlü motorun teorik P-V diyagramı 35

Şekil 4.2. Aynı sıkıştırma oranlı bir çevrimde tabii emişli ve aşırı doldurmalı motor çevrimleri 44

Şekil 5.1. Bir ara soğutucunun komple görünüşü. 47

Şekil 5.2 Ara soğutucunun motora monte edilmiş hali 48

Şekil 5.3. Hava soğutmalı ara soğutucu devresi[11]. 50

Şekil 5.4. Su soğutmalı ara soğutucu devresi [11]. 51

Şekil 5.5. Tam yükte ara soğutmanın özgül yakıt sarfiyatına etkisi[15]. 52

Şekil 5.6. Tam yükte ara soğutmanın indike güce etkisi [15]. 52

Şekil 6.1. Değişken Türbinli Turbo Kanatçıkları [16.] 53

Şekil 6.2. İvmelenme Test Sonuçları [5]. 55

Şekil 6.3. Türbin Yutma Kapasitesi ve Etkisi [5]. 56

Şekil 6.4. Rulman yataklarla beraber kullanılan seramik türbinin kesit görünüşü [5]. 57

 

ALT İNDİSLER

ALT İNDİS                 TANIM

0                                 Durma şartları

AS                              Arasoğutucu

ASV                           Arasoğutucu var

ASY                            Arasoğutucu yok

ç                                 Çıkan

d                                 Dolgu

e                                 Emme, Efektif

g                                 Giren

h                                 Hava

K                                 Kompresör

Std                             Standart atmosferik şartlar

T                                 Türbin

ü                                 Ürün

y                                  Yakıt

 

 

 

 

 

 

 Yukarı Çık

SEMBOLLER LİSTESİ

SEMBOL                   TANIM                                                           BİRİM

Ak                               Kompresör basınç oranı

be                               Özgül yakıt tüketimi                                      [kg/kWh]

Cp                               Sabit basınçta özgül ısı                               [kJ/kmolK]

Cv                               Sabit hacimde özgül ısı                               [kJ/kmolK]

E                                 Enerji                                                             [N/m]

F                                 Yüzey                                                             [m2]

Hu                               Yakıtın alt ısıl değeri                                     [kJ/kg]

K                                 Toplam ısı geçiş katsayısı                           [kcal/m2hC]

m                                Kütle                                                              [kg]

Md                              Döndürme momenti                                    [N.m]

n                                 Devir sayısı                                                   [d/d]

p                                 Basınç                                                                       [kpa]

Pe                               Efektif güç                                                    [kW]

Pme                             Ortalama efektif basınç                               [kpa]

Qd                                         Transfer edilen ısı miktarı                            [kW]

R                                 Gaz sabiti                                                     [kJ/kmolK]

T                                 Sıcaklık                                                         [K]

t                                  Zaman                                                                      [s]

V                                 Hacim                                                           [m3]

W                                Transfer edilen iş                                         [kW]

r                                 Yoğunluk                                                       [kg/m3]

ε                                  Yayma katsayısı, Sıkıştırma oranı

h                                 Verim

hso                              Süpürme verimi

hd                                                                                                                                         Doldurma verimi

hdt                               Dolgu tutma verimi

 

 

 

 

 Yukarı Çık

1.GİRİŞ

Teknoloji geliştikçe insanoğlu daha refah içinde yaşayacağını hayal etmektedir. Ne var ki insanoğlu kendine teknolojik bir gelecek hazırlarken doğanın içinden çıkamayacağı, kolayca altından kalkamayacağı problemler oluşturduğu bilincine varamamaktadır. Yüz yılı aşkın bir süredir içten yanmalı motor teknolojisi hızla yenilenmiş, en verimli hale gelmesine çalışılmış; fakat dünya atmosferindeki değişimler dikkate bile alınmamıştır. Tek oksijen kaynağımız dünya bitki örtüsü hızla yok edilmekte; dünya, buna karşı çaresiz kalmaktadır.

Otomobillerin, insanlara sağladığı ulaşım rahatlığı, hareket özgürlüğü büyüktür. Ancak egzozundan çıkan gazlarla şehir havasını, dolayısı ile tüm atmosferi kirleterek sera etkisi dediğimiz ve gittikçe artan bir tehlikeyi de beraberinde getirmektedir. Hava kirliliğinin büyük boyutlara ulaştığı günümüzde, motorlu taşıtlardan gelen hava kirliliğinin ihmal edilemez boyutlarda olduğu bilinmektedir. Özellikle büyük şehirlerde taşıtlardan gelen emisyonlar, ısınmadan kaynaklanan kirlilikten çok daha fazladır.

Motorlu taşıtların havayı kirletmelerinin temel sebebi, içten yanmalı motorların yeterince verimli çalışamamalarıdır. Bu durum, yarı yanmış yada hiç yanmamış yakıtın karbonmonoksit, hidrokarbon yada isli olarak motordan atılmasına yol açmaktadır. Yakıtın tam yandığında çıkması gereken, karbondioksit gazı ve sudur. Ayrıca, havadaki azot, yüksek basınç ve ısı altında azotoksit oluşturmaktadır. Öte yandan, yakıt içerisindeki kükürt ve kurşun bileşikleri de tam bir yanmayı engellemekte ve egzoz gazlarının tehlikesini arttırmaktadır. Taşıtların egzozlarından, bilhassa benzinli motora sahip taşıtlarınkinden çıkan karbonmonoksit, hidrokarbon ve azot bileşikleri ve parçacıkların meydana getirdiği çevre sorunları, bir çok şehirde ciddi boyutlara ulaşmıştır.

Milyonlarca taşıttan, kükürtdioksit, kurşun gibi tehlikeli maddelerin atmosfere yayıldığını düşünürsek çevreye verilen zararın boyutunu da kolaylıkla anlayabiliriz. Bu nedenle motorlu taşıtların egzoz gazlarından kaynaklanan hava kirliliği, kalıcı önlemleri gerektiren acil çevre sorunu haline gelmiştir [1].

Dünya nüfusunun artması, enerji kaynaklarının azalmasını hızlandırmıştır. Dünya bir enerji krizine girmiş, topraklarında petrol bulunan ülkeler saygınlık kazanmıştır. İhracatından elde ettiği dövizin büyük bir kısmını petrole harcayan ülkemiz için her damla yakıtın ve her damladaki enerjinin önemi büyümüştür, içten yanmalı motorlarda kullanılan yakıt enerjisinin yaklaşık %30 kadarı egzoz gazı ile dışarı atılmaktadır.

Aşırı doldurma uygulaması ile silindir içerisine daha fazla hava alınarak, daha fazla yakıtın yanması sağlanmakta ve motor gücünde önemli bir artış elde edilmektedir. Aşırı doldurma uygulaması ile, aynı çıkış gücü için bir motorun hacmi küçültülebilmekte veya aynı motordan daha fazla güç elde edilebilmektedir. Aynı zamanda kontrollü bir yanma sağlandığı için, daha temiz egzoz emisyonu değerleri de elde edilir.

80’li yılların başına kadar, daha çok dizel motorlu ticari araçlarda, iş makinelerinde ve yüksek performanslı otomobillerde kullanılan aşırı doldurma sistemleri, günümüzde hemen hemen her büyük üreticinin dizel veya benzinli motorlarında bulunabilmektedir. Ancak benzinli motorlarda vuruntu temayülünden dolayı, motor verim ve gücünün en önemli faktörlerinden biri olan sıkıştırma oranını düşürmek gerekir. Bu da benzinli motorlarda aşırı doldurma uygulamasının cazibesini gölgeler. Bu yüzden benzinli motorlarda aşırı doldurma uygulamasına pek sık rastlanmaz [2].

Aşırı doldurmada sıkıştırma işlemi, basınçla beraber ısıyı da arttırmaktadır. Amaç, havanın yoğunluğunu arttırmak olduğundan, kompresör çıkışı ile silindir girişi arasında bu havanın soğutulması için bir ara soğutucu kullanılır. Böylece basınç artışı, yoğunluktaki artışla birlikte sağlanır. Ağır yük ve yolcu taşıtlarında kullanılan ara soğutucuda ısı transferi, havadan havaya veya havadan sıvıya olmak üzere iki şekilde sağlanır. Ancak bu iki sistemin birlikte uygulandığı durumlar da mevcuttur.

Aşırı doldurma uygulanan benzinli ve dizel motorlar, tabii emişli motorlara nazaran daha sert bir çalışma ortamına sahiptir. Bu yüzden, tabii emişli motorlara nazaran daha kaliteli ve dayanıklı malzemelerden imal edilmek zorundadır. Bu durum ise ilk üretim maliyetini arttırmakta ve günümüz için motorlu taşıtlarda pahalı bir opsiyon olarak kullanılmaktadır.

Bu çalışma ile Aşırı Doldurmalı Motorların teorik olarak incelenmesi; normal emişli motorlar ile karşılaştırılması ve bu konuda yapılan son çalışmaların ve getirdiklerinin araştırılması amaçlanmıştır.

 Yukarı Çık

2. DİZEL MOTORLARINDA AŞIRI DOLDURMA

İçten yanmalı motorlarda motor gücü, yaklaşık olarak silindirlerinde yakılan yakıt ve bu yakıtın yanmasını sağlayacak hava miktarı ile orantılıdır. Aynı hacimdeki bir motordan daha fazla güç elde etmek için, silindir içerisine daha fazla hava almak gerekir. Bu da harici bir kompresör kullanılarak gerçekleştirilir. Tabii emişli bir motora nazaran, harici bir kompresörle silindirine bir çevrimde alınan hava miktarı arttırılan motora “aşırı doldurmalı motor”, yapılan bu işleme de “aşırı doldurma” denir [3].

Normal emişli dizel motorlarında deniz seviyesinden yükseklere çıkıldıkça atmosfer basıncı düştüğünden motor gücü de düşer. Deniz seviyesinden her 1000 m yükseğe çıktıkça, çekiş gücünün %10'u kaybolur. Turbo motorlarda güç düşmesi söz konusu değildir. Çünkü motora alınan hava türbin tarafından devamlı basınçlı olarak temin edilmektedir. Aşırı doldurmalı motorların özgül yakıt tüketimleri normal emişli motorlara nazaran daha düşüktür.

Aşırı doldurmanın amacı, silindir içine giren havanın basıncını ve yoğunluğunu arttırmak sureti ile volümetrik verimi arttırmaktır. Aşırı doldurma ile bir motorun hızı arttırılmadan, gücü arttırılabilir veya belirli bir çıkış gücü için motorun ağırlık ve hacmi düşürülebilir. Aynı zamanda yakıtın tam yanması sağlanarak egzoz emisyonlarında bir düzelme görülür [4].

Aşırı doldurma benzin ve dizel motorlarının her ikisine de uygulanabilir. Ancak aşırı doldurma uygulanan bir benzin motorunda, vuruntu temayülünden dolayı sıkıştırma oranını düşürmek gerekir. Bu da aşırı doldurma uygulamasının cazibesini gölgeler. Bu yüzden benzin motorlarında aşırı doldurma uygulamasının pek rağbet görmemesine karşın, dizel motorlarında yüksek performans ve yumuşak çalışma gibi özelliklerinden dolayı yaygın halde kullanılmaktadır [5].

 Yukarı Çık

2.1. Aşırı Doldurmanın Tarihçesi

Aşırı doldurma 1906 yılında İsviçre'li mühendis BUCHI tarafından bulunmuştur. Aşırı doldurma ilk önce deniz araçlarında kullanılmıştır [6].

1950’li yıllarda "Eberspacher of Germany" nin kamyonlarda kullanılan yüksek devirli dizeller için egzozdan güç alan kompresör üstünde çalışıyordu. 1951 yılında Volvo firmasında bir test ünitesi oluşturuldu ve araştırılmalara başlandı. Firma araştırmalarına 9-6 litrelik, sıra tipi, 6 silindirli direkt püskürtmeli O96AS motoru üzerinde yaptı. 150 HP (11O kW) a ulaşıldı. Hedeflenen güç 185 HP (136kW) idi. Bugünkü turbo teknikleri ile karşılaştırıldığında değerler küçük gözükebilir. Ancak o zaman için büyük sorunlar doğurmakta idi. Özellikle püskürtme parçaları ve silindir conta başlıklarında değişik çalışma gerektiriyordu. Temel alınan motor çok sağlam krank mili ve geniş krank mili yatağı ile aşırı doldurmanın aşırı gerilimine dayanabilmekteydi. Volvo firması, 1954 yılında kamyonlar için turbo aşırı doldurmalı dizel üretimine başlayan ilk kamyon üreticisi oldu. Firma 50000 km den sonra turbo ünitesinin değiştirilmesini öneriyordu [6].

Güç 150 HP den 185 HP ye çıkması oldukça zordu. Ancak 1958 yılında TD96 motorunun gücü l95 HP(144 kW) yi aştı. 1963 yılında ise gücü 240 HP (144 kW) a ulaştı. 1965 yılında TD96 motorunun yerine TD 100 motoru konuldu. Bu motorun gücü 260 HP (190 kW) idi. Aynı motorda daha sonra 310 HP (228 kW) güç elde edildi.

