Turbo ve kompresör nasıl çalışır: aşırı beslemenin türleri

Aşırı beslemeli sistemler, bir motorun performansını önemli ölçüde artırmayı sağlar. Temelde, bir motoru aşırı beslemekle amaçlanan şey, silindirlere motorun atmosfer basıncında kendi başına emebileceğinden daha fazla hava vermektir.

Yanma odasına neden daha fazla havaya ihtiyaç duyarız? Çok basit bir ifadeyle, bir motorun gücü, yakıtla tepkimeye sokup pistonu iten güçlü bir patlama –ya da benzin veya dizel söz konusu olmasına göre yanma– üretmek için reaksiyona sokabildiğimiz oksijen miktarına bağlıdır.

Bunun için, emiş havasını sıkıştırmak gerekir ve bu da iki türde olabilen bir aşırı besleme mekanizmasıyla yapılır: turbo (turboşarj olarak da adlandırılır) ya da kompresör.

Bir turbonun ve bir kompresörün çalışma prensibine bakalım. Böylece her durumdaki avantaj ve dezavantajları daha iyi anlayabileceksiniz.

Bundan önce, ne kompresörün ne de turbonun yeni teknolojiler olmadığını hatırlamakta fayda var.

Aşırı besleme, 20. yüzyılın ilk on yılından beri otomobil sporunda kullanılmaktadır. Kompresörler söz konusu olduğunda, başka endüstriyel uygulamalarda zaten kullanılan bir mekanizma uyarlanmıştır. Turboşarja gelince, yükseklik arttıkça havanın azalan yoğunluğunu telafi etmek için ilk gelişimi uçak motorlarında olmuştur.

Turbo böyle çalışır

Bir turbo temelde, bir kabuk içinde dönen, bir mil ile birbirine sabit bağlanmış iki türbin den oluşur. Çalışma prensibi, motorun egzoz gazlarının kinetik enerjisinden yararlanmaktır.

Egzoz gazları birinci türbinden geçirilir ve bu da onun dönmesine neden olur. İkinci türbin sabit bağlı olduğu için o da dönecektir. Bu durumda, ikinci türbinin hareketi, emme manifoldundaki havayı iterek basınç üretmek için kullanılır.

Turboşarjlı motorlar hakkında bilinmesi gereken birkaç önemli şey var. Doğal olarak, turbo ne kadar büyükse basınç üretme kapasitesi de o kadar fazladır. Ancak, egzoz gazlarının türbini hızlandırması da daha fazla zaman alır; bu da gaz pedalına basılmasıyla gücün gerçekten iletilmesi arasında bir tepki gecikmesine yol açabilir. Buna turbo gecikmesi denir.

Bir şey daha. Türbinler 150.000 devir/dakikanın üzerindeki çok yüksek hızlarda dönebilir. Bu nedenle, arızaları önlemek için turbonun doğru yağlanması (özellikle milinin) çok önemlidir. Bunun için motor yağının oynadığı önemi çok iyi bilmek gerekir.

Turbonun ürettiği olası aşırı basınç, bir boşaltma valfi ile kontrol edilir. Havayı “kaçıran” bu valfin ayarı, turbonun tarasını ya da üfleme basıncını düzenlemeye olanak tanır.

Ayrıca, performansı artırmak için turbolu motorlar genellikle intercooler adı verilen bir radyatöre sahiptir. Bu radyatörün görevi, turbodan geçtikten sonra, sıkıştırılması nedeniyle sıcaklığı artmış ve oksijen yoğunluğunu kaybetmiş emme havasını soğutmaktır.

Turboşarj konusunu bitirirken, bu performans artırma sisteminin özellikle dizel motorlarla iyi uyum sağladığını belirtelim; dizel motorlar karışımı bir buji kıvılcımıyla patlatarak değil, sıkıştırarak çalışır.

Benzinli motorların, yanmanın verimli olabilmesi için belirli bir oksijen ve yakıt oranına sahip bir karışıma ihtiyacı vardır (meraklılar için bu, stokiyometrik karışım olarak adlandırılır); buna karşılık bir dizel, yanma odasına verebildiğiniz tüm oksijeni yakabilir.

Nitekim artık piyasada atmosferik dizel motorlar kalmamıştır. Benzinli motorlarda turbo, karbüratörlü turbo motorlardan daha hassas karışım kontrolü sağlayan elektronik enjeksiyonun gelmesiyle önem kazanmaya başladı. Ancak bu başka bir hikâyenin konusu. Günümüzde turbosuz mükemmel benzinli motorlar sunan markalar mevcut. Bunun bir örneği, CX-30’da test ettiğimiz Mazda’ün 2.0 Skyactive motoru.

Turbo türleri

Uygulanacakları amaca bağlı olarak farklı türde turboşarjlar vardır. “Geometrilerine” göre sabit ya da değişken turbolar olarak sınıflandırılırlar.

