Turboşarj Bileşenleri Nelerdir?

Turboşarj bileşenleri, üç temel öğe olarak türbin bölümü, kompresör bölümü ve yatak sisteminin (CHRA) yanı sıra atık kapakları, boşaltma valfleri ve turboşarjın emme havasını sıkıştırmasını ve motor gücünü artırmasını sağlayan muhafazalar gibi destekleyici parçaları içerir.

Üç Ana Turboşarj Bölümü

Her turboşarj sistemi üç temel gruba ayrılır. Türbin bölümü egzoz enerjisini yakalar, kompresör bölümü giriş havasını basınçlandırır ve merkez mahfazanın döner düzeneği bunları hassas bir mil ve yatak sistemi aracılığıyla birbirine bağlar.

Türbin Bölüm Mimarisi

Türbin düzeneği, egzoz gazlarından enerji elde etmek için birlikte çalışan türbin çarkı ve türbin muhafazasından oluşur. Türbin çarkı, yüksek performanslı uygulamalarda 250.000 RPM'yi aşabilen hızlarda dönerek egzoz basıncını ve ısıyı dönme kuvvetine dönüştürür. Bu tekerlek, turboşarj milinin bir ucuna monte edilir ve diğer ucunda doğrudan kompresör çarkına bağlanır.

Türbin mahfazası tasarımı performans özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Muhafaza, egzoz gazlarını spiral bir salyangoz bölmesi aracılığıyla türbin çarkına doğru yönlendirir. A/R oranı (alan bölü yarıçap) olarak ölçülen bu kıvrımın geometrisi, turbonun ne kadar hızlı tepki vereceğini ve yüksek RPM'lerde ne kadar gücü destekleyebileceğini belirler. 0,82:1 gibi daha küçük bir A/R, daha hızlı tepki sağlar ancak üst uç akışını sınırlar; 1,32:1 gibi daha büyük bir A/R, yüksek hızlarda karşı basıncı azaltır ancak gecikmeyi artırır.

Değişken geometrili turboşarjlar, salyangoz ve türbin çarkı arasında ayarlanabilir kanatlar sunar. Bu kanatlar etkin A/R oranını dinamik olarak değiştirerek turbonun tüm devir aralığı boyunca performansı optimize etmesine olanak tanır. Kanatlar, ±0,015 mm kadar sıkı toleranslarla karmaşık geometriler üretebilen ve 800 derece civarındaki sürekli sıcaklıklara dayanabilen gelişmiş Metal Enjeksiyon Kalıplama (MIM) üretim süreçleri kullanılarak üretilmektedir.

Kompresör Bölüm Bileşenleri

Kompresör grubu ortam havasını motora girmeden önce sıkıştırır. Merkezinde, dönen kütleyi düşük tutmak için genellikle alüminyum alaşımdan işlenmiş kompresör çarkı bulunur. Bu tekerlek, kompresör girişinden havayı çeker ve hava akışını kompresör muhafazasına zorlamadan önce bıçak yüzeyleri boyunca radyal olarak-90 derece döndürerek hızlandırır.

Kompresör tekerleğinin boyutu doğrudan hava akışı kapasitesini belirler. İndükleyici çapı (havanın girdiği bıçak uçlarında ölçülür) uygulamaya bağlı olarak genellikle 45 mm ila 100 mm arasında değişir. Üreticiler genellikle turboları bu ölçüme göre referans olarak kullanırlar-"88 mm'lik bir turbo"da 88 mm'lik bir kompresör tetikleyici bulunur. Daha büyük tekerlekler daha fazla havayı hareket ettirir ancak dönmek için daha fazla egzoz enerjisi gerektirir, bu da tepki ile maksimum güç arasında temel bir denge-oluşturur.

Kompresör gövdesi tekerlekten çıkan basınçlı havayı toplar ve motor girişine doğru yönlendirir. Muhafazanın içindeki bir difüzör bölümü yüksek-hızlı havayı yavaşlatır ve kinetik enerjiyi ölçtüğümüz statik basınca-dönüştürür. Kompresör muhafazası ayrıca kompresör verimliliğini ve dalgalanma özelliklerini etkileyen kendi A/R oranına sahiptir.

