Turbo Çeşitleri ve Çalışma Prensipleri

Twin turbo nedir? Turbo çeşitleri nelerdir? Tek kademeli ve çift kademeli turbo nedir? Turbo çalışma prensipleri, avantajları ve dezavantajları.

Turboşarjlar, onlarca yıldır araçlarda güç kazanımı için kullanılır. Ek beygir gücü için yüksek ısı çıkışı sağlayarak motor bloklarını sonuna kadar zorlamaktadır. Günümüzde, piyasada bulunan çeşitli marka ve model araçlarda turbo teknolojisi kullanılmaktadır. Türbin ve kompresör olmak üzere iki ana bölümden oluşur. Çalışma mantığı oldukça basittir. Egzoz gazlarının ısı ve kinetik enerjisi, giriş havasını sıkıştırarak yoğunluğu artırır ve türbini döndürerek kompresörü çalıştırır.

Turboşarj olmadan egzozda kaybolan gaz enerjisi, yanma yoluyla açığa çıkan toplam enerjinin yaklaşık % 30-40'ını oluşturur. Turboşarj ile bu enerjinin bir kısmı geri kazanılır ve giriş havasını sıkıştırmak için kullanılır.

Turboşarjın ayrıca motorun geçici tepkisi (hızlanma) üzerinde de önemli bir etkisi vardır. Bir motorun güç çıkışı, doğrudan emilen hava kütlesine bağlıdır. Silindirlerdeki havanın artması için türbinin kompresörü daha hızlı çalıştırması gerekir. Türbin + şaft + kompresör kütle atalet momenti ne kadar büyükse turboda gecikme yaşanır ve araç daha geç hızlanır.

Turbo gecikmesini engellemek için daha küçük bir türbin kullanılabilir. Ancak küçük türbin, yüksek devirlerde egzoz gazı akışını absorbe edemeyeceği için bazı sorunlara neden olabilir. Bu nedenle turbo ile motoru eşleştirme süreci oldukça karmaşıktır ve birçok faktörün hesaba katılması gerekir.

 

Turboşarj Türleri

Egzoz manifoldunun mimarisi, verimlilik ve tepki süresi (daha hızlı dönme süresi) açısından turboşarjın performansında çok önemli bir role sahiptir. Egzoz manifoldu, aşağıdaki gereksinimler dikkate alınarak tasarlanmalıdır:

- Silindirlerin egzoz süreci arasındaki etkileşimin minumumda tutulması.
- Egzoz gazının enerjisi türbine minumum kayıpla ulaşmalıdır.
- Maksimum verimliliği sağlamak için egzoz gazının türbine yayılış zamanlaması tutarlı bir şekilde yapılmalıdır.

Egzoz gazı enerjisi açısından iki tür turboşarj sistemi vardır:

- Tek Kademeli (Sabit Basınçlı) Turboşarj / Single-Scroll Turbocharger
- Çift Kademeli Turboşarj / Twin-Scroll Turbocharger

 

Tek Kademeli (Sabit Basınçlı) Turboşarjlar

Sabit basınçlı turboşarjlar genel olarak dizel motorlu binek araçlarda kullanılır. Herhangi bir motor uygulamasına kolayca entegre edilebilen kompakt bir tasarım avantajına sahiptir. Sabit basınçlı turboşarjlara tek kademeli turbo da denir. Çünkü tüm egzoz gazı akışı ortak bir kanaldan türbine gider.

Sabit basınçlı bir turboşarj sisteminde, entegre tasarım nedeniyle motorun silindir sayısı önemli bir rol oynamaz. 4 silindirli turboşarjlı bir motorun davranışı, 6 silindirli bir motorla aynı olacaktır.

Bu sistemlerin avantajları şunlardır:

- Düzenli egzoz gazı akışı ile yüksek türbin verimliliği
- Yüksek devirlerde iyi performans (yüksek egzoz gazı akışı)
- Basit, üretimi kolay ve uygun maliyetli egzoz manifoldu ve türbin muhafazası

Dezavantajları ise:

- Türbin girişinde daha düşük egzoz gazı enerjisi
- Düşük ve orta devirlerde düşük performans
- Ani hızlanmalarda düşük performans

 

Çift Kademeli Turboşarjlar (Twin-Scroll Turbochargers)

Çift kademeli turboşarjlı bir sistemde, silindirlerin sayısına ve ateşleme sırasına bağlı olarak, farklı yönlendirme boruları, silindirlerin egzoz portlarını türbine bağlar. Bu durumda, silindirler arasındaki basınç etkileşimi ortadan kaldırılır ve basınç dalgaları  türbin girişine kadar ilerler.

