Mesin Turbo Dijelaskan: Fakta Utama & Inovasi

Apakah Anda pernah mendengar tentang perangkat input daya tinggi dalam mesin pembakaran dalam, baik, rahasianya adalah turbocharger. Ini juga dikenal sebagai turbo yang ditemukan pada awal abad ke-20 oleh seorang insinyur di Swiss land, Alfred Buchi. Dia memperkenalkan prototipe untuk meningkatkan daya mesin diesel.

Hari ini, turbocharging telah menjadi perangkat standar untuk sebagian besar mesin bensin dan diesel. Penelitian masih berlangsung untuk cara meningkatkan desain turbocharger untuk performa yang lebih baik dengan biaya produksi yang lebih rendah. Meskipun stres yang diinduksi getaran dan performa bearing adalah faktor kegagalan utama. Karena alasan ini, analisis rotodinamik harus menjadi bagian penting dari proses desain turbocharger, baik, mungkin!

Dalam mesin otomotif, daya dihasilkan di ruang bakar dengan campuran bahan bakar/udara masuk, benar! Setelah kompresi, melepaskan campuran sebagai gas buang yang menjadi produk limbah dan bahkan menyebabkan polusi ke atmosfer. Tetapi alih-alih membuang gas buang yang tidak berguna, turbocharger menggunakannya untuk membuat mesin berjalan lebih cepat. Biarkan saya jelaskan.

Definisi Turbocharger

Turbocharger adalah perangkat penginduksi paksaan yang didorong turbin yang meningkatkan efisiensi dan keluaran daya mesin pembakaran dalam dengan memaksa udara terkompresi tambahan ke ruang bakar. Induksi udara panas ini tampaknya bekerja karena kompresor dapat memaksa lebih banyak udara dan proporsional lebih banyak bahan bakar ke ruang bakar daripada tekanan atmosfer normal.

Turbocharger adalah perangkat yang dipasang pada mesin kendaraan untuk meningkatkan efisiensi keseluruhan dan meningkatkan performa mesin. Turbocharger awalnya dikenal sebagai turbosuperchargers karena semua perangkat penginduksi paksaan diklasifikasikan sebagai superchargers. Supercharger adalah istilah yang diberikan pada perangkat penginduksi paksaan yang didorong secara mekanis.

Perbedaan antara turbocharger dan supercharger konvensional adalah turbocharger didorong oleh turbin yang didorong oleh gas buang mesin. Sedangkan, supercharger didorong secara mekanis oleh crankshaft mesin, sering dihubungkan dengan sabuk. Namun, turbocharger lebih efisien tetapi kurang responsif. Istilah Twin-changer merujuk pada mesin dengan turbocharger dan supercharger.

Sejarah

Sejarah singkat turbocharger, kredit diberikan kepada pendiri Alfred J Buchi (1879 – 1932) yang bekerja di bengkel insinyur otomotif oleh Gebruder Sulzer Engine Company di Winterthur, Swiss. Proyek ini dikembangkan satu tahun sebelum Perang Dunia I pertama yang dipatenkan di Jerman pada tahun 1905. Dia melanjutkan pengembangan proyek sampai kematiannya setelah empat dekade.

Beberapa insinyur lain juga layak untuk dikreditkan pada proyek turbocharger. Beberapa tahun sebelumnya, Sir Dugald Clark (1854 – 1932) adalah pengembang asal Skotlandia dari mesin dua-stroke. Dia bereksperimen dengan memisahkan tahap kompresi dan ekspansi pembakaran dalam menggunakan dua silinder terpisah.

Eksperimennya bekerja seperti supercharging, meningkatkan arus udara ke dalam silinder dan jumlah bahan bakar yang dapat dibakar. Insinyur lain seperti Louis Renault, Gottlieb Daimler, dan Lee Chadwick, juga terlibat dalam sistem supercharging.