Turbo gelişmesinde, turbo ünitesinin küçüldükçe hızın artması eğilimi hakimdir. Yaklaşık 1700 dev/sn motor hızında (100.000 d/d) turbo aşırı doldurma hızına ulaşmak mümkündür. [6]

Yukarı Çık

2.2. Aşırı Doldurmalı Bir Motorun Tasarımında Önemli Parametreler

Dizel motorlarının tasarımı yapılırken, emniyetli sınırlar içinde parçaların dayanımı esas olarak alınır. Çünkü, dizel motorlarında, yanma sonunda elde edilen basınç arzu edilen düzeyde yükseltilebilir. Ancak, silindir kapak cıvatalarının piston üst yüzeyinin et kalınlığının dayanımı, yanma odasındaki maksimum basıncı sınırlar. Öte yandan, süperşarj neticesinde içeriye sürülecek enerji miktarı artacağından, egzoz gazı sıcaklığında da önemli bir artış olur [4]

Egzoz supap tasarımında da supap et kalınlıklarının gerek sıcaklığa gerekse basınç karşı dayanıklı olması için daha kalın yapılması gerekir. Daha yüksek yanma basınçları, daha kalın ve iri hareketli parçaları gerektirir. Diğer yandan da bu iri hareketli parçaların kalınlığı ve iriliği arttıkça, motorun daha düşük devirli olmasını gerektirir. Çünkü bu iri parçaların kütleleri ile birlikte artan devir ile orantılı olarak kinetik enerjileri de artacak ve daha kalın cıvataların kullanılmasına neden olacaktır. Bu ise hareketli parçaların kütlesini daha da arttıracaktır. Bu duruma göre optimum bir yanma basıncı ve bu yanma basıncına dayanabilecek optimum parça kalınlıklarını seçmek gerekir. Öte yandan, süperşarjlı motorlarda yanma esnasında silindire alınan fazla oksijenden dolayı çevrim başına daha fazla yakıt yakılır ve bunun neticesi olarak içeriye daha fazla enerji sürülür, içeriye sürülen fazla enerjiden dolayı motorun çıkış gücü arttırıldığı gibi gerek egzoz gazından gerekse silindirlerden (soğutma suyu ve yağlama yağı ile) dışarıya atılan ısı miktarı da artar. Bu sebeple süperşarjlı bir motorda, soğutma suyu ve yağlama yağı devir daimleri, normal emişli bir motora nazaran daha hızlı olmalı, gerekirse yağlama yağı için özel soğutma kuleleri de dizayn edilmelidir.

Özet olarak, dizel motorlarında yanma basıncını sınırlayan, parçaların mekanik ve ısısal dirençleri parçaların kalınlaşmasına öte yandan mekanik direnci, arttırılan parçanın kütlesinin doğuracağı kuvvetler ise motor maksimum devrinin düşmesine neden olacaktır. Ancak hareketli parçaların malzeme kalitesinin arttırılması ile parçalar daha hafif ve ince yapılabilirse yüksek güçlü küçük motorlar yapılıp hantal motorlardan kurtulunabilir.

Dizel motorlarda, aşırı doldurmayı cazip yapan diğer önemli bir neden de normal emişi bir motora nazaran daha temiz bir egzoz gazına sahip olmasıdır. Aşırı doldurmalı bir dizel motorunda, daha fazla bir güç için yakıt miktarı arttırılırken, yine aynı motorda hava artış oranı yakıt artış oranının çok çok üstündedir. Bir dizel motorunda tasarı sırasında güç artışı en emin ve en güvenilir yol olan aşırı doldurma ile elde edilmesi planıdır. Aşırı doldurma ile motorda büyük hava kütlesinin geçmesi düşünülürken (normal emişli bir motora nazaran) yakıt miktarı da hava artış oranına kıyasla düşük bir oranda arttırılır. Bu artış örneğin hava artışı normal emişli bir motora nazaran 1.5/1 veya 1.75/1 oranında planlanırken yakıt artışı 1.2/1 veya 1.3/1 oranında düşünülür. Sonuçta da yakıt-hava oranı normal emişli bir motora nazaran oldukça düşerek daha yumuşak bir yanma ve genişleme daha temiz bir egzoz gazı (dumansız egzoz ve silindir içinde daha az karbon birikintisi) meydana gelecektir. [4]

Aşırı doldurmalı motorlarda emme supablarının Ü.Ö.N dan önce açılma ve sonra kapanma; egzoz supabının A.Ö.N dan sonra kapanma açıları normal emişli motorlara nazaran daha fazladır. Havanın basınçlı olması nedeni ile emme supabının açılmasını erkene almanın gereğinin olmadığı düşünülebilir. Ancak bu durum özellikle yüksek devirlerde içeriye alınan çalışma maddesi artması tam yeterli olmasını sağlayamaz. Tam yeterlilik normal emişli motorlara göre emme supabının Ü.Ö.N dan daha erken açılmasıyla sağlanır. Egzoz supabının A.Ö.N dan daha erken açılmasının sebebi ise çalışma maddesi miktarının artması nedeniyle yanma ürünleri miktarının da artmasıdır. Egzoz supabını erken açarak ve subap bindirme açısını arttırarak gazların hem kendi, basınçlarıyla hem de emme zamanında içeriye alınan fazla miktardaki basınçlı emme havası yardımı ile daha kolay bir şekilde dışarı atılmasını sağlamaktadır.Emme supabının A.Ö.N dan sonra kapanması normal emişli motora göre daha az açıda gerçekleşir. Bunun nedeni emme havasının daha basınçlı olmasıdır.

Gerçekte emme sıcaklığı, emme basıncına bağlı olarak artar bu da düşük sıkıştırma oranını gerektirir. Bu da göstermektedir ki buji ile ateşlemeli motorların aşırı doldurulmasında çıkış gücü ile verim arasında bir tercih yapılması gerekmektedir.

 Yukarı Çık

2.3. Aşırı Doldurma Sistemleri

Aşırı doldurmada, hava veya hava-yakıt karışımı kompresörde sıkıştırılarak silindire sevk edilir. Aşırı doldurma sistemleri;

1. Kompresörün hareket alma şekline,

2. Kompresörün tasarımına,

3. Aşırı doldurma sisteminin motora bağlanma şekline veya güç transfer metoduna,

4. Motor tipine, göre sınıflandırılabilir [Şekil 2.2].

 

1. Kompresörün döndürülmesine göre sınıflandırmada;

a. Harici aşırı doldurma: Harici bir güç kaynağı ile (yardımcı motor, elektrik motoru).

b. Mekanik aşırı doldurma: Motor krank milinden tedarik edilen güçle.

c. Egzoz türbininin gücü ile: Egzoz turbo doldurma.

d. Kompresörsüz, basınç dalga makinesi (Comprex) ile: Sıkıştırma dalgalı aşırı doldurma, sistemleri sayılabilir.

2. Kompresör tasarımına göre sınıflandırmada ise;

a. Pozitif yer değiştirmeli tip: Düz veya döner pistonlu (roots tipi üfleyiciler veya vida tipi) kompresörler,

b. Akış tipine göre: Radyal, aksiyal veya karışık akış tasarımlı aerodinamik kompresörler, olmak üzere iki ana grupta toplanabilir.

3. Bağlanma şekli ve güç transfer metoduna göre sınıflandırmada;

a. Mekanik aşırı doldurma: Kompresör motor krank miline bağlanmış ve güç, motor krank milinden temin edilmekte olup, sistemde türbin bulunmamaktadır.

b. Turbo doldurma: Kompresör türbine bağlanmış, sistemde motor krank milinden bağımsız ve serbest dönen bir turbo kompresör mevcut olup, güç motor krank milinden alınmaktadır.

c. Diferansiyel birleşik motor: Kompresör, türbin ve motor krank milleri, bir planet dişli sistemi aracılığıyla mekanik olarak birbiriyle irtibatlandırılmış durumdadır.

d. Gaz jeneratörlü türbin motoru: Kompresör ve motor krank milleri mekanik olarak birleştirilmiş durumda olup, güç türbin çıkış milinden alınmaktadır.

 

4. Motor tipine göre de;

a. Benzin veya dizel motoru,

b. İki veya dört zamanlı motorlar olarak sınıflandırılabilir [4].

 

Yukarı Çık

2.4. Aşırı Doldurma Esasları ve Çeşitleri

Aşırı doldurmada havanın basıncını ve yoğunluğunu arttırmak için bir kompresör kullanılır. Kompresör, iki şekilde tahrik edilir:

1. Motorun krank milinden hareket alınarak kompresör tahrik ediliyorsa, bu tip aşırı doldurmaya mekanik aşırı doldurma denir.

2. Eğer kompresörü döndürmek için egzoz gazlarının enerjisinden yararlanılıyorsa bu tip aşırı doldurmaya da turbo aşırı doldurma adı verilir. Turbo aşırı doldurmalı motorlarda, kompresör ve türbin kompakt halde bulunur ve turbo kompresör olarak isimlendirilir. Turbo aşırı doldurma sisteminin ana elemanları şunlardır: Türbin, kompresör, mil, yataklar ve yerleşim elemanları [5, 6].

Turbo doldurmanın, mekanik aşırı doldurmaya göre avantajı, kompresörün ihtiyacı olan enerji, krank mili yerine egzoz gazından sağlanır. Fakat türbin, egzoz sistemine bir akış sınırlaması getirir. Böylece egzoz manifold basıncı atmosfer basıncından yüksek olacaktır.

Ancak bu basınç, emme manifoldu içindeki basınçtan hiçbir zaman için yüksek olmamalıdır. Şayet egzoz gazından yeterli enerji elde edilir ve bu enerji kompresör hareketine çevrilirse, kompresör basıncı, türbin giriş basıncından fazla olur ve verimli bir çalışma sağlanır [5].

Aşırı doldurma sonucu basınç, sıcaklık ve yoğunluk artar. Ancak dolgu havası silindire girmeden önce soğutulursa yoğunluğu daha da arttırılabilir. Bu da “intercooler” olarak isimlendirilen bir ara soğutucu ile gerçekleştirilir. Böylece aynı doldurma basıncı için daha fazla havanın silindir içine alınması sağlanmış olur. Şekil 2.1’de turbo doldurmalı ve ara soğutuculu bir dizel motorunun çalışma şeması ve Şekil 2.2’de ise aşırı doldurma uygulamaları görülmektedir .

Yukarı Çık

Şekil 2.1 Turbo doldurmalı ve ara soğutuculu bir dizel motorunun çalışma şeması

Yukarı Çık

Şekil 2.2. Aşırı doldurma uygulamaları [4].

 

(a) Mekanik aşırı doldurma, (b) Turbo doldurma, (c) Motordan hareketli kompresör ve turbo kompresör, (d) İki kademeli turbo doldurma, (e) Turbo kompresörlü ve ikinci kademe türbin destekli motor, (f) Ara soğutuculu turbo kompresör. K-Kompresör, M-Motor, AS-Ara soğutucu, T-Türbin [4]

 

 

 Yukarı Çık

2.5. Aşırı Doldurmada Kullanılan Kompresörler

Aşırı doldurmada kullanılan kompresörler genel olarak,

a- Pistonlu Kompresörler

b- Döner Kanatlı(Paletli) Kompresörler

c- Roots Tipi Kompresörler

d- Vida Kompresörler

e- Santrifüj Kompresörlerdir.

 Yukarı Çık

2.5.1. Pistonlu Tip Kompresörler

Motor pistonun alt yüzünden yararlanılarak çalışan veya öteleme hareketi yapan pistonlu tip olarak yapılırlar (Şekil 2.3). Pistonlu tip kompresörler dengesiz öteleme atalet kuvvetleri ve çıkış basıncında büyük periyodik dalgalanma oluşması nedeniyle, yüksek hızlı motorlar için uygun değildir. Çift etkili pistonlu kompresörlerde periyodik basınç değişimi farkı daha azdır.

Düşük ve orta hızlı motorlarda yüksek aşırı doldurma basıncı sağlamak ve %70-75 mertebesinde verimle çalışmaları önemli bir avantajıdır. İşgal ettikleri hacmin turboşarj ünitesine göre daha fazla olması ve yaklaşık 2, 2 kat daha ağır olması, taşıt motorlarında uygulanmamasının belli başlı sebepleridir [4]

Şekil 2.3. Pistonlu tip kompresör [4]

 Yukarı Çık

2.5.2. Döner Kanatlı (Paletli) Kompresörler

Döner kanatlı kompresörlerde, havayı sürükleyen ince döner kanatların, serbest bir şekilde radyal olarak hareket edebilmeleri için, rotor üzerinde derin yarıklar açılmıştır. Şekil 2.4 te görüldüğü gibi. Kompresör rotoru, merkezden kaçık (eksantrik) bir şekilde monte edilmiştir. Rotor gövde içinde dönerken, kanatlar, santrifüj kuvvetin etkisiyle dışa doğru açılarak, stator yüzeylerine dayanırlar. Böylece, kompresörün hilal şeklinde görünen kısmında, hacimleri emme tarafında her an büyüyen, tepede maksimum olduktan sonra, basma tarafında da her an küçülen odacıklar oluşur.

Kompresörün emme kısmında, rotor dönerken odacıkların hacmi büyümekte ve oluşturulan vakum ile atmosferik basınçtaki hava odacıklara doldurulmaktadır. Tepede maksimum hacim değerine ulaşan odacıkta, havanın emilme işlemi sona ermekte ve odacığın küçülmeye başlaması ile sıkıştırma işlemi başlamaktadır. Böylece, deşarj kanalına kadar küçülen odacıkta sıkıştırılan hava, belirli bir basınç değerinde dışarı pompalanmaktadır. Döner kanatlı kompresörlerin akış kapasiteleri, kanatların iç yüzeyine temas ettiği stator iç çapının, rotor çapı ve genişliğinin, rotor eksantrikliğinin, kanat sayısı ile kompresörün emme ve basma kanal ölçülerinin belirlediği maksimum odacık hacmine bağlıdır [3, 4]

Şekil 2.4. Döner kanatlı (paletli) kompresör [3].

