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 .
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
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 .
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.
Aşırı Doldurma Sistemlerinin Sınıflandırılması
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.
Aşırı Doldurmada Kullanılan Kompresörler
1. Pistonlu Tip Kompresörler
Motor pistonun alt yüzünden yararlanılarak çalışan veya öteleme hareketi yapan pistonlu tip olarak yapılırlar. 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.
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. 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.
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. 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
4. Vida Tip Kompresörler
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
5. Santrifüj Kompresörler
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