Fungsi Turbocharger

Fungsi utama turbocharger adalah meningkatkan efisiensi kerja mesin otomotif. Berikut adalah tujuan mengapa turbo akan selalu ada meski beberapa keterbatasannya:

• Extra oomph disediakan, tanpa meningkatkan kapasitas mesin.
• Membuat mesin berjalan lebih cepat tanpa peningkatan laju pembakaran bahan bakar.
• Menggunakan carbon II oxide (gas buang) alih-alih menyebabkan polusi.

Aplikasi Turbocharger

Turbocharger umumnya digunakan dalam mesin otomotif seperti truk, mobil, kereta api, pesawat, dan peralatan konstruksi. Rilis modern mesin pembakaran dalam Otto cycle dan diesel cycle menampilkan turbocharger.

Biarkan kita menyelami untuk menjelaskan beberapa aplikasi turbocharger:

Mobil bensin dan diesel: Seperti yang disebutkan sebelumnya mobil turbo adalah umum untuk mobil bensin dan diesel untuk meningkatkan keluaran daya untuk kapasitas tertentu. Ini juga meningkatkan efisiensi bahan bakar, memungkinkan mesin dengan displacer lebih kecil. Mesin ini kehilangan berat sekitar 10% dan menghemat hingga 30% konsumsi bahan bakar dan masih menyampaikan daya kuda puncak yang sama.

Mobil penumpang turbo pertama adalah Oldsmobile Jetfire option. Ini menggunakan komponen pada V8 aluminium 215 cu in dan produk Chevrolet yang disebut corvairs. Awalnya disebut Monza Spyder cooled flat six-cylinder engine.

Mobil diesel sangat bergantung pada turbocharger sejak penggunaan efisiensi yang ditingkatkan, pengemudi, dan performa mesin diesel. Ini diproduksi pada mobil penumpang Garrett-turbocharged Mercedes yang diperkenalkan pada tahun 1978.

Truk: Untuk manfaat yang sama, mesin diesel truk telah menampilkan turbocharging sejak 1938.

Pesawat: Selama bertahun-tahun efek turbocharger juga meningkatkan efisiensi pesawat.

Sepeda motor: Perusahaan Jepang sebagian besar memproduksi sepeda motor berkinerja tinggi yang menampilkan turbo sejak awal 1980-an. Meskipun hanya sedikit sepeda motor turbo yang ada, ini karena banyaknya displacer besar. Mesin naturally aspirated yang tersedia menawarkan manfaat torsi dan daya mesin displacer kecil dengan turbo tetapi kembali ke karakteristik daya yang lebih linier.

Bagian Turbocharger

Berikut adalah bagian-bagian utama turbocharger dan fungsinya:

• Cartridges (turbocharger core yang terpadu dan seimbang)
• Vacuum actuators dan pneumatic actuators
• Electronic actuators (electric servo drives)
• Compressor housings (peridalan bagian dingin turbocharger)
• Turbocharger repair kits (kit bagian cadangan untuk perbaikan kecil cepat)
• Compressor wheels (roda kompresor turbocharger)
• Shaft and wheels (poros turbocharger dengan roda turbin, rotor turbin)
• Nozzle Ring Housings (peridalan elemen kontrol geometri VNT)
• Bearing Housings (peridalan cartridge, peridalan turbo core)
• Backplates (papan turbo core dari sisi kompresor)
• VNT Nozzle Rings (Cangkir dengan nozel untuk turbo VNT, node kontrol geometri VNT)
• Heat shields (pelindung panas turbo core)
• Gasket kits (kit pelengkap turbo)
• Actuator sensors (sensor tekanan, sensor posisi)
• VNT Gaskets (pelengkap internal untuk turbo VNT)
• Turbine housings (peridalan bagian panas turbocharger)
• Electronic actuator parts (motor listrik, poros, gigi dari servo drive turbocharger)

Tipe Turbocharger

Berikut adalah berbagai tipe turbocharger yang ada:

Single turbo:

Turbo tunggal adalah tipe turbocharger paling sederhana, umum, dan murah yang ada. Ia memiliki variabilitas tak terbatas dan sebagai turbo yang lebih kecil, memberikan daya rendah yang lebih baik karena spool lebih cepat. Turbo tunggal memiliki ball bearing dan journal bearing yang memberikan gesekan lebih sedikit untuk kompresor dan turbin untuk berputar.