Yukarı Çık

2.5.3. Roots Tipi Kompresörler

Pozitif yer değiştirmeli bir tip olan roots tipi kompresörler krank milinden bir dişli veya kayış ile hareket alırlar. Bu kompresörün iki rotoru dişliler aracılığı ile birleştirilmiş durumdadır. Şekil 2.5 de görüldüğü gibi. Motordan tahrik edilen tahrik rotoru motorla aynı yönde dönerken ikinci rotorda ters yönde döner. Emme kanalından gelen hava rotor kamları ve gövde arasındaki hacimde sıkıştırılarak basma kanalına sürüklenir. Basma kanalına gelindiğinde daha önce içeri basılan havanın geri kaçacağı bir yer olmadığından dolayı basılan hava basınçlı hava sistemine dahil olur. Bu tür kompresörler, küçük basınç oranlarının talep edildiği yerlerde kullanılır. Bu tür kompresörlerde volümetrik verim; rotor genişliğine, dönme hızına, rotorlar ile gövde arasındaki boşluklara ve basınç oranına bağlıdır [2, 4].

Şekil 2.5. Roots tipi kompresör [2].

Yukarı Çık

2.5.4. Vida Tip Kompresörler

Şekil 2.6 da görüldüğü gibi, vida tip kompresörlerde, tatminkar bir performans için, dönen ve sabit parçaların beraber çalışan yüzeylerinin yüksek toleransta işlenerek, aralarındaki hassas boşluğun titizlikle elde edilmesi gerekir. Bu kompresörlerin çalışma hızları, 3.000-30.000 dev/dk arasında değişmektedir. Yüksek volümetrik ve izentropik verimlere sahip olan bu kompresörün çalışması esnasında, rotorunun dahili olarak soğutulması gerekmektedir [7].

Şekil 2.6. Vida tip kompresör [7].

 

Yukarı Çık

2.5.5. Santrifüj Kompresörler

Şekil 2.7 deki santrifüj kompresörlerin aşırı doldurma uygulamasında yaygın kullanım alanı vardır. 80000 1 / min mertebesine varan yüksek hızlarda çalıştırılırlar. Tek kademede sağlanan ek = 2 / 1 sıkıştırma oranı iki veya üç kademe daha da arttırılabilir. Dişli ile tahrik edilmesi, gürültülü çalışma ve düşük mekanik verim gibi mahsurları de beraberinde getirir. Motor hızının en az 8 –12 katı hızla döndürülürler. % 65-75 mertebesinde adyabatik verim ve % 90–95 mertebesinde mekanik verimle çalışırlar. Yüksek hızla tahrik edilmelerinin esas nedeni, geçici rejimlerde çalışmada fazla atalet göstermelerini önlemek için rotor çapının küçültülmesi gerekir [4].

Şekil 2.7. Santrifüj kompresör [4].

 

 Yukarı Çık

2.6. Kompresörün Döndürülmesine Göre Aşırı Doldurma Yöntemleri

Yukarı Çık

2.6.1. Enerjisi Dış Kaynaktan Sağlanan Aşırı Doldurma

Kompresör enerjisi, motorun dışındaki bir kaynaktan sağlanır. Örneğin, şebekeden enerji alan bir elektrik motorunun tahrik ettiği bir kompresörle, motorun işletme hızı ve yükünden bağımsız olarak aşırı doldurma yapabilir. Küçük bir içten yanmalı motorun gücüyle kompresör tahrik edilebilir. Ancak, yapım maliyetinin fazlalığı nedeniyle bu yöntemin yaygın kullanım alanı yoktur. Turboşarj performansının motor hızı değişiminden aşırı etkilenmesi nedeniyle bazı iki stroklu turboşarj yöntemlerinde bu uygulanmaktadır.

 Yukarı Çık

2.6.2. Kompresörsüz, Basınç Dalga Makinesi (Comprex) Aşırı Doldurma

Comprex doldurucularda da Şekil 2.8 de aynı şekilde aşırı doldurma amacı ile gaz akış huzmelerinin basınç titreşimlerinden yararlanılır [8].

Doldurucu (kompresör) serbest yataklanmış, radyal perdelerle birçok hücreye bölünmüş bir rotor ve her iki tarafında dört penceresi (deliği) bulunan sabit gövdeden oluşmaktadır. Rotor bir V kayısı yardımı ile motor tarafından döndürülür. Döndürme gücü motor gücünün yaklaşık olarak %1'i kadar olup, sadece mekanik sürtünmelerle oluşan kayıplarının yenilmesinde kullanılır.

Doldurucunun çalışma prensibi Şekil 2.9 da göz önünde bulundurularak izah edilecektir [8].

Yukarı Çık

Şekil 2.8. Comprex doldurucu (kompresör) [8].

Egzoz gazı hücreler içine akar, orada bulunan taze dolguyu sıkıştırır ve rotor dönerken hücre, dolgu penceresine erişir erişmez taze dolgu dolum kanalına itilir.

Yukarı Çık

Şekil 2.9. Şematik olarak comprex doldurucunun çalışması [8].

Hücre içine giren egzoz gazı hücrenin diğer ucuna ilerleyen bir basınç dalgası oluşturur. Doldurucunun devir sayısı öyle ayarlanır ki, basınç dalgası hücre sonuna eriştiğinde, hücre de tam o anda dolum penceresi hizasına gelir. Açık hücre ucunda basınç dalgası yansıtılır ve emme dalgası olarak, egzoz yoluna doğru geriye hareket eder. Egzoz gazı hücrenin yaklaşık dörtte üçünü doldurduğu zaman hücre egzoz hattı tarafında kapanır arkasından biraz sonra da doldurma tarafında kapanır. Böylece egzoz gazının dolum hattına akması önlenir. Dönme esnasında hücre egzoz penceresi hizasına gelir gelmez egzoz gazı genleşerek egzoz hattından dışarı atılır. Böylece hücre basıncı düşer ve o arada açılan emme penceresinden taze dolgu hücre içine dolar. Egzoz ve emme taraflarındaki pencerelerin açıklığı o derece büyük yapılmışlardır ki, egzoz gazları, hücre içerisine dolan taze dolgu tarafından süpürülerek yanık gaz kalmayacak şekilde dışarı atılsın. Bu esnada rotor da aynı zamanda soğutulmuş olur.

Giriş ve çıkış pencerelerinin açılış zamanları ve bununla beraber rotor devri, dalga hızı ve gazın akış hızı ile uyumlu tasarlanmışlardır. Bu nedenle rotor devir sayısı esasen sadece dalga hızı yani gazın sıcaklığı ile değişebilir. Ancak bu koşul, basit tahrik sistemi karşısında bir sorun oluşturmaktadır. Açıklıklar arası geçitteki cepler sayesinde, her ne kadar rotor belli bir transmisyon oranı ile döndürülmekte ise motorun bütün çalışma hızlarında başarılı doldurma elde edilebilmektedir.

Rotorun termik yükünü ve yatakların mekanik isteklerini simetrik tutmak için, giriş ve egzoz pencereleri eşlenik olarak gövdeye yerleştirilmişlerdir. Ayrıca her bir rotor hücresi, her dönüşünde iki iş çevrimi oluştuğundan sistemin tasarım boyu kısaltılmıştır.

Doldurma basıncının devir sayısına bağlı değişimi düz bir gidişat gösterdiğinden, motordan uygun bir döndürme momenti karakteri elde edile bilmektedir. İvmelenme durumunda, Comprex doldurucu Egzoz turbo doldurucudan daha hızlı reaksiyon göstermektedir. Comprex dolduruculu motorlarda özgül yakıt tüketimi daha düşüktür. Esasen bu sistem sadece yığmalı doldurma (Stauaufladung) yönteminde kullanılabilir. Doldurma basınç oranı 1.8–3 arasında olduğundan bu tür doldurucularda ana ölçüler pek büyük değildir. Comprex doldurucular bu nedenle küçük basınç oranları için uygun değildirler [8].

 Yukarı Çık

2.6.3. Mekanik Aşırı Doldurma

Yukarı Çık

Şekil 2.10. Mekanik aşırı doldurma [4].

Mekanik aşırı doldurmalı motorlarda genellikle, kompresör motor tarafından döndürülmektedir. Motor krank milinden kompresöre verilen hareket, istisnai durumlarda karşılaşılan sürekli değişken hız oranlı transmisyonlar hariç, sabit hız oranlıdır. Bu durumda motor ve kompresörün birlikte çalışma noktaları, basınç oranı ve akışkan debisi haritası üzerinde, hız ve hız oranlarının kesişme noktaları ile tayin edilir. Genel bir kural olarak önce, motor hızı ile doldurma kompresörünün hız oranı R seçilir. Buradan da, tam yükte talep edilen ortalama efektif basınç için gerekli olan kompresör basınç oranı elde edilir.

Şekil 2.11 ve Şekil 2.12’te görüldüğü gibi değişik hızlar için diğer bütün çalışma noktaları belirlenir. Şekil 2.11'de, pozitif yer dört zamanlı bir motorun akış haritası görülmektedir. Motorun maksimum hız karakteristiği n ve bu noktadaki kompresörün hız karakteristiği Nk=n*R’nin kesilmesi ile belirlenen tam yükteki çalışma noktası, içi boş küçük bir daire ile gösterilmiştir [4]

Yukarı Çık

Şekil 2.11. Pozitif yer değiştirmeli bir kompresör ile mekanik aşırı doldurma uygulanan dört zamanlı bir motorun akış haritası.

Buradaki çalışma hattının eğimi, doğrudan doğruya kompresör haritası ile ilgilidir. Motor hızının azalması ile kompresörün volümetrik verimi artıyorsa kompresör basınç oranının düşmesi de yavaş olur.[4]

Şekil 2.12'de görülmesi gereken diğer bir önemli noktada, motor ile kompresör arasındaki hız oranının artması ve supap bindirmesinin azalması, çalışma hattını daha büyük basınç oranlarına doğru yükseltmektedir.[3]

Yukarı Çık

Şekil 2.12. Krank mili tarafından döndürülen radyal tip bir kompresör ile mekanik aşırı doldurma yapılan bir motorun akış haritası [3]

 

Yukarı Çık

2.6.4. Turboşarj

Egzoz türbinli doldurucu da denilen bu yöntemde, mekanik kompresörün tersine motordan güç almadan doldurma yapılmaktadır. Çalışma prensibi de oldukça basittir. Egzozdan faydasız olarak atılan Egzoz gazı enerjisiyle direkt olarak bir bir türbin çarkı tahrik edilmektedir. Türbin tarafından aynı mile bağlı olarak fakat ayrılmış gövde içerisindeki bir kopresör aynı hızla döndürülmektedir. Bu pompa taze havayı emmekte, sıkıştırmakta ve 1 atm. veya üzerindeki basınçta silindirlere göndermektedir. Böylece optimal karışım gönderilmektedir. Bu konu Bölüm 3’de daha geniş olarak incelenmiştir.

 

Yukarı Çık

3. TURBO KOMPRESÖRLER

3.1. Turbo Kompresör Sisteminin Amacı

Silindirlerden atılan egzoz gazlarının genişleme sonundaki enerjileri bir gaz türbini vasıtasıyla mekanik işe dönüştürülür. Gaz türbininin mekanik enerjisi, miline bağlı bir kompresörü tahrik ederek, aşırı doldurma havasının sıkıştırılması sağlanır. Böylece optimal bir dolgu elde edilir.

Bu şekilde türbin ve kompresör ünitesiyle sağlanan aşırı doldurma’turboşarj’olarak tanımlanır.Türbin ve kompresör ünitesinin toplam kütlesi motor kütlesinin %8'ini geçmez. Turboşarjlı motorlarda birim güç maliyetinin daha az olması ve %50'nin üstünde güç artışı sağlanması nedeniyle, otomotiv dahil geniş uygulama alanı vardır [9].

Yukarı Çık

Şekil 3.1. Turbo kompresörün kesit görünüşü [11].

Aşırı doldurmada yanma daha fazla hava fazlalık katsayısıyla gerçekleştiğinden egzoz gazlarındaki zararlı emisyon yüzdeleri azalır. Turboşarjlı motorlarda hız azalması, çevrim başına silindirden atılan egzoz gazlarının fazla değişmediği göz önüne alındığında, türbine giren egzoz gazlarının sıcaklıklarının düşmesine yol açar.

Bu durum, türbin gücünü düşürür ve daha düşük güçle tahrik edilen kompresörün çıkış basıncı Pk'yı azaltır. Turboşarj yönteminde aşırı doldurma basıncının motor hızına bu şekilde bağımlılığı, rezerv moment sağlanamaması nedeniyle motorun ivmelenmesini kötüleştirir. Aşırı doldurmanın etkinleştirilmesi için, egzoz supabı serbest kesitinin zamana göre değişim değerinin arttırılması için dizaynda özen gösterilmesi gerekir. εk>2 şartlarında turboşarj yöntemiyle aşırı doldurma için, genelde iki egzoz ve iki emme supabı uygulaması yoluna gidilir. Mekanik ve termik zorlanmaların makul sınırlarda tutulabilmesi için 1, 6-1, 8 sınırlarında tutulmalıdır. εk >2-2, 2 şartlarında, kompresör çıkışında hava soğutucu kullanılma yoluna gidilir. Yaklaşık olarak hava sıcaklığının 10°C düşürülmesi yoğunluğu %3, aynı özgül yakıt sarfiyatı için gücü %3 arttırmaktadır.