Merkez Muhafaza Döner Grubu (CHRA)

CHRA, herhangi bir turboşarjın mekanik çekirdeğini oluşturur. Bu düzenek, merkez mahfazanın kendisini, her iki tekerleği birbirine bağlayan türbin milini ve mili destekleyen yatak sistemini içerir. Merkez mahfaza tipik olarak yağ ve soğutucu akışı için entegre geçişlere sahip dökme demir veya alüminyum yapı kullanır.

CHRA'nın içindeki rulman sistemi zorlu çalışma koşullarını yönetir. Şaft, 230.000 RPM'ye ulaşan hızlarda dönerken, soğuk başlatma sırasında türbin ucunda 800 dereceye yaklaşan sıcaklıklarda ve kompresör tarafında-sıfırın altındaki sıcaklıklarda çalışır. Bu rulmanlar hem radyal hem de eksenel yönlerde şaft hareketini hassas bir şekilde kontrol ederken sürtünmeyi en aza indirmelidir.

Modern turboşarjlarda iki yatak teknolojisi hakimdir. Kaymalı yataklar, şaftı metal-metale-temas olmadan asmak için hidrodinamik bir yağ filmi kullanır. Şaft, kelimenin tam anlamıyla, yatak boşlukları içindeki basınçlı motor yağı üzerinde yüzer. Bu tam-yüzer tasarım mükemmel sönümleme sağlar ancak daha yüksek yağ akışı gerektirir ve daha fazla sürtünme yaratır. Bilyalı rulman sistemleri kaymalı rulmanları, kaymalı rulmanlara kıyasla sürtünmeyi yaklaşık %50 azaltan eğik bilyalı rulmanlarla değiştirir. Bu azalma, bilyalı rulmanlı turboların %15 daha hızlı sarılmasını sağlayarak turbo gecikmesini önemli ölçüde azaltır.

CHRA ayrıca kritik sızdırmazlık bileşenlerini de içerir. Merkez muhafazanın her iki ucundaki piston segmanı-tipi contalar, emme havası ve egzoz gazlarının yağla doldurulmuş-yatak boşluğuna girmesini önler. Bu contalar zorlu bir görevle karşı karşıyadır: Şaft hareketine uyum sağlarken ve ultra-yüksek dönüş hızlarında aşırı sürtünmeyi önlerken, takviye basıncı altındaki gazlara karşı etkili bir şekilde sızdırmazlık sağlamalıdırlar.

Temel Destek Bileşenleri

Üç ana bölümün ötesinde, çok sayıda yardımcı bileşen turboşarjın çalışmasını düzenler ve aşırı koşullar altında hasarı önler.

Atık Kapı Sistemleri

Atık kapakları, türbin çarkının etrafındaki egzoz gazını atlayarak maksimum takviye basıncını kontrol eder. Bu kontrol olmadan, turbo, takviye basıncı güvenli motor sınırlarını aşıncaya veya bir şey felaketle sonuçlanıncaya kadar hızlanmaya devam edecekti.

Dahili atık kapakları doğrudan türbin muhafazasına entegre olur. Bir "kanatlık" valfına bağlı bir pnömatik aktüatör, takviye basıncı hedef seviyeye ulaştığında bir bypass geçişini açarak egzoz akışını türbin çarkından uzaklaştırır. Bu konfigürasyon sistemi kompakt tutar ve tesisat karmaşıklığını azaltır. Fabrikada turboşarjlı araçların %70'inden fazlası, paketleme avantajları ve maliyet-etkinliği nedeniyle dahili atık kapakları kullanıyor.