Manfaat turbo tunggal adalah mesin kecil juga diizinkan memiliki turbo, biaya efektif juga dipertimbangkan, kesederhanaan dan lebih mudah dipasang. Ini juga meningkatkan efisiensi mesin.

Beberapa keterbatasan masih terjadi meski keuntungannya termasuk memiliki rentang rpm efektif yang cukup sempit. Single turbo membuat sizing menjadi masalah karena seseorang harus memilih antara daya tinggi yang lebih baik atau torsi rendah yang bagus. Akhirnya, respons mungkin lebih lambat dibandingkan tipe turbo lainnya.

Twin Turbos:

Twin-turbo adalah opsi lain yang memungkinkan satu turbocharger untuk setiap bank silinder (v8, v12, dll.). Alternatifnya, satu turbocharger dapat digunakan untuk rpm rendah dan bypass ke turbo yang lebih besar untuk rpm tinggi. Dua turbo ukuran serupa di mana satu digunakan pada rpm rendah dan keduanya digunakan pada rpm yang lebih tinggi (14, 16). BMW x5 M dan x6 M menggunakan twin-scroll turbos, satu di setiap sisi v8.

Manfaat twin-turbo ketika sequential atau pada turbo pada rpm rendah dan keduanya pada rpm tinggi. Ini memungkinkan kurva torsi yang lebih lebar dan lebih datar, torsi rendah yang lebih baik, tetapi daya tidak akan menurun pada rpm tinggi seperti turbo tunggal. Keterbatasan turbo ini termasuk biaya dan kompleksitas, karena komponen hampir doubled. Dan, ada alternatif lain untuk mencapai hasil yang sama yang lebih ringan.

Twin-Scroll Turbo:

Dalam hampir semua cara, twin-scroll turbo lebih baik dari pada single-scroll turbo karena saat menggunakan dua scroll, gas buang dibagi. Sebagai contoh, pada mesin empat silinder dengan urutan pembakaran 1 3 4 2, silinder 1 dan 4 dapat diarahkan ke satu scroll turbo. Sedangkan silinder 2 dan 3 diarahkan ke scroll terpisah. Tujuan dari jenis turbo ini adalah terdapat overlap di silinder. Katakanlah silinder menyelesaikan stroke dayanya saat piston mencapai bottom dead centre, dan katup buang akan terbuka. Selama waktu ini, silinder dua menyelesaikan stroke buang dengan menutup katup dan membuka katup masuk.

Manifold single-scroll turbo tradisional cukup berbeda, tekanan gas buang dari silinder satu akan mengganggu silinder dua menarik udara segar karena kedua katup buang sementara terbuka. Ini mengurangi berapa banyak tekanan yang mencapai turbo dan mengganggu berapa banyak udara yang ditarik silinder kedua.

Keuntungan turbo ini adalah lebih banyak energi dikirim ke turbin buang dan rentang rpm yang lebih luas dari boost efektif tercapai. Ini karena desain scroll yang berbeda. Dasarnya, ada lebih banyak valve overlap tanpa menghambat scavenging gas buang, yang mengarah pada lebih banyak fleksibilitas tuning.

Keterbatasan adalah biaya dan kompleksitas tinggi dibandingkan turbo tunggal dan memerlukan tata letak mesin dan desain gas buang yang spesifik.