Türbin çevresel hızı taşıt motoru uygulamasında 250-380 m/s arasındadır. Türbin rotor çapının artması türbin ünitesinin ataletini arttıracağından, bu durum motorun ivmelenmesini olumsuz etkiler. Bu nedenle türbin rotoru dış çapı küçük tutulur. Normal işletme şartlarında, türbin hızlan 55000-80000 1/min arasında değişir.

 

Yukarı Çık

3.2. Turbo Kompresörün Çalışma Prensibi

Turboşarjın çalışması, egzoz manifoldundan çıkan yanmış egzoz gazlarının enerjilerine bağımlı olarak değişir. Silindirden çıkan egzoz gazları, egzoz manifoldunun ağzındaki türbin bölümüne girer. Çevresel ve merkeze doğru daralan bir kanaldan geçen sıcak gazlar bir yandan genişlemek isterken, diğer taraftan daralmakta olan bu kanalda hız kazanırlar. Bu noktadan sonra gaz, türbin çarkının dış ucundan türbin odası merkezine geçerken kanatçıklara çarparak türbini yüksek bir hızla döndürür ve türbin ortasından egzoz borusuna geçerler. Türbin çarkı ve kompresör çarkı aynı mil üzerinde bağlı olduklarından aynı hızla dönerler [9].

Kompresörde hava filtresinden emdiği temiz havayı merkezden alır ve çark kanatlarıyla yüksek hızla çevreye savurur. 100.000 d /d’ya erişebilen bir hızla dönen kompresör çark, havayı santrifüj kuvvetlerle ağırlık kazandırır ve merkezden çevresel kanada doğru fırlatır. Dış basınca göre yaklaşık iki misli basınca buradan da besleme borusu ile emme manifolduna girer. Emme supabının açılmasıyla beraber emme manifolduna yığılı bulunan basınçlı hava silindir içerisine dolar. Şekil 3.2. de hava akış durumu gösterilmiştir.

Santrifüj kompresör çarkının temel tipi eksen yönünde kıvrılmış kanatları bulunan levha biçimli bir mildir. Kanatlar döndükçe merkezden hava toplar, merkezkaç hareketi ile havayı dış kenardaki sarmal kıvrımlardan oluşan bir difüzöre doğru iterler. Bu difüzör havayı yavaşlatarak kinetik enerjiyi basınç enerjisine dönüştürür.

Yukarı Çık

Şekil 3.2. Turboşarj da havanın akış şeması [9].

Motorun hızı arttıkça egzoz gazlarını hacmi ve buna bağlı olarak ta hızları artar, böylece türbin üzerindeki etkisi de artmış olur. Turbo kompresör milinin 20.000 d/d ile 120.000 d/d arasında dönebilmesi mümkündür. Böylece hız arttıkça kompresörün bastığı hava miktarı ve buna bağlı olarak da motorun verimli beygir gücü de artmaktadır. Egzoz devresinde meydana gelebilecek basınç dalgalanmalarına önleyebilecek aynı anda egzoz yapmayan iki veya üçer silindirden oluşan gruplar oluşturulur. Böylece basınç dalgalanması önlenmiş olur.

 Yukarı Çık

3.3. Turbo Kompresörün Yapısı

Doldurucu egzoz gazlarının enerjisiyle çalışan bir türbin tarafından tahrik edilir. Santrifüj doldurucuya benzer olarak türbinde radyal veya eksenel tipte olabilir. Ancak doldurucuların, aksine radyal tipin yanında eksenel tip türbin oldukça sık kullanılmaktadır. Eksenel tipte çap küçüldükçe kanatlarla gövde arasındaki boşluk toplam kanat alanına göre göreceli olarak büyümekte ve kaçaklar arttığı için verim düşmektedir. Bu bakımdan 150 mm’den daha küçük çaplarda eksenel tip kullanılmaz [9].

Büyük çaplarda ise, radyal türbin durumunda imalat ve mukavemet problemleri ile karşılaşılmaktadır. Bu nedenle 300 mm’den daha büyük çaplarda radyal tip kullanılmaktadır. Gerçekten radyal türbinler karışık kanat şekilleri nedeniyle daha çok döküm yoluyla imal edilmektedir. Bu bakımdan çap büyüdükçe iyi bir döküm kalitesi elde etmek ve azalan sayılar için ekonomik bir imalat gerçekleştirmek zorlaşmaktadır. Ayrıca radyal türbinlerin bütün gövdesi ısıya maruz kaldığı için çap büyüdükçe termik gerilmeler büyümektedir. Turboşarjın kısımları Şekil 3.3’te görülmektedir.

Yukarı Çık

Şekil 3.3. Turboşarjın kısımları [9].

1- Türbin 2- Kompresör 3- Türbin mili  4- Yataklar

 

Yukarı Çık

3.3.1. Türbin

Şekil 3.4’te egzoz gazları, çevreden merkeze doğru daralan bir yoldan geçer böylelikle egzoz gazlarının hızları artmış olur. Artan bu hızla türbin kanatçıklarına ve bulunduğu mili döndürmeye başlar. Egzoz gazlarının itme enerjisinden tam faydalanabilmek için türbin gövdesinde bitişik iki A-B giriş kanalı vardır. Egzoz manifoldu da iki çıkışlıdır. 1-4-5 silindirler gazları A girişine 2-3-6 silindirler gazları B girişine gönderilir.

Yukarı Çık

Şekil 3.4. Türbin ünitesi [9].

Böylece, düşük türbin çarklar iki zamanlı motorlarda 400-500 °C, dört zamanlı motorlarda 800-1000 °C de egzoz gazları ile çalıştığından mutlaka özel alaşım çeliğinden yapılmalıdır. Bu malzemeler, çok sert olduğundan işleyerek imalat yerine döküm daha ucuz olmaktadır. Eksenel türbinlerde, yalnızca kanatlar sıcak gazlar ile temasta olduğundan, kanat ve ara disk farklı malzemelerden yapılıp, daha sonra bir araya getirilebilir.

Çevre hızının çok yüksek olması sebebiyle kanatların ana diske bağlanmasında özel kaynak teknikleri ve şekil bağlantıları kullanılmaktadır. Radyal çark veya eksenel kanatçıklar için Nimonic A, in 713 C gibi malzemeler kullanılmaktadır. Eksenel çark kanatçıklarının çevresel titreşimlerini söndürmek için, kanatların dış uçlara yakın yerlerinden birer delik delinmekte ve bir tel, bu delikten çevresel olarak geçirilmelidir. Merkezkaç kuvveti etkisiyle deliğe yapışan tel, burada söndürücü bir sürtünme kuvveti doğurmaktadır.

 Yukarı Çık

3.3.2. Kompresör

Şekil 3.5’te kompresör çevresel akışlı merkezkaç (santrifüj) tip olup, türbin miliyle dönen çarka sahiptir. Kompresör gövdesi genelde dökme demirden yapılır. Fakat alüminyum alaşımlı gövdeye rastlamak ta mümkündür. Kompresör bir çark ve gövdeden ibaret olup, helisel ve çevresel bir kanalı vardır. Kompresöre hava girişi kanatların merkezden havayı kapması ve çevresel aşırı bir hızla çıkış kanalına fırlatılması ile türbin çarkının her devrinde devam eden havanın helis kanalda bir tur yapıp çıkışı sırasında, genleşen ağza gelmesi sonucu hız düşer, buna bağlı olarak basınç yükselir. Bu kanal yapısı bu olayı gerçekleştirmek için şekillendirilmiştir.

Yukarı Çık

Şekil 3.5. Kompresör ünitesi[9]

Hava zerrecikleri A girişinden kompresör kanalıyla çekilip dakikada 100.000 devir yaptığı düşünülür ve B geçidinden fırlatılırsa hava zerreciklerinin bu derece hızlı çıkışı A girişinde basınç düşüklüğü meydana getirir. Böylece kompresöre daha fazla hava çekilmesine sebep olur. Çark malzemesinin sınırı olarak 100 saat içinde, yük altında % 0.2'lik uzamayı sağlayan gerilme kuvveti kullanılmaktadır.

Malzeme olarak alüminyum alaşımları gerek hafiflik gerekse döküm ve işleme kolaylıkları yönünden uygundur. 400 - 500 m/s'lik çevre hızlarına kadar gelişmiş döküm metotları iyi netice vermektedir ve çok ekonomiktir. Daha yüksek hızlar için dövme ve sonra kanat profillerinin işlenmesi gerekmektedir. P2 / P1 = 4 oranlarına kadar (T2 = 150 – 200 °C) alüminyum alaşımları kullanılmaktadır. Bu sıcaklıklar üzerinde alüminyum mukavemetini hızla kaybettiğinden, çelik kullanılmaktadır.

 Yukarı Çık

3.4. Turboşarjda Yardımcı Sistemler

3.4.1.Yağlama Sistemi

Turbo kompresörde kaymalı yataklar genellikle kullanıldığından yağlama önemli bir konum teşkil etmektedir. Önemli olan yağlamanın sürekli olması ve yağ basıncının korunabilmesidir. Turbo kompresörde yağlama basıncı 1, 8 -2, 0 bar arasında değişebilmektedir. Yağlama yağının basıncı düşmesi sonucu yataklardaki aşınmalar artar ve bunun sonucunda radyal boşluklar meydana gelebilir. Hız yükselmelerinde bu boşluklar büyük tahribata sebebiyet verebilirler

Şekil 3.6. Yağlama Donanımı [9].

Yağlama basıncının artması sonucunda yağ kaçaktan artabilmektedir. Türbin ve kompresör içerisine yağlama yağı kaçabilmektedir.

Turbo kompresörlerde yağlamanın yapılabilmesi için ayrı bir sisteme gerek yoktur. Motor yağlama sistemine bağlı olarak yağlanmasını yapabilmektedir. Motor yağ pompası çıkışında Şekil 3.6 da 7 no ile gösterilen ayrılan yağlama yağı bir kanal ve daha sonra bir boru yardımıyla turbo kompresörün alt kısmına getirilir. Yataklar yağlandıktan sonra akan yağlar turbo kompresörün alt kısmında toplanarak dönüş borusunun yardımıyla kartere geri gönderilir. Turbo kompresörün yağlama yağı, aynı zamanda motor yağlama yağı olduğundan motor yağı değişim zamanları büyük önem taşımaktadır.

Birinci yağ değişimi 3000 km’de bir yapılmalıdır. Ondan sonra her 10.000 km’de bir yağ değiştirilmelidir. Her 20.000 km’de yağ filtresi değiştirilmelidir. Hava filtresi sık sık kontrol edilip basınçlı hava ile temizlenmelidir. Her 40.000 km’de emme ve egzoz tarafındaki sızıntı ve kaçaklar kontrol edilmelidir. Motorun alçak devirlerde uzun süre çalıştırılması sonucu, turbo kompresörün emme kanalına yağlama yağı kaçağı olur. Bu yağ kaçağı turbo kompresörün arızalı olduğunu göstermez. Bu gibi durumlara düşmemek için motoru düşük devirlerde uzun süreli çalıştırmamalıyız.

 Yukarı Çık

3.4.2. Tahliye Valfi (Wastegate Valve)

Tahliye valfi turbo şarj sisteminin bir parçasıdır. Turbonun egsoz manifoldunun üzerine takılmıştır. Egsoz gazının miktarındaki artış, türbinin daha hızlı dönmesine dolayısı ile basma havasının aşırı şekilde artmasına neden olur. Sonuçta hava basıncı kontrolsüz bir şekilde artar ve aşırı miktarda hava silindirlerin içine sokulmaya çalışılır ve motor zarar görür. Tahliye valfi böyle bir durumu engeller. Hava basıncı belirli bir değere ulaştığında bir miktar egsoz gazının türbin kanatları arasından değil de doğrudan bir kanal vasıtası ile egzoz sistemine kaçması sağlanır. Böylece türbinin aşırı derecede dönmesi engellenir. [10].

Yukarı Çık

Şekil 3.7 Tahliye Valfinin Şematik Resmi [10].

3.4.2.1. Tahliye valfinin çalışması

Yukarı Çık

Şekil 3.8. Tahliye Valfinin Çalışması [10].

Şekilde gösterilen A odacığındaki basınç tahliye valfinin açma basıncına ulaştığında tahliye valfinin B kapağı açılır ve egzoz gazının bir kısmı türbin kanatlarına hiç uğramadan bu kapaktan kaçar. Böylece mil, türbin ve kompresör çarkının hızının düşmesi ile turbonun basıncı da azalır.

Tahliye valfinin herhangi bir nedenle çalışmaması durumunda emniyet valfi (F) devreye girer. Burada emme manifoldunun (C) bölgesindeki basınç aşırı bir şekilde artarsa motoru korumak için (F) emniyet valfi açılarak fazla basıncı tahliye eder. Bu sırada boru patlaması gibi ses duyulur [10].

 Yukarı Çık

3.5. Turboşarjda Kullanılan Doldurma Yöntemi

3.5.1. Sabit Basınç Sistemi

Bu sistemde, büyük hacimli egzoz manifoldu ile birlikte bir de egzoz gaz alıcısı kullanılır. Türbin egzoz gaz alıcısının hemen çıkışına bir nozulla birlikte bağlanır. Sabit basınçlı turbo kompresör sisteminin yapısı oldukça basit ve maliyeti düşüktür. Fakat bu sistemde egzoz gazlarındaki enerjinin tamamından yararlanmak mümkün değildir. Çünkü, A.Ö.N. dan çok önce açılan egzoz supabı, silindir içerisindeki yüksek basınç ve sıcaklıktaki egzoz gazlarının dışarı çıkmasına neden olmaktadır. Eğer bu gazlar geniş hacimli bir manifolda ve egzoz gaz alıcısına verilirse, egzoz supabının açıldığı andaki egzoz gaz basıncının büyük itici etkisinden yararlanılmamış ve boşa harcanmış olur. Bu sistemin basit ve ucuz olmasının yanın da, egzoz gazındaki enerjinin, bir kısmının boşa gitmesi dezavantaj oluşturmakta ve sistemin etkisini gölgelemektedir.