• Sabit geometrili turboşarj. Bu tip turboşarjlarda, egzoz gazlarının tahrik ettiği türbine çarpan hava akışı her zaman aynı şekilde gerçekleşir. Daha az hareketli parçaya sahip olduğu için üretimi daha basittir. Sorun, motor düşük devirlerde dönerken egzoz gazlarının akışının türbini hızla hızlandıracak yeterli enerjiye sahip olmamasıdır; bu da daha önce bahsedilen turbo gecikmesine ya da turbonun tepki gecikmesine yol açar.
• Değişken geometrili turboşarj. İngilizce karşılığıyla VGT (Variable Geometry Turbocharger) olarak da bilinirler. Türbin bölgesinde pnömatik ya da elektrikle çalışan kanatçıklara sahiptirler. Egzoz gazlarının türbine çarpma biçimini değiştirmeye olanak tanırlar; başlıca amaç, gaz akışı zayıf olduğunda hareketini hızlandırmaktır. Turbonun tepki gecikmesini büyük ölçüde ortadan kaldırırlar.
• Çift girişli turbo (Twin-Scroll): Çift girişli turbolar olarak da adlandırılırlar. Yaptıkları şey, silindirlerden gelen gaz akışıyla oynayıp onu ayırmaktır; böylece emme manifoldunda karşı basınç oluşmaz.

Bu videoda bir turboşarjın, özellikle de değişken geometrilisinin çalışma sürecinin nasıl olduğunu görebilirsiniz.

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

Kompresör böyle çalışır

Şimdi kompresöre geçiyoruz. Hedef turboyla aynıdır: yanma odasına sıkıştırılmış hava vermek. Ancak burada egzoz gazlarının enerjisi kullanılmaz; kompresör mekanizması motorun kendisi tarafından tahrik edilir, genellikle krank miline bağlı bir kayış aracılığıyla.

Uygulaması da 20. yüzyılın başlarına dayanır; o dönemde yüksek güç elde etmek için yarış modellerinde kullanılıyordu. Egzoz gazlarına bağlı olmadıkları için tepki gecikmesi sunmazlar. Ancak yüksek devirlerde motorun büyük bir güç kaybına yol açarlar ve bu da verimliliği düşürür.

Kompresör türleri

Mimarilerine göre farklı türde kompresörler vardır.

• Roots tipi kompresör. “Lobe” (lob) tipi de denir; bir kabuğun içinde ters yönde dönen, sekiz şeklindeki rotorlar havayı iter.
• Eaton kompresörü. “Vidalı” kompresör olarak da bilinirler. Birbirine geçmiş olarak dönen, helisel şekilli iki elemandan oluşurlar; iki parça arasına giren hava, hacmi küçülen bir alanla karşılaşır ve bu da basıncı artırır.

90’lı yıllarda başarısız biçimde kullanılan bir başka kompresör türü ise G kompresörüdür; Scroll kompresör olarak bilinir. Sabit bir spiral ve içte hareketli bir spiralden oluşurlar; hareket ettiklerinde havayı sıkıştırırlar. Üretimlerinin karmaşıklığı ve düşük güvenilirlikleri nedeniyle kullanımdan kaldırıldılar.

Roots kompresör videosu

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

Eaton kompresör videosu

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

Turbo mu, kompresör mü daha iyi?

Buraya kadar geldiyseniz, turbonun mu yoksa kompresörün mü daha iyi olduğu konusunda kendi görüşünüzü oluşturabilirsiniz. Çünkü bu soruya tek bir cevap yoktur. Motor tipine ve elde etmek istediğinize bağlıdır. Nitekim göreceğiniz gibi, her iki sistemi birlikte kullanan markalar da vardır.

Özetlemek gerekirse, kompresör çok düşük devirden gaz pedalına neredeyse anında tepki verilmesini sağlar. Ancak hacimlidirler ve tahrikleri motordan güç alır.

Turbo kompresör motordan enerji “çalmaz”; aksi halde kaybolacak olan egzoz gazlarının enerjisini kullanır. Ancak türbini döndürecek yeterli egzoz gazı olmadığında tepki gecikmesi sorunu ortaya çıkar; turbo büyüdükçe bu gecikme de artar. Bu da çözüm olarak birden fazla turboşarj kullanımına yol açar (düşük devirler için küçük, yüksek devirlerde yüksek güç için büyük olan); Mercedes-Benz ya da BMW bazı motorlarında üçe kadar turbo kullanmışlardır.

Her iki sistemin avantajlarını birleştirmek için çift aşırı besleme kullanan markalar da vardır. Üstelik bu yalnızca spor modellerde değildir. Bunun en yakın örneği, Grup Volkswagen’ün birçok modeli, Volkswagen Golf dahil olmak üzere, dört silindirli popüler 1.4 motorda hem bir kompresör hem de bir turbo kullanmıştır.

Elektrifikasyonun yeni çağı, elektrikle destekli turboşarjların kapısını açtı; örneğin düşük devirlerde turbo gecikmesini azaltmak için türbini hızlandırmakla görevli elektrikli kompresörlü EPC. Son dönem Audi TDI motorlu spor modellerinde de görülen başka bir çözüm, elektrikli bir kompresörle bir turbonun birleştirilmesidir.

Aşırı beslemenin en büyük uzmanlarından BorgWarner, egzoz gazlarıyla çalışan turboya destek olmak için tam da elektrikli bir kompresör kullanan eBooster teknolojisini geliştirdi. Nasıl çalıştığını bu videoda görebilirsiniz.

https://youtu.be/iEGisoOnewg