Variable Geometry Turbocharger (VGT):

Tipe variabel geometri turbo umum pada mesin diesel dan terbatas dalam produksi. Ini karena biaya dan persyaratan bahan exotis. Vanes internal dalam turbo mengubah rasio area-to-radius A/R untuk sesuai dengan rpm. Artinya, pada rpm rendah, rasio A/R rendah digunakan untuk meningkatkan kecepatan gas buang dan segera memutar turbo. Jika rev meningkat, rasio A/R bertambah untuk meningkatkan aliran udara yang menghasilkan turbo lag rendah. Ini juga menghasilkan boost threshold rendah dan kurva torsi yang lebar dan halus.

Manfaat tipe turbo ini adalah kurva torsi yang lebar dan datar dihasilkan. Yang efektif pada rentang rpm yang sangat luas. Ini memerlukan satu turbo, menyederhanakan pengaturan turbo sequential menjadi sesuatu yang lebih kompak. Keterbatasannya adalah hanya digunakan dalam aplikasi diesel di mana gas buang lebih rendah sehingga vanes tidak akan dihancurkan oleh panas. Menggunakan turbo pada mesin bensin, logam exotis mahal akan digunakan untuk menjaga keandalan.

Variable Twin-Scroll Turbocharger:

Twin-scroll turbo variabel jauh lebih murah dari pada VGT, menjadikannya pilihan yang lebih disukai untuk turbo bensin. Ini menggabungkan VGT dengan pengaturan twin-scroll, jadi, pada revolusi rendah, salah satu scroll sepenuhnya tertutup memaksa semua udara ke scroll lain. Seperti kecepatan mesin meningkat, klep membuka untuk memungkinkan udara ke scroll lain dan performa tinggi yang baik didapatkan.

Keuntungan turbo ini adalah memungkinkan kurva torsi yang lebar dan datar dan lebih tangguh dalam desain daripada VGT. Biaya dan kompleksitas juga keterbatasannya dan teknologi tidak diinginkan sebelumnya.

Electric Turbochargers:

Dengan aplikasi motor listrik dalam turbocharger, meningkatkan fitur dan memberikan boost segera ke mesin. Torsi rendah mudah dihasilkan, lag dihilangkan. Turbo ini adalah terbaik dari semua, mungkin versi baru akan menurunkannya.

Manfaatnya adalah rentang rpm efektif yang lebih luas dengan torsi merata dihasilkan. Energi yang sia-sia dipulihkan karena motor listrik terhubung langsung ke turbin buang. Dan seperti disebutkan sebelumnya turbo lag dan gas buang yang tidak mencukupi dapat secara virtual dihilangkan dengan memutar kompresor dengan daya listrik saat diperlukan.

Kompleksitas dan biaya adalah salah satu kerugian turbo karena akun motor listrik sekarang termasuk. Kemasan dan berat juga masalah, terutama dengan penambahan baterapan di kapal, yang menyuplai daya yang cukup ke turbo saat diperlukan. Manfaat serupa dapat diperoleh dari tipe lain seperti VGT atau twin-scrolls.

Prinsip Kerja

Memiliki pengetahuan dasar tentang bagaimana mesin jet bekerja, memahami mobil dengan turbocharger akan jauh lebih mudah. Biarkan saya jelaskan, mesin jet menarik udara segar di depan, dan menggunakannya di ruang bakar untuk dicampur dan dibakar dengan bahan bakar. Lalu melemparkan udara panas melalui bagian belakangnya. Udara panas melintasi turbin yang terbuat dari gilingan logam kompak, yang memindahkan kompresor (pompa udara) di depan mesin. Mesin menggunakannya untuk mendorong udara ke dalam mesin agar bahan bakar terbakar dengan baik.

Proses serupa diterapkan pada turbocharger pada mesin piston mobil. Gas buang digunakan untuk menggerakkan turbin, yang memutar kompresor udara yang mendorong udara ekstra ke dalam silinder. Ini menyebabkan lebih banyak bahan bakar dibakar per detik itulah sebabnya mobil turbo dapat menghasilkan lebih banyak daya. Itu lebih banyak energi per detik.