 Yukarı Çık

3.5.2. Darbeli Sistem

Darbeli sisteminde, aralarında egzoz zaman bindirmesi bulunmayan belli sayılardaki silindir çıkışlarının kısa ve küçük hacimli egzoz manifolduna bağlanmasıyla ve bu silindirlerden çıkan egzoz gazlarının basıncı ve hızından faydalanılır. Eğer gazlarının enerjisi, türbine basınç enerjisi şeklinde iletilir. Bundan dolayı, egzoz zamanında, bir geri basınç oluşur. Egzoz gazındaki bu geri basınç toplam enerjinin yanında çok küçük kalır.

Darbeli turbokompresör sistemi uygulanan bir motor da silindir sayısı ve egzoz zamanı bindirme durumuna göre, egzoz manifoldlarının silindirlere ve türbine bağlantı şekli değişir.

Dört zamanlı, içten yanmalı dizel motorlarda, negatif işi azaltmak için, egzoz supapları A.Ö.N.dan 40° ile 70 önce açılır. Taze havanın silindirlere alınması anında da egzoz gazlarının silindirlerden tamamen çıkıp volümetrik verimi artırmak ve ısınan egzoz supaplarının soğutulması için, egzoz supapları Ü.Ö.N.dan 4° ile 10° sonra kapanırlar.

Bu durumda egzoz supaplarının toplam açık kalma süresi 230 ile 240° civarındadır. Şayet silindir adedi fazla olan bir motorda tek manifold kullanılmış ise, silindirler arasındaki egzoz bindirme süresi kadar, iki silindir aynı manifolda egzoz yapar. Fakat, silindirlerden biri egzoz başlangıcında, diğeri ise egzoz sonundadır.

Egzoz başlangıcında olan silindirde egzoz basıncı yüksek, egzoz sonunda olan silindirdeki egzoz basıncı oldukça düşüktür. Silindirler arasındaki bu egzoz bindirmesi, darbeli sitemin etkisini azaltmaktadır. Çünkü, darbeli sistemde amaç küçük hacimli manifold kullanarak, silindirlerden gelen basınç enerjisini en az kayıpla türbin girişine iletmektir. Silindirler arasında egzoz bindirmesi olması durumunda egzoz sonunda olan silindirdeki egzoz basıncı düşük olduğundan egzoz manifoldunun hacmini büyültmekte ve sistemin basınç etkisini azaltmaktadır.

Bu durumda egzoz zamanının sonunda olan silindirde supap bindirmesinden dolayı emme supabı da açılacak, emme supabından taze havanın silindire dolması istenirken, diğer silindirden gelen yüksek basınçlı, egzoz gazları temiz havanın içeri girmesini engellediği gibi kendisi de silindire girmeye çalışacak ve darbeli sisteminden yararlanılacağı yerde zarar bile görülecektir.

Pratikte, kısa bir süre egzoz bindirmesinin olduğu görülmektedir. Çünkü, egzoz supabının açılması ile manifolddaki basıncın yükselmesi arasında daima bir gecikme vardır. Bir de, egzoz başında olan silindirden, egzoz sonunda olan silindire kadar basınç dalgasının varması belli bir zaman alır. Şekil. 3.9 da dört zamanlı ve dört silindirli bir motora, Şekil 3.10 da ise dört zamanlı, üç silindirli bir motora ait zaman bindirme diyagramları görülmektedir.[3]

Yukarı Çık

Şekil. 3.9. Ateşleme sırası 1-3-4-2 dört zamanlı ve dört zamanlı bir motora ait bindirme diyagramı[3].

Yukarı Çık

Şekil 3.10. Dört zamanlı, üç silindirli bir motora ait zaman bindirme diyagramları [3].

Bir silindirden diğerine olan ateşleme zaman aralığı, dört zamanlı motorlarda 240, iki zamanlı motorlarda ise 120 derece olursa, bu silindirler aynı egzoz manifoldunu kullanarak, ideal bir darbeli turboşarj sistemi oluştururlar. Buna göre üç silindirli bir manifold gereklidir. Örneğin, altı silindirli bir motor iki ayrı egzoz manifolduna, dokuz silindirli bir motor ise, üç ayrı egzoz manifolduna ihtiyaç gereklidir. Şekil 3.11 de, dört zamanlı, altı silindirli, darbeli turbo doldurma sistemine sahip bir dizel motoru, bölünmüş egzoz manifoldu ile birlikte görülmektedir.

Yukarı Çık

Şekil 3.11 de, dört zamanlı, altı silindirli, darbeli turbo doldurma sistemine [3].

 Yukarı Çık

3.6. Sabit Basınç ve Darbeli Doldurma Sistemlerinin Mukayesesi

Önceleri, darbeli doldurma sistemi çok üstün kabul ediliyor ve hemen hemen, sabit basınç sistemi hiç kullanılmıyordu. Bunun sebebi de, düşük verimli türbo kompresörler ve düşük kompresör basınç oranları idi. Zamanla, gelişen teknolojiye paralel bir biçimde, daha mükemmel turbo kompresörler yapılarak, verimleri yükseltildi ve kompresör basınç oranları da arttırıldı. Kompresör basınç oranları ile turbo kompresör verimlerinin artması, sabit basınç sisteminin üstünlüklerinin, daha net olarak gözle görünür hale gelmesini sağladı. Sabit basınçlı turbo kompresör sistemi gün geçtikçe daha geniş bir uygulama alanı bulmaktadır.

Sabit basınç turbo doldurma sisteminin, motor açısından başlıca üstünlükleri aşağıdaki gibidir.

1. Daha basit ve sade bir manifold tasarımı, dolayısıyla daha ucuz bir konstrüksiyon, özellikle V tipi motorlarda, sabit basınç sistemi manifoldlarının yerleştirilmesi kolaydır.

2. Egzoz zamanında daha düşük piston pompalama işi (daha düşük negatif işi). Silindir içindeki basınç kolayca tahliye olur ve egzoz gazlarının pompalanması için harcanan piston işi azalır. Darbeli turbo doldurma sistemindeki gibi egzoz zamanındaki geri basınç bu sistemde daha azdır. Buda sonuçta, daha yüksek ortalama efektif basınca ve daha düşük özgül yakıl sarfiyatına sebep olur.

3. Silindir sayısına bağlı olmaksızın, havanın silindirlere dağılımı daha üniform ve silindirlere giriş basınçları eşittir. Silindir sayısı 5, 7 ve 10 olan motorlardaki, darbeli doldurma turbokompresör uygulamasında, türbine gelen basınç dalgaların darbeleri eşit aralık olmadığından, kompresör devri darbe etkilerine göre değişir ve sonuçta silindirlere gönderilen hava miktarı eşit olmaz. Bu tür bir motora, sabit basınç turbo doldurma sistemi uygulanması halinde, silindirler arasındaki termal yükte dengelenmiş olur.

Sabit basınç turbo doldurma sisteminin, motor açısından sakıncaları ise şöyle sıralanabilir.

1. Supap bindirmesi sırasında, normal gaz akışına ancak yüksek devirlerde ve tam yüklerde ulaşılır. Düşük yüklerdeki, supap bindirmesi zamanında, egzoz gazında az bir geri akış görülebilir.

2. Kompresör çıkış basıncı ile egzoz basıncı arasındaki fark, tam yüklerde bile çok azdır. Çünkü manifold da, ortalama bir egzoz gazı basıncı her an mevcuttur, Egzoz zamanının sonunda da, silindir içindeki egzoz gazı basıncı, ortalama değerin altına düşmez. Halbuki, darbeli turbo doldurma sisteminde, manifolddaki basınç anında türbin tarafından yutulduğu için egzoz zamanının sonlarına doğru geri basınç, önemli miktarda düşer. Eğer, darbeli sistem ile sabit basınç sisteminde eşit miktarda supap bindirmesi olduğu farz edilirse, sabit basınç sisteminde hava tüketimi azalır. Çünkü, supap bindirmesi zamanında, sabit basınç sisteminde, silindirlerde akan hava debisi azalır.[3]

3. Sabit basınç turbo doldurma sistemi kullanan motorlarda motorun ivmesi iki sebepten dolayı düşüktür;

a) Düşük yüklerde, egzoz supabı açıldığı anda, silindir içindeki egzoz basıncı düşük olduğu için, basınç darbelerinin türbin üzerindeki etkisi zayıftır. Keza, büyük bir egzoz manifoldunu doldurmak için, ilave, zamana ihtiyaç vardır. Sürücü, gaz pedalına bastığında, silindirlere püskürtülen yakıt miktarını hemen arttırır. Fakat, bu yakıtı yakabilecek düzeyde hava miktarının türbin ve dolayısıyla kompresör hızlarına bağlıdır. Türbin ve kompresör hızlarının artması egzoz gazlarındaki enerjiye bağlı olup sabit basınç sistemine sahip bir motorda, bunun yükselmesi için zamana ihtiyaç vardır.

b) Özellikle alçak hızlarda ve düşük yüklerde, egzoz gazının silindir içindeki konsantrasyonu fazladır. Çünkü, bu durumda egzozdan geri dönüş (geri akış) fazladır. Belli bir kompresör basıncı için, bu durum silindir içindeki hava yüzdesini düşürür, bu da motorun duman limitini aşmasına neden olur. Diğer yandan bu durumda, motorun hızlanması için elde edilen miktarda düşük olur.

4. Daha düşük özgül hava sarfiyatı egzoz gazı sıcaklığının artmasına neden olur. Sabit basınç sistemi ile çalışan turbokompresör daha yüksek verimli olmasına karşın 2. maddede izah edilen önemli mahzuru vardır. Turbokompresör açısından ise, sabit basınç sisteminin hiçbir mahzuru yoktur.

Üstünlükleri şöyle sıralanabilir.

1. Sabit basınç sisteminde çalışan bir turbo kompresörün yutma kapasitesi artar, böylece, bu sistemde aynı türbin çıkış gücü için, daha küçük bir türbin kullanılabilir.

2. Sabit basınç sisteminde, türbin kanatlarına gelen kuvvet değişimi olmaz, darbeli turbo doldurma sisteminde ise bu değişim oldukça fazladır bu durum türbin kanatlarının titreşimine ve ömrünün azalmasına neden olur. Yani sabit basınç sisteminde, türbin kanatlarının titreşimleri daha az, çünkü kanatlara gelen kuvvetler homojen bir şekilde, kanatlar arasında eşit olarak dağılır, bundan dolayı da, bu sistemdeki türbin kanatlarının ömrü uzun olur. Bu durum turbo kompresör yatakları için de geçerlidir, yani sabit basınç sisteminde yatak ömürleri de uzun olur.

3. Tam yüklerde ve yüksek hızlarda, daha yüksek türbin verimine sahiptir. Şekil 3.12 de 14 silindir V tipi bir motorda, darbeli turbo doldurma sistemi ile sabit basınç sisteminin karşılaştırılması görülmekledir. Özgül yakıt sarfiyatındaki, 6 g/kw.h lik bir düşüş oldukça önemlidir. Burada silindir sayısının 14 olmasını da göz önünde bulundurmak gerekir. Çünkü bu silindir sayısında olan bir motorda darbeli turbo doldurma sisteminin etkisi düşüktür. Darbeli turbo doldurma sistemi için silindir sayısı üç ve üçün katları yapmadan önce motorun tatbik edileceği sabit basınç sistemli otomobil motorları için uygun değildir; fakat gemi motorları için uygun olabilir.[3]

Yukarı Çık

Şekil 3.12. Sabit basınç ve Darbeli Turbo Doldurma Sistemlerinin Mukayesi [3].

Tatbik edilen motor gücünün hareket ettirilen kütleye oranı azaldıkça aracın ivmelenmesi önemini kaybeder. Çünkü, araç kütlesi büyüdükçe, aracın hızlanması için geçen zaman oldukça uzun olur. Bu zaman, motorun hızlanması için gerekli olan zamanla mukayese edilirse, motorun hızlanması için gereli olan zaman önemini kaybeder. Dolayısıyla sabit basınç turbo doldurma sistemine sahip bir motorun ivmelenmesi için uzun zaman gecikmesi büyük araçlarda bir problem teşkil etmez [3].

 

Yukarı Çık

 

4. AŞIRI DOLDURMALI DİZEL MOTORLARININ TERMODİNAMİĞİ

Turbo kompresörlü bir dizel motorunun çevrim analizi yapılırken, hesaplamalarda kolaylık olması için şu kabuller yapılır:

1. Çevrimde kullanılan hava her noktada ideal gaz kabul edilir, yani P.V = mRT denklemini sağlar.

2. Turbo kompresör ve motorda çevrime çevreden ısı geçişi yoktur, yani çevrim adyabatiktir.

3. Çevrimde yanma odasında kalan art (yanmış) gazların etkisi ihmal edilir.

Şekil 4.1’de teorik P.V diyagramı görülen çevrimde hava filtresinin direnci ihmal edilirse çevre basıncı, kompresör giriş basıncı olarak kabul edilebilir. Kompresöre çevre basıncında giren hava, adyabatik olarak p1 basıncına kadar sıkıştırılır.