1-3-4-2 ateşleme sırasına sahip 4 silindirli bir motor için, 1. ve 4. silindir ortak bir egzoz borusuna ve 2. ve 3. silindir ikinci bir egzoz borusuna sahiptir. Her iki boru da egzoz gazını türbin girişine taşır. Egzoz gazı için iki boru kullandığından, sisteme çift kademeli turboşarj adı verilir.

Çift kademeli  turbolar titreşim/darbe enerjisinden tam olarak yararlandığı için daha fazla egzoz gazı enerjisini dönüştürebilirler. Bu da türbinin daha fazla dönmesi anlamına gelir.

Tek kademeli turboya göre avantajları şunlardır:

- Basınç dalgalarından yararlanması nedeniyle daha fazla egzoz gazı enerjisi
- Düşük ve orta motor devirlerinde iyi performans
- Ani hızlanmalarda iyi performans

Dezavantajları ise:

- Yüksek motor devirlerinde düşük performans
- Karmaşık ve pahalı egzoz manifoldu ve türbin muhafazası

Tek kademeli turbolar, kompresörden emilen havayı sıkıştırmak için sadece egzoz gazının ısı enerjisini kullanır. Çift kademeli turbolar ise, egzoz gazının ısı enerjisi ile birlikte basınç dalgası enerjisini de kullanır.

 

Paralel Bağlantılı Çift Turbolar (Parallel Twin Turbos)

Paralel twin turbolar, havayı mümkün olan en hızlı şekilde silindirlere göndermek için aynı boyutta iki turboşarj kullanır. Turbolara geri dönüştürülen egzoz gazları ikisi arasında eşit olarak bölünür ancak silindirlere gönderilmeden önce ortak bir girişte tekrar birleştirilir. Sıradan bir tek turboda yapılan tüm işlemler iki turbo arasında yapılır. Bu basit sistemin en büyük avantajı, tek turboya kıyasla hava girişini artırarak turbodaki gecikmeyi azaltmasıdır. Genellikle V tipi motorlarda kullanılır. Silindirlere havayı göndermek için kıvrımlı tesisatlar kullanmak yerine, her silindir bankasına kendi turboşarjı atanmıştır. İki türbinin kombinasyonu yeterli güç yaratarak turbo gecikmesini engeller.

Sıralı / Seri Bağlantılı İkiz Turbolar (Sequential Twin Turbos)

Bu sistemler iki farklı boyutta turboşarj kullanır. Düşük devirlerde egzoz gazı akışını dengelemek için küçük kanatlı bir turbo ve yüksek devirlerde devreye girecek çok daha büyük ikinci bir turboşarj bulunur.

Büyük turbonun önünde bir sıkıştırma valfi bulunur. Düşük devirlerde üretilen egzoz gazlarının küçük turboşarja gönderilmesi sağlanır. Devir yükseldikçe sıkıştırma valfi hafifçe açılır ve daha büyük olan turboda birikmesine izin verir. Belirli bir hava akış hacminde tamamen açılacak şekilde valf tetiklenir. Böylece ikinci turbo devreye girerek verimlilik en üst düzeye çıkarılır.

Sıralı turboşarjlar, tekli turboşarjların neredeyse tüm dezavantajlarını ortadan kaldırır. Paralel bağlantılı turbolardan da daha üstün ve daha performanslıdır.

 

Kademeli Çift Turbo

Sıralı tip turboşarj ile aynı prensipte çalışırlar. Yüksek seviyelerde hava sıkıştırması oluşturmak için "kademeli" bir işlem uygular ve silindirlere gönderir. Başlangıç için önce küçük bir turbo kullanır. Ardından hava daha büyük turboya aktarılır ve daha fazla sıkıştırılır. Kademeli bir sistemdeki hava basıncı, normal bir twin-turbodan çok daha yüksek olabilir. Ancak tepkime süreleri daha düşüktür. Bu nedenle genel olarak yüksek sıkıştırma oranlarına ve düşük devir aralıklarına sahip dizel motorlarda kullanılmaktadır.