Turbocharger terbuat dari dua bagian yang digabungkan oleh poros. Salah satu berisi turbin yang diputar oleh gas buang panas, bagian lain juga berisi turbin yang menarik udara dan mengompresnya ke dalam mesin. Kompresi ini menawarkan daya dan efisiensi tambahan ke mesin. Semakin banyak udara yang masuk ke ruang bakar, semakin banyak bahan bakar ditambahkan yang menghasilkan daya ekstra.

Perhatikan bahwa udara yang dikompresi panas yang kurang padat dan naik di atas radiator. Udara panas ini kurang efektif dalam membantu bahan bakar terbakar. Karena itulah, udara yang datang dari kompresor perlu didinginkan sebelum masuk ke silinder. Itulah sebabnya udara panas dari kompresor melewati penukar panas yang menghilangkan panas ekstra sebelum masuk ke ruang bakar.

Di mana daya ekstra berasal dari dan seberapa banyak yang bisa Anda dapatkan

Sebagian besar orang pikir mesin turbin menawarkan daya ekstra dari gas buang yang diterima, tetapi itu tidak benar. Gas buang digunakan untuk menggerakkan kompresor yang mentransfer udara ke ruang bakar memungkinkan mesin untuk membakar lebih banyak bahan bakar per detik. Daya ekstra didapatkan dari bahan bakar tambahan yang dibakar pada laju yang lebih cepat.

Jumlah daya ekstra yang diberikan turbo ditentukan oleh seberapa besar komponen. Turbo dapat ditingkatkan untuk membuat mesin lebih kuat, tergantung pada berapa banyak daya yang diinginkan. Tapi ada batas peningkatan. Silinder sangat besar sehingga dapat menerima banyak udara dan bahan bakar untuk dicampur.

Keuntungan dan Kerugian Turbocharger

Keuntungan:

Di bawah ini adalah manfaat turbo:

• Daya ekstra ditawarkan ke mesin.
• Daya gratis diberikan ke mesin menggunakan gas buang limbah. Ini tidak memerlukan daya mesin apa pun untuk menggerakkannya.
• Digunakan pada mesin diesel dan bensin.
• Meningkatkan efisiensi bahan bakar mesin.

Kerugian:

Meskipun keuntungan turbo, dua keterbatasan utama masih terjadi. Berikut adalah kerugian turbo:

Salah satu masalah besar dengan turbo dikenal sebagai turbo lag. Ini terjadi saat throttle ditekan, memakan waktu untuk mesin mempercepat. Artinya, turbo memakan waktu untuk mencerminkan kecepatan mesin.

Saat kecepatan mesin rendah, tidak ada cukup gas buang untuk memutar kompresor untuk menawarkan daya yang diperlukan. Gas buang yang diperlukan akan diciptakan setelah throttle ditekan. Efek ini dikurangi dengan downshifting ke gigi lebih rendah tetapi pengemudi ahli terkadang memperhatikan penundaan respons yang terpisah.

Keterbatasan kedua turbo tidak terjadi dalam kondisi pengemudi sehari-hari. Ini hanya terjadi saat mesin didorong ke batasnya. Panas yang dihasilkan dari gas buang, menjadi sangat panas dan menyebabkan turbo mulai bersinar merah.

Itulah sebabnya sebagian besar mobil sport turbo dirancang dengan lubang ventilasi di sisi bawah mesin. Lubang ini menjaga sirkulasi udara konstan dan mendinginkan bagian-bagian.

Kesimpulan, kami telah membuka kepadamu berbagai fungsi turbo. Salah satunya adalah untuk meningkatkan kerja dan efisiensi bahan bakar mesin. Kami juga melihat berbagai tipe turbo dan prinsip kerjanya. Keuntungan dan kerugian juga terungkap.

Saya harap pengetahuan telah tercapai, jika demikian, silakan berkomentar, berbagi dan merekomendasikan situs ini kepada siswa teknik lainnya. Terima kasih!