Yukarı Çık

Şekil 4.1. Turbo kompresörlü motorun teorik P-V diyagramı

Kompresör basınç oranı AK, motor sıkıştırma oranı e ile gösterilirse, kompresöre giriş şartları;

P0 = Pçevre

                                                                                                         4.1

T0 = Tçevre

Kompresör çıkış şartları

P1 = Ak .P0                                                                                       4.2

                                                                                     4.3

                                                                                    4.4

ifadeleri ile gösterilir. Kompresörde, havanın sıkıştırılması esnasında harcanan enerji (entalpi farkı);

 

                                                                            4.5

 

Bir önceki çevrimden silindirde kalan yanmış gazlar, silindire dolan taze havayı kirletir.

Bu gazların silindirde adyabatik olarak sıkıştırılmasından sonra elde edilen değerler;

                                                                                        4.6

                                                                                             4.7

                                                                                    4.8

ifadeleri ile bulunabilir. Kompresör tarafından gönderilen basınçlı havanın silindire dolması sırasında piston üzerinde yapılan iş;

 

W0-1 = (P1 – P0) . Vh                                                                        4.9

 

Silindire dolan gazların 1 noktasından 2 noktasına sıkıştırılması sırasında pistona verilmesi gereken iş de;

                                                            4.10

şeklinde yazılabilir. Silindirdeki gazın toplam kütlesi ile püskürtülecek yakıtın kütlesi;

                                                                                        4.11

                                                                                4.12

ifadeleri ile bulunabilir. Yanma, sıkıştırılarak basıncı ve sıcaklığı artan hava içine yakıt enjeksiyonu ile sağlanır. Yanma sonucu oluşan ısıyı hesaplamak için, püskürtülen toplam yakıt miktarının Xf kadarlık kısmının sabit hacimde, geri kalan kısmının da sabit basınçta yandığını kabul edelim. Buna göre sabit hacimde oluşan ısı için;

QCv = my . Xf . Hu = (my . Xf + mh) .Cv . (T3-T2)                              4.13

Sabit basınçta oluşan ısı;

QCp = my . (1- Xf) . Hu = (my . (1 – Xf) + mh) . Cp .(T4 – T3)           4.14

Çevrime sürülen ısı miktarı ise;

Qtop = QCv + QCp                                                                              4.15

şeklinde ifade edilebilir. 3 noktasında sabit hacimde yanma ile elde edilen değerler;

V3 = V2

                                                                                    4.16

                                                                                      4.17

Ve 4 noktasında sabit basınçta yanma sonu değerleri;

P4 = P3

                                                                         4.18

                                                                            4.19

ifadeleri ile bulunabilir.

Sabit hacimde yanan gazların V3 hacminden V4 hacmine genişlerken Piston üzerinde yaptıkları iş;

                                                                 4.20

sabit basınçta yanmadan sonra A.Ö.N.’ya kadar adyabatik olarak genleşen gazların 5 noktasındaki durumu;

V1 = V5

                                                                                  4.21

                                                                                4.22

Bu sırada genleşen gazların piston üzerinde yapmış oldukları iş de;

                                                           4.23

ifadeleriyle hesaplanabilir.

Piston A.Ö.N’ya yaklaşırken egzoz supabı açılır ve gazların basıncı, türbin giriş basıncına kadar adyabatik olarak düşer. Bundan sonra türbin kanatlarında yine adyabatik olarak genleşen gazların basıncı, türbin çıkış basıncına, pratik olarak çevre basıncına (p7 = p0) kadar düşer. Pistonun, Ü.Ö.N’ya hareketi ile silindirde kalan diğer gazlar da türbine doğru süpürülürler. Türbin giriş basıncı bilinmediğinden, hesaplara genellikle türbin giriş basıncından başlanır. Bunun için, türbinde gazların genleşerek bıraktığı enerjiyi, kompresörde gazların sıkıştırılmasında ve silindirlere süpürülmesinde harcanan enerji ile eşitlemek gerekir.

 

Buna göre;

                                                               4.24

Dhk değeri, 4.2’de gösterilmişti. Dht değeri için de;

                                                          4.25

ifadesi kullanılabilir. Buradaki 6 noktası türbin giriş değerlerini, 7 noktası ise türbin çıkış değerlerini göstermektedir. İfade üstel fonksiyon ifade ettiğinden, iterasyon yapmadan hesaplanması mümkün değildir. Bu yüzden p6, V6, T6 değerlerinin hesaplanmasında sayısal değerler ile bilgisayar programlarını kullanıp, iterasyon yapılması gerekir. İterasyonda bu noktadaki basınç değişken olarak alınırsa;

                                                                                 4.26

                                                                                  4.27

ifadeleri yazılır.

Türbin girişindeki, yani 6 noktasındaki basınç ve sıcaklık değerleri hesaplanmış olur.

Türbin çıkış değerleri de;

P7 = P0

                                                                                 4.28

                                                                                              4.29

şeklinde ifade edilebilir.

4.1. Aşırı Doldurma Uygulanan Motorda Isı Transferi

Aşırı doldurma uygulanan motorlarda, silindir içindeki gazların yoğun olması ve her an değişen gaz hızları ölçülmedikçe, ısı transfer hızının gerçek değeri bulunamaz. Her motorun gaz hızı, yanma hızı ve soğutma hızları birbirlerinin aynı olmadığı için bir motor için hazırlanan model, başka bir motora uygulanamayabilir. Ancak, bir grup motor için uygulanabilirlik ortaya atılabilir. Örneğin, binek araçlarda kullanılan, türbülans odalı dizel motorları için geçerli bir ısı transferi ifadesi verilebilir.

                                                                         4.30

buradan;

: Silindir cidarlarından ısı akış hızı

h: Silindir cidarları ile gaz arasındaki ısı taşınım katsayısı 

A: Silindir cidarı toplam alanı 

: Gaz sıcaklığı 

: Silindir cidar sıcaklığı

Çevrim anında silindir cidarındaki sıcaklık değişimi 10  civarında olduğunda ısı transfer işlemi için silindir sıcaklığı sabit kabul edilebilir. Isı transferini gerçeğe yakın bulabilmek gazların temas ettiği yüzeyler üç bölgeye ayrılabilir. Bu bölgeler yanma odası, piston ve silindir kapağı yüzeyleridir. Isı transferinin hızı, her bölge için ayrı ayrı bulunabilir. Bu durumda, herhangi bir anındaki ısı transfer hızı, üç bölgedeki ısı transfer hızının toplamına eşit olur.

                      4.31

Yanma odası silindir kapağı alanı ile piston yüzey alanı yaklaşık silindir kesit alanına eşit kabul edilebilir. Pistonun hareketine bağımlı olarak değişen silindir yan yüzey alanı,

                                                                 4.32

eşitliği ile gösterilir. Buradan,

                  4.33

Ü.Ö.N dan itibaren, belli  açısından pistonun aldığı yol,

                                                                                      4.34

yanma odası silindir kapak yüzeyinin Ü.Ö.N dan yüksekliği göstermektedir.

r: Krank yarıçapı

: Biyel kolu uzunluğu

: krank dönüş açısını göstermektedir.

 Yukarı Çık

4.2. Aşırı Doldurmada Ortalama Efektif Basınç

Stokiyometrik şartlarda hava/yakıt karışımı veya hava ile doldurulan silindirlerdeki (VH) birim kütledeki dolgudan Qd kadar enerji elde edildiği varsayılsın. Toplam kurs hacmi (VH), Qd yoğunluğundaki taze dolgu ile dolu olduğu kabul edilirse, yakıt püskürtüldüğünde maksimum kullanılabilir enerji;

                                                                         4.35

Burada , doldurma kayıplarından dolayı elde edilebilecek enerji miktarını gösterir. , doldurma verimidir.

Doldurma verimini;

                                                                                                                   4.36

şeklinde yazarsak maksimum enerji miktarını gösteren ifade;

                                                                   4.37

şekline dönüşür. Motor tarafından verilen güç ise;

Pe = Pme . VH . n = he . Emax. n                                                       4.38

eşitliği ile ifade edilir. Yukarıdaki ifadelerden ortalama efektif basınç için;

                                                                       4.3

şeklinde bir ifade yazılabilir. Bu ifadelerden de görüleceği gibi, ortalama efektif basıncı artırmak için, sıkıştırma başlangıcında silindire hapsedilen havanın özgül yoğunluğu olan rd yi artırmak gerekmektedir. İşte, içten yanmalı motorlarda uygulanan aşırı doldurmanın temel gereği de, ortalama efektif özgül yoğunluğu rd yi arttırmaktır.

Silindire girmeden önce, kompresör tarafından sıkıştırılan havanın sıcaklığı yükselir, bu da efektif özgül yoğunluk rd nin azalmasına sebep olur. Aşırı doldurma uygulamasında, silindire alınan hava miktarını arttırmak için kompresör tarafından sıkıştırılması sonucu sıcaklığı artan havanın, silindire girmeden önce soğutulması gerekir. Bu soğutma genellikle, motor soğutma suyu tarafından yapılır.

Etkili bir aşırı doldurma için, kompresör ve motorun akış karakteristikleri birbirine eşlenmelidir. Şayet, aşırı doldurma sisteminde kullanılan kompresör, hareketlerini motor krank milinden alıyorsa, kompresör dönme hızı direkt olarak motor dönme hızına bağlıdır.

 Yukarı Çık

4.3. Tabii Emişli ve Turbo Kompresörlü Motorların Karşılaştırılması

Aynı strok hacminden daha fazla güç almak veya belirli bir çıkış gücü için motorun ağırlığını ve hacmini düşürmek, aşırı doldurmanın temel mantığıdır. Bu durum, kompresör tarafından silindire yüksek basınç altında daha fazla hava gönderilerek yakılabilecek yakıt miktarının arttırılması ile sağlanır. Böylece aşırı doldurmalı motorlar, tabii emişli motorlara göre daha hafif ve küçük hacimli olurlar. Bu ise, birim çıkış gücü başına daha az maliyet demektir [3].

Çalışma şartlarına bağlı olarak, kısmi yüklerde ve özellikle maksimum gücün yarısına kadar olan düşük güç aralığında, aşırı doldurmalı bir dizel motorunun özgül yakıt tüketimi daha düşük değerler almaktadır.

Aşırı doldurmada sıkıştırma başlangıcı basıncı yüksek olduğundan, sıkıştırma sonu basınç ve sıcaklık değerleri de yüksek olur. Böylece aşırı doldurma uygulanan bir dizel motorunda tutuşma gecikmesi kısalır. Bu da motorun daha tatlı ve yumuşak çalışmasına neden olur. Çünkü tutuşma gecikmesinin düşmesi, yanma karakteristiklerinin yükselmesine, daha kaliteli bir yanma elde edilmesine veya motorun daha düşük kaliteli (setanlı) yakıt ile çalıştırılmasına izin verir ve motor daha az titreşimli çalışır. Silindir içine alınan havanın miktarı, aşırı doldurma uygulaması ile arttığından, kontrollü bir yanma sağlanarak daha düşük egzoz gazı emisyon değerleri elde edilir. Tabii emişli motorlar da, yüksekliğe bağlı güç düşmeleri her 1000 m’de %10 dolayında iken aşırı doldurmalı motorlarda bu değer % 1-2 arasında kalmaktadır.

Aşırı doldurmalı bir dizel motoru bütün bu üstünlüklerin yanında, artmış olan gaz kuvvetlerine karşı dayanabilecek kuvvetlendirilmiş bir dizayna ihtiyaç duyar.

Motorun maliyetini arttırması açısından, turbo kompresör ve hareketli parçalarda yüksek kaliteli malzemenin kullanılması bir dezavantaj sayılabilir. Ayrıca, turbo kompresör birimi, motorun en hassas ve pahalı parçalarından biridir. Herhangi bir şekilde yağlama sisteminde oluşacak bir arıza, turbo kompresörün çok kısa zamanda ciddi hasarlar görmesine sebep olacaktır.

Yukarı Çık

Şekil 4.2. Aynı sıkıştırma oranlı bir çevrimde tabii emişli ve aşırı doldurmalı motor çevrimleri

İşletme durumlarında ise, motorun ilk harekete geçirilmesi sırasında yağ pompasından basılan yağın, turbo kompresör mil ve yataklarına varması hayli zaman alacağı için, ani gaz vermekten kaçınılmalıdır. Diğer bir durum ise, motorun durdurulması sırasında turbo kompresör milinin ataletinden dolayı, bir süre daha dönmeye devam edeceğinin unutulmaması gereğidir. Bu sırada yağ pompası çalışmadığı için, ünite yağlanamamaktadır. Bu yüzden motor, önce relanti devrine düşürülmeli, sonra durdurulmalıdır [11].

 

 

 

Belli bir çıkış gücü için aşırı doldurmanın üstünlükleri;

1. Daha küçük bir hacim ihtiyacı (az sayıda silindir ve daha kısa bir motor)

2. Daha hafif bir motor, birim çıkış gücü başına daha küçük bir özgül ağırlık

3. Egzoz turbo kompresörü ile daha yüksek bir verim,

4. Özellikle büyük motorlarda birim çıkış gücü başına daha düşük maliyet,

5. Daha küçük bir radyatör, normal emişli motorlardan daha az ısı kaybı,

6. Egzoz türbini ile daha az egzoz gürültüsü,

7. Düşük çevre basıncından daha az etkilenme,

8. Kontrollü bir yanma ile daha düşük kirletici değerleri.

 

Aşırı doldurmanın mahsurları;

1. Daha büyük mekanik ve termal yükler,

2. Düşük moment karakteristikleri,

3. Düşük ivmelenme, dizel motorlu taşıtlarda ivmelendirme sırasında ise emisyonlarında büyük artışlar meydana gelmektedir. Özellikle aşırı doldurmalı motorlarda bu durum daha da belirgindir. Bunun nedeni aşırı doldurma sisteminin (türbin–kompresör çiftti) gaz pedalına ani olarak basılarak ani olarak arttırılan yakıt debisi ile orantılıyı havayı silindirler içine gönderememesi ve belli bir cevap gecikmesi ile yakıt sistemini izlemesidir. Böylece ortamda yeteri hava olmamasından dolayı is oluşumu artmaktadır. [3].