Harici atık kapakları egzoz manifolduna veya başlığına ayrı olarak monte edilir. Bu üniteler, özellikle 600 tekerlek beygir gücünü aşan yüksek-güçlü uygulamalarda üstün akış kapasitesi ve performans sunar. Baypas edilen egzoz, türbinin aşağı akışındaki egzoz sistemine geri yönlendirilebilir veya yarış uygulamalarında doğrudan atmosfere havalandırılabilir. Harici atık kapakları daha hassas yükseltme kontrolü sağlar ancak kurulum karmaşıklığını ve maliyetini artırır.

Kompresör Bypass Vanaları

Kompresör baypas valfleri-genel olarak boşaltma-valfleri veya devridaim valfleri-olarak adlandırılır, gaz kelebeği aniden kapandığında kompresörün dalgalanmasını önler. Yüksek-yükseltme işlemi sırasında, gaz kelebeği kanadının kapanması, basınçlı havayı kompresör çarkından geriye doğru zorlayan bir basınç artışı yaratır. Bu ters akış, kompresörün durmasına ve dalgalanmasına neden olarak belirgin bir dalgalanma sesi çıkarır ve baskı yatağını yıkıcı yüklere maruz bırakır.

Baypas valfi, kompresör çıkışı ile gaz kelebeği gövdesi arasına monte edilir. Gaz kelebeği kapanmasını tespit etmek için yay kuvveti ve basınç sinyallerinin bir kombinasyonunu kullanır, ardından sıkışan takviye basıncını havalandırmak veya yeniden sirküle etmek için açılır. Atmosferik üfleme valfleri, karakteristik "vızıltı" sesiyle atmosfere hava verirken, devridaim valfleri, kütle hava akışı sensörlerine sahip araçlarda uygun hava-yakıt oranlarını korumak için havayı kompresör girişine geri yönlendirir.

Ara Soğutucu Entegrasyonu

Sıkıştırılmış hava, basınç ve sıcaklık arasındaki termodinamik ilişki yoluyla ısı üretir. Her 20 psi'lik takviye için, basınçlı hava sıcaklıkları motora girmeden önce 300 derece F'yi aşabilir. Bu sıcak hava yoğunluğu azaltır ve patlamayı teşvik ederek gücü ve güvenilirliği sınırlandırır.

Ara soğutucular (daha doğru bir şekilde şarj havası soğutucuları olarak adlandırılır), basınçlı havayı emme manifolduna girmeden önce soğutarak bu sorunu çözer. Havadan{1}}havaya{-ara soğutucular ortamdaki hava akışını kullanırken, havadan-suya-su tasarımları soğutma sıvısını bir ısı eşanjörü aracılığıyla dolaştırır. Etkili ara soğutma, emme havası sıcaklığını 150-200 derece F kadar azaltabilir, hava yoğunluğunu %15-25 artırabilir ve güç çıkışını ve motor güvenliğini önemli ölçüde artırabilir.

Turboşarj Üretiminde İleri Üretim

Modern turboşarj bileşenleri, son derece hassas ve egzotik malzemeler gerektirir. Değişken geometrili kanatlar, 800 derecede aşındırıcı egzoz gazlarına maruz kalırken kanat profili profillerini ±0,015 mm dahilinde tutmalıdır. Geleneksel işleme ve döküm yöntemleri, yıllık 100.000 adedi aşan üretim hacimlerinde bu gereksinimleri ekonomik olarak karşılamakta zorlanmaktadır.

Metal Enjeksiyon Kalıplama, turboşarj bileşeni üretiminde devrim yarattı. MIM, beş-eksenli işleme gerektiren veya geleneksel basınçlı dökümle imkansız olan karmaşık metal parçalar üretmek için toz metalurjisini plastik enjeksiyon kalıplama teknikleriyle birleştirir. İşlem, ince metal tozunu termoplastik bağlayıcılarla karıştırır, karışımı hassas kalıplara enjekte eder, bağlayıcıyı ayrıştırma yoluyla çıkarır ve ardından nihai özellikleri elde etmek için parçayı yüksek sıcaklıkta sinterler.

MIM, turboşarj uygulamaları için Inconel 713 ve 718 gibi olağanüstü yüksek-sıcaklık dayanımı ve oksidasyon direnci sunan süper alaşımlardan bileşenlerin üretilmesine olanak tanır. Yılda 180 milyondan fazla turboşarj kanadı üretiliyor.mim imalatüreticiler hassas döküme kıyasla %20 maliyet tasarrufu bildiriyor. Teknoloji aynı zamanda entegre kanat geometrilerine sahip türbin çarkları, karmaşık kavisli yüzeylere sahip kompresör çarkları ve daha önce üretimi pratik olmayan hassas sızdırmazlık yüzeylerine sahip atık kapağı bileşenleri de üretiyor.

Bileşenler Arasında Malzeme Seçimi

Bileşen malzemeleri, her parçanın hayatta kalması gereken zorlu çalışma ortamını yansıtır. Türbin çarkları genellikle Inconel alaşımlarını veya gücü 700 derecenin üzerinde koruyan diğer nikel-bazlı süper alaşımları kullanır. Bazı yüksek-performans uygulamalarında, daha düşük yoğunluk sayesinde dönme ataletini %30 oranında azaltan ve daha hızlı sarmayı mümkün kılan seramik türbin çarkları kullanılır, ancak seramik çarklar, metal alternatiflerinin darbe direncine sahip değildir.

Kompresör çarkları, nispeten serin kompresör ortamı için mükemmel güç-ağırlık oranları sunan, özellikle 2000 veya 6000-serisi alüminyum alaşımlarını tercih eder. Yüksek-performanslı uygulamalarda döküm tekerlekler yerine giderek daha fazla kütük ile işlenmiş kompresör tekerlekleri kullanılıyor. Kütük çarklar üstün bıçak aerodinamiği ve gücü sağlar ancak kapsamlı CNC işleme süresi gerektirir.

Merkez muhafazalar sıcaklık spektrumunun her iki tarafına da dayanmalıdır. Dökme demir, termal stabilitesi, düşük maliyeti ve yeterli mukavemeti nedeniyle popülerliğini koruyor. Su-soğutmalı uygulamalarda üstün ısı transfer özellikleri nedeniyle sıklıkla alüminyum kullanılır, ancak alüminyum, dökme demirin mukavemetine uyum sağlamak için daha kalın duvar bölümleri gerektirir.

Rulman malzemeleri, kaymalı yataklar için bronz-bazlı alaşımlar ve bilyalı yataklar için seramik veya çelik olmak üzere ikiye ayrılır. Yüksek-performanslı bilyalı rulman kartuşları, çelikten %60 daha hafif olan ve aynı zamanda daha yüksek sıcaklık kapasitesi ve üstün aşınma direnci sunan seramik bilyaları (tipik olarak silikon nitrür) giderek daha fazla kullanmaktadır.

Petrol ve Su Tesisat Sistemleri

Turboşarj, yatakların yağlanması ve ısının uzaklaştırılması için motor yağına bağımlıdır. Yağ, merkez muhafazanın yağ girişinden girer, yatakları yağlamak ve soğutmak için yatak boşluğundan akar, ardından yağ dönüş hattı yoluyla yağ karterine geri akar. Bu sistem benzersiz zorluklarla karşı karşıyadır:-turbo dönmeye başladığında yağın, çalışmaya başladıktan birkaç saniye sonra yataklara ulaşması gerekir, ancak sürekli yüksek yükte çalışma sırasında yatak boşluğundaki yağ sıcaklıkları 300 derece F'yi aşabilir-.

Bilyalı rulmanlı turbolar, kaymalı rulman tasarımlarına göre çok daha az yağ akışı gerektirir;{0}genellikle %50 daha azdır. Bu azaltılmış akış gereksinimi, motor yağı basıncı 60 psi'yi aştığında aşırı basınçtan kaynaklanan yatak hasarını önlemek için yağ giriş kısıtlayıcılarını gerekli kılar. Yağ tahliye hattı, drenajı engelleyecek ve yatak boşluğunun taşmasına neden olacak yatay yollar veya yokuş yukarı bölümler olmadan yerçekimi beslemesini korumalıdır.