Bunlardan iki ve üçüncü maddeler sadece turbo kompresörlü motorlarda, kompresör sıkıştırma oranı ile artan bir şekilde etki gösterir [3, 12].

 Yukarı Çık

5. AŞIRI DOLDURMALI MOTORLARDA ARA SOĞUTMA

İçten yanmalı bir motorun verebileceği maksimum güç, silindirlerinde verimli bir şekilde yakabileceği yakıt miktarı ile sınırlıdır. Bu ise, silindirine bir çevrimde alınan ve yakıtın yanmasını sağlayacak hava sarfiyatı ile ilgilidir. Aynı hacimdeki bir motordan daha fazla güç elde etmek için, silindir içerisine daha fazla hava almak gerekir. Bu da aşırı doldurma uygulaması ile gerçekleşir.

Aşırı doldurmalı motorlarda sıkıştırma işlemi, basınçla beraber sıcaklığı da arttırır. Bu da dolgu havasının yoğunluğunu azaltarak volümetrik verimin düşmesine sebep olur. Buna bağlı olarak, motor gücünde azalma görülür. Amaç, silindire gönderilen havanın yoğunluğunu arttırarak, silindire bir çevrimde alınan hava miktarını arttırmak olduğu için; ısınarak yoğunluğu azalan havanın, kompresör çıkışı ile silindir girişi arasında soğutulması gerekir. Bu soğutma, aynı zamanda sıkıştırma başı sıcaklıklarının, dolayısı ile genel sıcaklık seviyesinin yükselmemesi için gereklidir. Bu soğutma işlemi, “intercooler” olarak isimlendirilen bir ara soğutucu ile gerçekleştirilir [13].

Ara soğutma sonucu, aynı doldurma basıncı için motora emilen havanın miktarı arttığından, ulaşılan ortalama efektif basınç da büyümekte ve hem mekanik verim göreceli olarak büyüdüğü ve hem de düşen sıcaklıklar ile ısı kaybı azaldığı için motor verimi de artmaktadır. Ara soğutucular ağır yük ve yolcu taşıtlarında, gemilerde, demiryolu araçlarında ve yaygın olmamakla birlikte, otomobillerde kullanılmaktadır.

 Yukarı Çık

5.1. Ara Soğutucunun Yapısı

Ara soğutucu, üç kısımdan oluşur:

1- Hava kazanları

2- Tüpler (Hava kanalları)

3- Kanatçıklar (Finler)

 

Hava kazanları, giriş ve çıkış kazanı olarak iki kısma ayrılır ve genellikle peteklerin sağ ve sol taraflarına yerleştirilir. Bu kazanlar havanın tüplere eşit dağılımını sağlayabilmek için giriş ve çıkış noktalarına doğru genişleyen bir şekilde yapılırlar. (Şekil 5.1.)

Yukarı Çık

Şekil 5.1. Bir ara soğutucunun komple görünüşü

Havanın, içinden geçerek üzerindeki ısının kanatçıklara verilmesini sağlayan kanallara, tüp denir ve iki kanatçık arasına bir tüp gelecek şekilde bir dizayn yapılır. Havanın türbülans yaparak daha iyi bir ısı transferi sağlaması için, tüplerin iç kısımlarına kanatçıklar yerleştirilir [11, 13].

Tüp üzerindeki ısıyı iletim yolu ile alarak havanın soğutulmasını sağlayan elemanlara ise kanatçık denir. Kanatçıkların yüzey alanı arttıkça, hava ile temas eden yüzey de artar. Ancak kanatçıklar içerisinden havanın akarak geçebilmesi için bir boşluk bırakılması gerekir. Bu nokta, kanatçık yüzey alanını sınırlayan bir faktördür.

Ara soğutucu malzemesi olarak genellikle alüminyum alaşımı kullanılır. Alüminyum alaşımının tercih edilmesinin sebebi olarak; alüminyumun ısı iletim katsayısının fazla olması, ucuz ve hafif olması sıralanabilir. Ara soğutucuda kazan, tüp ve kanatçıklar aynı malzemeden yapılır ve ısı altında noclock breyzing yöntemi ile birleştirilir.

Ara soğutucular, genellikle radyatörün ön tarafına ve radyatöre 2-3 cm aralık kalacak şekilde yerleştirilirler. Şekil 5.2’de bir ara soğutucunun motora monte edilmiş hali görülmektedir[14].

Yukarı Çık

Şekil 5.2. Ara soğutucunun motora monte edilmiş hali

Tüp ve kanatçıların birbirine monte edilmiş haline petek denir. Petek yüzeyinde toz, partikül ve benzeri maddelerin birikerek soğutma kapasitesini düşürmesi önemli bir sakıncadır. Eğer bu tür maddeler ara soğutucunun herhangi bir bölgesine birikirse, o bölgeyi tıkar ve soğutucu havanın geçişi engellenmiş olur. Böyle bir durumda o bölge aşırı ısınır. Bu ise, ara soğutucuda çarpılma ve çatlamaya yol açar.

Bu tür durumlar özellikle maden ocaklarında, orman işlerinde ve tozlu ortamlarda çalışan araçlarda sıkça görülür. Böyle yerlerde periyodik bakım daha da önem kazanır. Böyle bir durum söz konusu olduğunda, peteğin dış kısmı muhakkak surette temizlenmelidir.

Turbo kompresörden gelen herhangi bir arıza durumunda ara soğutucunun içine yağ dolabilir. Bu ise iç temizliği gerektirir. İç temizlikte, temizlik maddesi olarak deterjan, solvent ve saf su kullanılmalı ve bu maddeler ara soğutucunun içinde fazla bekletilmemelidir. Temizlik için kesinlikle şebeke suyu kullanılmaz. Herhangi bir şekilde ara soğutucunun iç yüzeyinde paslanma oluşur ise, ara soğutucu yenisi ile değiştirilmelidir.

Ara soğutucunun bir diğer kontrolü ise, birleştirme noktalarında veya herhangi bir noktada kaçak olup olmadığının tespit edilmesidir. Bu kontrolde ara soğutucu içerisine basınçlı hava gönderilir. Basınç değeri bir manometre ile okunur. Aynı manometrede bir basınç düşümü olup olmadığı gözlenir. Kaçak var ise, sabunlu su ile kaçağın hangi noktada olduğu tespit edilir.

Bir ara soğutucu dizaynı yapılırken bir takım değerler ve sınırlamalar göz önünde tutulur. Bunlar kısaca:

1. Ara soğutucu giriş ve çıkış sıcaklıkları

2. Ara soğutucu ebatları

3. Ara soğutucudan geçen hava debisi

4. Ara soğutucunun soğutma gücü

5. Kompresör verimi

6. Türbin verimi olarak sayılabilir. Bu değerler genellikle motor üreticisi olan firmalar tarafından taşıt özelliklerine göre belirlenir.

 Yukarı Çık

5.2. Ara Soğutucu Çeşitleri

Ara soğutma işlemi;

a. Hava soğutmalı ara soğutucu

b. Su soğutmalı ara soğutucu ile yapılır [11, 13].

 Yukarı Çık

5.2.1. Hava Soğutmalı Ara Soğutucu

Bu tür ara soğutucular, yük ve yolcu taşıtlarında kullanılmaktadır. Araç radyatörünün önüne yerleştirilen ara soğutucuda, seyir rüzgarı ile dolgu havasının soğutulması sağlanmaktadır. Ancak, düşük hızlarda ve araç hareketsiz iken, soğutma işlemi vantilatör ile sağlanmaktadır.

Hava soğutmalı ara soğutucuların tip-türbine adı verilen değişik bir dizaynı da mevcuttur. Böyle bir sistemde ara soğutucu radyatörden ayrıdır ve bir fanı vardır. Bu sistemin avantajı, motorun ihtiyacı olduğunda çalışmasıdır. Bu sistem diğerinden daha kompleks ve pahalıdır.

Şekil 5.3. Hava soğutmalı ara soğutucu devresi[11].

 Yukarı Çık

5.2.2. Su Soğutmalı Ara Soğutucu

Bu tür ara soğutucular daha çok gemi ve demiryolu taşıtlarında kullanılır. Dolaşım, ya açık devre, ya da kapalı devre olarak sağlanabilir. Hacminin büyük olduğu bu tür taşıtlarda, hava ile soğutma sistemi verimli çalışmaz. Ancak, su soğutmalı ara soğutucu kullanılan bir sistemde, silindire gönderilen havanın sıcaklığı soğutma suyu sıcaklığının altına inememektedir [11].

Yukarı Çık

Şekil 5.4. Su soğutmalı ara soğutucu devresi [11].

Yapılmış olan deneysel çalışmalarda turbo şarjlı ara soğutuculu Phaser 180 Ti (AS 950) kompresör çıkış havası hava soğutmalı bir ısı değiştiricisi kullanılarak 30 0C civarına indirilmiştir. Motorun teknik özellikleri aşağıda verilmiştir.[11]

Silindir Sayısı                                               6

Toplam Silindir Hacmi                     6600 cc

Motor Ağırlığı                         530 kg

Sıkıştırma Oranı                                16, 5/1

Rölanti Devri                                     690–720 d/d

Ateşleme Sırası                                1–5–3–6–2–4

Enjektör Açma Basıncı                    250–258 bar

Maksimum Güç                                175 BG

Emme Manifoldu Giriş Sıcaklığı     50–54 0C

Yağ Basıncı                                       2, 5 bar

Deneyler altı farklı devirde (1000–1400–1800–2200–2600–3000) ve dört farklı yük (45–50–55–60) kademesinde gerçekleştirilmiştir. 1. bölümde motor bu devir sayılarında teste tabi tutulmuştur. Daha sonra ise aşırı ara soğutucusu devre dışı bırakılarak yine test sonuçları kaydedilmiştir.

Yukarıda belirtilen her bir ölçüm aralığı için motor devri, yük, H/Y oranı, yakıt tüketimi miktarı, ara soğutucu giriş ve çıkış sıcaklıkları ve moment değerleri kaydedilmiştir. Moment değerleri ölçüldükten sonra her bir devir için güç, matematiksel olarak hesaplanmıştır.

Şekil 5.5’te ara soğutmanın yakıt tüketimine etkisi görülmektedir. Ara soğutma ile özgül yakıt tüketimi azalmaktadır. Yükselen devirlerde özgül yakıt sarfiyatı daha da artmaktadır [15].

Yukarı Çık

Şekil 5.5. Tam yükte ara soğutmanın özgül yakıt sarfiyatına etkisi[15].

Şekil 5.6 ta motor indike gücünün devir sayısı ile değişimi görülmektedir. Görüldüğü gibi ara soğutma ile indike güç artmaktadır. İndike güçteki bu artış yine artan devir sayılarında optimum seviyeye ulaşmaktadır [15].

Yukarı Çık

Şekil 5.6. Tam yükte ara soğutmanın indike güce etkisi [15].

Ara soğutma ile motor gücünde % 10-15’lik bir artma olduğu görülmüştür. Bununla birlikte yakıt ekonomisinde sağlamaktadır. Performanstaki bu iyileşmelerin özellikle yüksek yük ve devir sayılarında daha belirgin olduğu görülmektedir. Bu sebeple, düşük yük ve devirlerde ara soğutucunun devreden çıkarılmasını sağlayan bir sistem geliştirilebilir [15].

 Yukarı Çık

6. AŞIRI DOLDURMA SİSTEMLERİNDEKİ SON GELİŞMELER

Yeni Turbo Doldurucular İçin İleri Teknoloji:

6.1. Değişken Türbinli Turbo: (VNT)

Değişken türbinli turbo, sistem basıncının gecikmeli olarak devreye girmesi problemine çare olarak düşünülmüştür. Türbin tekerleği üzerinden bulunan kanatçıklarının pozisyonu elektronik olarak vakum kontrolü ile ayarlanmakta ve basıncın yüksek tutulabilmesi amacıyla güç sağlayan kompresörün hızını denetlemektedir. Şekil 6.1.

Yukarı Çık

Şekil 6.1. Değişken Türbinli Turbo Kanatçıkları [16.]

Değişken yapıya sahip bu turbolar, kanatçıkların düzenini değiştirerek, geniş bir egzoz gazı akımı yelpazesinde verimli olarak çalışabilmektedir. Yaptığı etki açısından, tek bir boyuttaki üniteye bağlı kalındığından ortaya çıkan problemlerin birçoğunu ortadan kaldırarak, büyükten küçüğe farklı boyutlardaki turbonun yerini almaktadır [16].

Turboların boyutları performans açısından çok önemlidir. Büyük kompresörler motorun yüksek devirlerinde en verimli şekilde çalışmakta ve büyük miktarda egzoz gazı akışı meydana getirmektedirler. Gerçekte bu koşullar altında ideal turbo kompresör, en yüksek egzoz gazı akımında en fazla basıncı üretebilecek boyutta olanıdır. Bu aşırı basınç oluşması kavramını ortadan kaldırmakta ve büyük turbolar hacimsel olarak daha çok egzoz gazı geçirebildiğinden egzoz sistemindeki geri basıncı da azalmaktadır. Ancak büyük turbolar azalan egzoz akımından normal çalışma hızına erişebilmek için yeterli gücü alamadıklarından düşük devirde basınç üretemezler. Bu nedenle egzoz akımı oranı düşük olduğunda küçük üniteler tercih edilmektedir. Tahmin edileceği gibi küçük turbolar da yüksek devirlerde pek iyi randıman veremezler ve devire bağlı olarak artan egzoz akışı nedeniyle motoru boğarlar.