Su soğutma, motor kapatıldıktan sonra türbin muhafazasındaki ısının merkez muhafazaya geçtiği bir olay olan ısı emme-geri sorununu giderir. Soğutma sıvısı sirkülasyonu olmadığında, yataklarda kalan yağ, koklaşma sıcaklıklarına (400 derece F'nin üzerinde) ulaşarak, arkasında yatak aşınmasını hızlandıran sert karbon birikintileri bırakabilir. Su-soğutmalı merkez kovanlar, motor soğutma sıvısını termal bir kütle olarak kullanır ve kapanmadan sonra bile termal sifon etkisi yoluyla ısıyı emmeye devam eder ve yatak boşluğu sıcaklıklarını yağın koklaşma eşiğinin altında tutar.

Ortak Performans Yapılandırmaları

Turboşarj seçimi, kompresör ve türbin boyutlarının motor hacmine, amaçlanan devir aralığına ve hedef güç düzeyine uygun hale getirilmesini içerir. 400 beygir gücü hedefleyen 2,0 L'lik dört-silindirli bir turbo, 1000 beygir gücü peşinde koşan 5,0 L'lik bir V8'den çok farklı bir turbo boyutu gerektirir.

Temel prensip sabit kalır: Motor gücü, hava ve yakıt akışıyla orantılıdır. Doğal emişli bir motor, atmosferik basınçta (deniz seviyesinde yaklaşık 14,7 psi) ortam havasını çeker. 20 psi takviye basıncına (34,7 psi mutlak) sahip turboşarjlı bir motor, hava kütlesinin iki katından fazlasını aynı deplasmana akıtarak orantılı olarak daha fazla yakıt yakımı ve güç üretimi sağlar.

İkiz-turbo yapılandırmaları, tek bir büyük turbo kullanmak yerine egzoz akışını iki küçük turbo arasında bölüştürür. Tek bir turbo mahfazası içindeki çift kaydırmalı tasarımlar, paraziti en aza indirmek ve türbin verimliliğini artırmak için egzoz darbelerini eşleştirilmiş silindirlerden ayırır. Sıralı ikiz-turbo sistemleri, düşük-RPM tepkisi için küçük bir turbo kullanır ve maksimum güç için daha yüksek RPM'lerde daha büyük bir turbo ekler. Her yapılandırma, yanıt, en yüksek güç, paketleme karmaşıklığı ve maliyet arasında-dengeler sunar.

Bakım ve Yaygın Arıza Modları

Turboşarjın ömrü öncelikle yağın kalitesine ve temizliğine bağlıdır. Kirlenmiş yağ veya yağ eksikliği, çalışma hızlarında saniyeler içinde rulman hasarına neden olur. Önerilen bakım aralıkları, CHRA'nın 100.000 ila 150.000 mil arasında yeniden inşa edilmesini veya değiştirilmesini önerir; ancak uygun bakım, servis ömrünü önemli ölçüde uzatabilir.

Kritik bakım uygulamaları arasında, yağın yataklara ulaştığından emin olmak için sürüşten önce 30-60 saniye rölantide bırakılması, sert sürüşten sonra sıcaklıkların dengelenmesine izin vermek için kapatmadan önce 1-2 dakika rölantide tutulması ve üreticinin belirlediği yağ değiştirme aralıklarının kullanılması yer alır. Hava filtresinin durumu kompresör çarkının ömrünü doğrudan etkiler; kompresöre giren pislikler bıçak aşınmasına ve dengesizliğe neden olur.