Bir çok üretici bir uzlaşmaya varabilmek için her iki ideal durum arasında ortalama bir büyüklükte turbo yapmaktadır. Aşırı besleme durumunu minimize etmek için egzoz gazı akımının fazlasını dışarı veren emniyet supabı eklemektedirler. Bu yaklaşım işe yaramaktadır. Ancak yine yüksek devirlerde geri basınca neden olmakta ve düşük devir operasyonu için ideal olandan daha büyük turbo kullanımı gerekmektedir.

Değişken geometrili turbo şarj ise bu soruna daha iyi bir çözüm getirmekte ve egzoz kısmı içerisinde gazın akışına göre ayarlayabilmektedir [16].

 Yukarı Çık

6.2. Sıralı Olarak Devreye Giren Turbo Sistemi(Sequential Turbo System)

Motora iki ayrı turbo şarj bağlandığı sistemde kompresörlerden ilki (primer) motorun düşük devirlere daha çabuk cevap vermesi amacıyla 3000 d/d kadar görevini sürdürmekte, verimliliği sona ermeye başladığı noktada (3500 d/d) ise ikinci devreye girmektedir [16].

Seri üretim motorlarda ilk sequential turbo uygulamasını Mazda başlatmış olup Cosmo Coupe modelinde kullanılan üç rotorlu Wankel motor farklı egzoz gazı akışı özelliğine sahip iki adet küçük Hiachi turbo kompresörle donatılmıştır. 5.5 cm çapında 11 kanatçıklı türbinden oluşan primer kısmı darbeli turbo olarak ta tanımlanmaktadır. 5 cm’lik sekonder türbin ise egzoz gazının rahatça geçmesine olanak veren yüksek akım tipi olup 9 adet kanatçığa sahiptir.

Bu tip turbo sisteminde önemli olan tek turbo kullanımından ikili uygulamaya yumuşak olarak geçisin sağlanmasıdır. İkinci türbinin devreye girmesinden meydana gelecek bir gecikme güç kaybına neden olacağından, bu sorun sekondere giren egzoz gazını kontrol eden supabın tam açılmadan önce bir miktar akım almasına izin verilerek çözümlenmektedir.

Sırayla devreye giren ikili turbo sistemi tek turbo uygulamalarına göre 1500 devirde düşük devir torku %36 artırmaktadır. Mazda RX-7 veya Nissan 300 ZX modellerinde kullanılan kompüter kontrollü sequential turbo ünitesi ile elde edilen performanstan daha fazlasını sağlamaktadır.[16]

Yukarı Çık

6.3. Seramik Türbinli Turbo Doldurma

Normal metal türbinler yerine seramik türbin kullanılmasındaki amaçlar, dönen parçaların atalet momentini azaltmak ve böylece ivmelenmeyi geliştirmek ve dahasın da seramik türbinin yüksek sıcaklılarda kullanılmasının mümkün olmasıdır.[5]

Şekil 6.2’de görüldüğü gibi dinamometre ivmelenme testi karşılaştırılmaktadır. Motor bir seramik turbo doldurucu veya normal turbo doldurucu ile teçhiz edilmiştir. İlk hızlar şekilde görüldüğü gibi değiştirilerek ayarlanmaktadır. Sonuçlarda açıkça görülmektedir ki emme basıncını hedeflenen değere yükseltmek için gerekli zaman % 30-40 arasında kısaltılmıştır. Bu etkileyicilik Şekil 6.3’de görüldüğü gibi, türbin yutma kapasitesine bağlıdır.

Yani geçiş tepkisi küçük türbin yutma kapasitesinde daha küçük A/R ile iyi duruma gelmektedir. Diğer taraftan daha küçük A/R daha geniş gaz akışlarında boğulmaktadır. Bu hassasiyetle yutma kapasitesi seçimi, toplam ekonomi ve yüksek hızlarda güç artımı dışında yapılmaktadır. Herhangi bir şekilde mekanik türbinin geçiş tepkisini geliştirme açısından oldukça etkili olduğu görülüyor. Seramik türbin geçiş tepkisini geliştirmektedir [17].

Yukarı Çık

Şekil 6.2. İvmelenme Test Sonuçları [5].

Yukarı Çık

Şekil 6.3. Türbin Yutma Kapasitesi ve Etkisi [5].

Türbinin maksimum müsaade edilebilir hızı, normal metal rotorlulara göre daha düşük sınırlardadır. Çünkü seramiğin bir dayanıklılığı yoktur. Bununla birlikte herhangi bir sınırlama hariç tutularak seramik türbinin kullanılması arzu edilmektedir. Örneğin maksimum hız, egzoz gaz sıcaklığı metal rotorlara göre azaltılmıştır. Normal, sabit çalışma şartları altında motor performansı, yakıt ekonomisi iyileştirilir. Bu hedefi yakalamak için seramik türbinin malzemesi ve seramik türbinin kanatçıklarının dizaynı geliştirilmiştir. [5, 17]

 Yukarı Çık

6.4 Rulman Yataklı Turbo Doldurucular

Kaymalı yatakların yüksek güvenirliliği ve rotor milinin çok yüksek devirlerde çalışmasından dolayı bu mile destek olması için konvensiyonel turbo doldurucularda bu tip yataklar kullanılır. Buna karşı bu kullanım alanına olumsuz bir etki olarak bu tip metallerin oldukça büyük miktarlarda sürtünme kayıplarına sebebiyet verdiği görülür. Durum bu şekilde olunca mekanik verimde çok iyi olmaz. Yine de bütün bunlara rağmen rulman yataklar turbo aşırı doldurucuları için oldukça küçük sürtünme kayıpları verecek şekilde tekrar düzenlenmiştir. Bütün bu gelişmeler IHI [Ishika Wajima Harima Heavy Industries CO. LTD) tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu konudaki yoğun çalışmaların bir sonucu olarak bilyalı yatakların kullanımındaki güvenirliliği sağlanmış ver mekanik verimleri de % 99 lara kadar arttırılmıştır. Şekil 6.4. de yataklı bir turbo doldurucunun konstrüksiyonu görülmektedir.[17]

Yukarı Çık

Şekil 6.4. Rulman yataklarla beraber kullanılan seramik türbinin kesit görünüşü [5].

Seramik rotor mili iki açılı tip bilyalı yatakla desteklenmiştir. Mil titreşimlerine gidermesi için yatak yuvasının iç yüzü ile dış yüzü arasındaki çok ince bir yağ filmi oluşturulur. Burada çalışan manşon yağ damperi olarak adlandırılır [5].

 

Yukarı Çık

7. SONUÇ VE TARTIŞMA

Aynı strok hacminden daha fazla güç almak veya belirli bir çıkış gücü için motorun ağırlığını ve hacmini düşürmek, aşırı doldurmanın temel mantığıdır. Bu durum, kompresör tarafından silindire yüksek basınç altında daha fazla hava gönderilerek yakılabilecek yakıt miktarının arttırılması ile sağlanır. Böylece aşırı doldurmalı motorlar, tabii emişli motorlara göre daha hafif ve küçük hacimli olurlar. Bu ise, birim çıkış gücü başına daha az maliyet demektir.

Çalışma şartlarına bağlı olarak, kısmi yüklerde ve özellikle maksimum gücün yarısına kadar olan düşük güç aralığında, aşırı doldurmalı bir dizel motorunun özgül yakıt tüketimi daha düşük değerler almaktadır.

Yapılan bu çalışmalar sonucu dizel motorlu araçlarda aşırı doldurma uygulaması ile normal emişli motorlara göre % 40 ile % 60 oranında daha fazla tork sağlandığı anlaşılmıştır. Aşırı doldurmalı dizel motorlarında özgül çıkış gücü sağlamlık ve güvenilirlilikle sınırlandırılır.

Benzin motorlarında ise aşırı doldurma uygulandığı zaman sıkıştırma oranını düşürmek gerektiği anlaşılmıştır. Bu nedenle benzin motorlu araçlarda aşırı doldurma uygulama sistemi uygulanmaktadır.

Ara soğutma ile motor gücünde % 10-15’lik bir artma olduğu görülmüştür. Bununla birlikte yakıt ekonomisinde sağlamaktadır. Performanstaki bu iyileşmelerin özellikle yüksek yük ve devir sayılarında daha belirgin olduğu görülmektedir. Bu sebeple, düşük yük ve devirlerde ara soğutucunun devreden çıkarılmasını sağlayan bir sistem geliştirilebilir.

Turbo doldurucularda rulman yatakları kullanıldığı zaman, sürtünme kayıpları minimum seviyede azaltılmıştır. Bunun sonucunda yatakların güvenilirliliği sağlanmış ve mekanik verimleri % 99 oranında arttırılmıştır.

Normal metal rotorlu türbinler yerine seramik rotorlu türbin kullanılarak dönen parçaların atalet momenti azaltılmış ve böylece ivmelendirme geliştirilmiştir. Seramik türbinli rotor kullanarak istenen emme basıncına % 30 - % 40 daha kısa sürede ulaşılmaktadır.

Turbo dizel doldurmalı motorlarda düşük hızlarda yüksek emme basıncı ve tork sağlanamamıştır. Comprex doldurucular küçük basınç oranları için uygun değildirler.Aşırı doldurmalı motorlarda, normal emişli motorlara göre daha temiz egzoz emisyonu elde edilebilir.

Aşırı doldurmada P2 ve T2 değerlerleri yüksek olduğundan tutuşma gecikmesi süresi kısalacağından, tutuşma gecikmesi süresi kısalmakta ve dolayısı ile aşırı doldurmalı motorlar daha sessiz çalışmaktadırlar. Böylece daha düşük setan sayılı yakıtta kullanılabilmektedir.

Değişken geometrili sistemlerin kullanılmasıyla düşük hızlarda motor torkunda turbo doldurmaya göre % 20 artış sağlanmaktadır. Sırayla devreye giren ikili turbo uygulamalarına göre 1500 devirde düşük devir torku % 36 artmaktadır.

Yukarıda açıklana tüm bu avantajlardan dolayı turbo kompresörler, mevcut sistemler arasında en yaygın olarak kullanılan sistemdir.

Bazı olumsuzluklarına rağmen Aşırı Doldurmanın avantajları çok daha ağır basmaktadır. Dolayısı ile Turbo kompresörün, kompresör, türbin, ara soğutucu…vb. kısımlarının verimliliğinin arttırılması çalışmalarına devam edilmesinin yararlı olacağı açıktır.

 

Yukarı Çık

KAYNAKLAR

1. ÖZTÜRK, G., 1989., Egzoz Gazlarından Kurtuluşa Doğru, Bilim ve Teknik, Cilt 22, Sayı 263, Sayfa 30-33,

2. STONE, Richard, 1987., Introduction To Internal Combustion Engines, Macmillan Education Ltd, Brunel University,

3. BALCI, M., 1985., Dizel Motorlarında Süperşarj ve Turboşarj, Teknik Eğitim Vakfı Yayınları, Ankara,

4. BALCI, M., 1994, İçten Yanmalı Motorlarda Aşırı Doldurma, Teknik Eğitim Vakfı Yayınları, Ankara,

5. BORAT, O., BALCI, M., SÜRMEN, A., 1994, İçten Yanmalı Motorlar, Cilt 1, G.Ü.T.E.F, Ankara,.

6. METİN, U., BATUR, O., SARIOĞLU, M., 1996, Dizel Motorlarında Aşırı Doldurma, G.Ü Teknik Eğitim Fakültesi”, Ankara

7. LILLY, L.R.C., Diesel Engine Reference Book, Butterworth and Co (Publishers) Ltd., 1984.

8. KUŞHAN, E., B., 1999, Otto ve Dizel Motorları, Selmat Matbaası, İstanbul

9. YAMAN, G., 2000, Araçlarda Aşırı Doldurma ve Turboşarj, Kocaeli Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Kocaeli

10. TEMSA OTOMOTİV, 1999, “Turbo İntercooler Canter Kamyonlar ve Prestij Midibüs Seminer Notları, www.temsa.com

11. AKICI, S., 1999, Ara Soğutucunun Dizel Motorlarına Etkileri, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul

12. ERGENEMAN, M., MUTLU, M., ARSLAN, H., 1998, Taşıt Egzozundan Kaynaklanan Kirleticiler, Birsen Yayınevi, İstanbul

13. ANDERSSON, J., BENGTSON, A., ERICKSON, S., 1985, The Turbocharged and Intercooled 2. 3 Liter Engine for the Volvo 760, SAE Paper 850253,

14. KALE INTERCOOLER – RADYATÖR, 1996, Tamir – Bakım Kitabı.

15. SAYIN, C., KILIÇASLAN, İ., AKTAY, F., 6TH International Combustion Symposium, İstanbul

16. YÜCE, A, 1997, Günümüzde Otomotiv Teknolojisi, Panel Matbaacılık, İstanbul

17. HEISLER, H., 1999, Advanced Engine Teknology, Çukurova Kütüphanesi, Adana

 

Yukarı Çık

  Paylaş
Bugün 57 ziyaretçi (195 klik) kişi burdaydı!

=> Sen de ücretsiz bir internet sitesi kurmak ister misin? O zaman burayı tıkla! <=