CHRA dengeleme, turbo yeniden inşasının en kritik yönünü temsil eder. 200.000 RPM'yi aşan dönüş hızlarında mikroskobik dengesizlikler bile yıkıcı titreşimler yaratır. Doğru dengeleme, terazi özelliklerinin bir onsun -yüzde biri kadar tutulduğu özel ekipman ve prosedürler gerektirir. Yanlış dengelenmiş CHRA'lar, yağ filmini parçalayan aşırı titreşimin neden olduğu yatak hasarı nedeniyle-bazen birkaç gün içinde-hızlı bir şekilde arızalanır.

Sıkça Sorulan Sorular

Turboşarjdaki CHRA nedir?

CHRA (Merkez Muhafaza Döner Düzeneği), merkez mahfazayı, mili, her iki tekerleği (türbin ve kompresör) ve yatak sistemini içeren çekirdek düzeneğidir. Turboşarjın dönen kalbini oluşturur ve aşırı dönme hızlarında güvenilir şekilde çalışması için hassas dengeleme gerektirir.

Turboşarj bileşenleri ne kadar ısınır?

Türbin-yan bileşenleri çalışma sırasında düzenli olarak 800-1000 dereceye (1470-1830 derece F) ulaşır. Kompresör tarafı çok daha soğuk çalışır, ancak basınçlı hava sıcaklıkları ara soğutmadan önce genellikle 150 dereceyi (300 derece F) aşar. Merkez muhafaza sıcaklıkları, soğuk başlatma sırasında sıfırın altından, sürekli yüksek yükte çalışmanın ardından 400 derecenin üzerine kadar değişir.

Turbo gecikmesine ne sebep olur?

Turbo gecikmesi, egzoz gazı akışının turboşarjın dönen tertibatını takviye basıncının oluştuğu hızlara hızlandırması için gereken süreden kaynaklanır. Daha büyük dönme ataletine sahip daha büyük turbolar daha fazla gecikme sergiler. Bilyalı rulman sistemleri, daha küçük türbin çarkları ve çift-kaydırma tasarımlarının tümü, geleneksel yapılandırmalarla karşılaştırıldığında gecikmeyi azaltır.

Bireysel turbo bileşenlerini değiştirebilir misiniz?

Ana mahfazalar ve tekerlekler ayrı ayrı değiştirilebilir, ancak CHRA'nın tamamının genellikle uyumlu, dengeli bir montaj olarak değiştirilmesi veya yeniden inşa edilmesi gerekir. Farklı üreticilerin bileşenlerinin karıştırılması veya aşınmış rulmanların yeniden kullanılmaya çalışılması sıklıkla denge sorunlarına ve erken arızalara yol açar.

Turboşarj Teknolojisinin Gelişimi

Turboşarj geliştirme, malzemeleri, üretim süreçlerini ve kontrol sistemlerini geliştirmeye devam ediyor. Elektrikli turboşarjlar, gecikmeyi tamamen ortadan kaldırmak için motor-tahrikli kompresörler ekler, ancak maliyet ve karmaşıklık şu anda üst düzey uygulamalara benimsenmeyi sınırlandırmaktadır. Bir zamanlar dizel uygulamalarıyla sınırlı olan değişken geometrili sistemler, malzeme ve kontrol algoritmaları geliştikçe artık benzinli motorlarda da görülüyor.

Eklemeli üretim, geleneksel yöntemlerle imkansız olan optimize edilmiş türbin ve kompresör geometrilerinin üretilmesi konusunda umut vaat ediyor. Teknoloji, gücü korurken ağırlığı azaltan, topoloji-optimize edilmiş tasarımlara olanak tanır, ancak üretim maliyetleri kitlesel-pazar uygulamaları için çok yüksek kalır.

Elektrikli güç aktarma organlarına geçiş, binek araçlara yönelik turboşarj talebini azaltırken, hidrojen yanması ve yakıt hücresi uygulamalarındaki fırsatları genişletiyor. Ağır hizmet ticari araçları, deniz motorları ve endüstriyel enerji üretimi, turboşarjlı içten yanmalı motorlara ihtiyaç duymaya devam ediyor ve bu da özel uygulamalarda turboşarj bileşenlerine yönelik talebin sürekliliğini sağlıyor.