İÇTEN YANMALI OTOMOTİV MOTORLARININ MALZEMELERİ
(4)
TURBO, EGZOZ MANİFOLDU ve KATALİTİK KONVERTÖR
Doç. Dr. Kerem Altuğ GÜLER
Turbo
• İçten yanmalı motorlar hava yakıt karışımını patlatarak güç üretir.
• Silindir içerisine emilen havanın basıncının ve miktarının arttırılması (aşırı besleme) motor çıkış gücünü yükseltir.
• Silindir içine atmosfer basıncından daha yüksek bir basınçta hava doldurulmasını sağlayan temelde iki mekanizma geliştirilmiştir. Bunlardan birincisi olan turbo, egzoz gazı tahriki ile çalışırken ikincisi olan kompresör (supercharger) gücünü krank milinden almaktadır.
• Bir turbo, motor çıkış gücünü % 40’a kadar
arttırmaktadır.
• Turbo esasen bir hava pompasıdır. Birbirine
merkezlerinden bir mil ile bağlı iki pervaneden ve bunların muhafazalarından oluşmaktadır.
• Pervanelerin türbin olarak adlandırılanı egzoz sistemine bağlıdır ve silindirden atılan yanma ürünü gazlar bunu döndürmektedir.
• Diğer pervane hava emiş kanalı üzerindedir ve
kompresör olarak adlandırılmaktadır. Kompresör
türbinden gelen dönme hareketiyle emilen havayı
sıkıştırarak basıncını yükseltir.
• Tipik bir turbo dakikada ortalama 200.000 devir dönmektedir.
• Sıkışan hava ısınır ve ısınan hava da silindirde
erken patlamaya ve güç kaybına neden olabilir. Bu nedenle turboda sıkıştırılan hava bir ara
soğutucudan (intercooler) geçtikten sonra silindire gönderilir.
• Gerek türbin gerekse kompresör ve bunların
muhafazaları bir arada bulunsalar bile çalışma
sıcaklıkları birbirlerinden çok farklıdır. O nedenle
farklı malzemelerden imal edilmektedirler.
• Ni esaslı süper alaşımlardan Inconel 713C turbo türbini üretiminde en çok kullanılan malzemedir. Üretimler genelde hassas dökümle
yapılmaktadır.
• Yüksek demir içeriği ile maliyeti düşüren GMR235 alaşımı da ayrıca türbin üretiminde kullanılmaktadır.
• Mar-M247 alaşımı ise çok daha yüksek sıcaklıklar için tercih edilmektedir.
• Piyasaya sunulan bir diğer alternatif ise hassas dökümle üretilen
intermetalik TiAl alaşımlarıdır. TiAl alaşımlarının akışkanlığı düşüktür ve genelde dökümler vakum merkezkaç desteği ile yapılmaktadır
• Bu alaşımların yoğunluğu 3,9 g/cm3 ile saf titanyumdan daha
düşüktür ve 700 °C’de 600 MPa gibi kayda değer bir yüksek sıcaklık çekme dayanımına sahiptir.
• Düşük ağırlık türbin için de gereklidir. Ağırlık ne kadar azalırsa eylemsizlik momenti o kadar azalır ve dönüş hızı yükselir.
• Kompresörde yüksek ısı direncine ihtiyaç yoktur o nedenle genellikle C355 alüminyum döküm alaşımından
üretilmektedir.
• Dökümle üretilmiş Ti-6Al-4V turbo kompresörleri ağır hizmet ticari dizel motorlarda kullanılmaktadır.
• Türbin muhafazaları yüksek sıcaklıklarda oksitlenmeye ve ısıl yorulmaya karşı dirençli olmalıdır.
• Dizel motorlarda egzoz gazı sıcaklığı düşüktür o nedenle turbo türbin muhafazaları yüksek Si içeren küresel grafitli dökme demirden veya Niresist tipi dökme demirden kum kalıba döküm yoluyla üretilmektedir.
• Demir esaslı malzemelerde görülen ısıl yorulmanın en önemli sebebi çalışma sırasında ısınma ve soğuma döngüsünde ötektoid dönüşümün meydana gelmesidir. Bu dönüşüm gerinim oluşturarak yorulmaya neden olur.
• Yüksek Si içeren küresel grafitli dökme demirde Si oranı yaklaşık % 14’tür ve artan Si ötektoid dönüşüm sıcaklığını (723 °C) yukarıya doğru öteleyerek çalışma sırasında dönüşümün oluşmasını
engeller.
• Östenitik matrise sahip küresel grafitli Niresist dökme demirlerde de bu dönüşüm meydana gelmez.
• Niresist dökme demirinin dayanımı yüksek Si içerenden daha fazladır. Isıl genleşme katsayısı da yüksek olan bu dökme
demirlerin ısıl yorulma ömürleri çok yüksektir.
• Rengin kızıllaştığı kadar yüksek sıcaklıklarda bile çalışmaya çok uygundur o nedenle egzoz manifoldlarında da kullanılmaktadır.
• Benzinli motorların egzoz gaz sıcaklıkları daha
yüksektir o nedenle turbo türbin muhafazaları ferritik veya östenitik dökme çelikten üretilmektedir.
• Östenitik olan ferritikten daha güçlüdür yalnız yüksek ısıl genleşme katsayısı bir dezavantajdır.
• Bu tip kullanımlar için bir tür düşük genleşme katsayılı östenitik çelik geliştirilmiştir.
• İnce kesitli ve kusur içermeyen çelik türbin
muhafazaları hassas dökümün bir türü olan CLA
(Counter gravity-low pressure-air melt) yöntemiyle
üretilmektedir.
Egzoz Manifoldu
• Egzoz manifoldu egzoz gazlarını toplayarak egzoz borusuna ileten bir parçadır.
• 900 °C ye kadar yüksek sıcaklıklarda sürekli çalışabilmelidir.
• Çevresel ve ekonomik etmenler egzoz gaz sıcaklıklarını yükseltmiştir bu da egzoz manifoldlarının
geliştirilmesini gerekli kılmıştır.
• Egzoz manifold malzemeleri tekrarlı ısıl gerilmelerin
neden olduğu yorulmaya ve korozyona karşı yüksek
dirence sahip olmalıdır.
• Isıl gerilme plastik deformasyona neden olmaktadır bu da düşük veya orta sıcaklıklarda kırılmayla sonuçlanır.
• Bu durumu engellemek için akma dayanımı ve süneklik yükseltilmelidir.
• Oksidasyon korozyonu manifoldun et kalınlığını azaltır ve
oksit artıkları turbo türbinine veya katalitik konvertöre zarar verebilir.
• Homojen olmayan korozyon da yorulma çatlağı başlatabilir.
• Dizel motorlarda egzoz manifoldlarının korozyon direnci
özellikle önemlidir çünkü dizel motorlar doğaları gereği fakir karışımla çalışır ve egzoz gazları yüksek oranda oksitleyicidir.
• Araçlarda titreşim oluşumu kaçınılmazdır ve sistemde bir de turbo varsa egzoz manifoldu onun da ağırlığını titreşim
altında taşımak zorundadır.
• Egzoz manifoldunun karmaşık şeklini üretmek için döküm iyi bir seçenektir.
• Çalışma sıcaklığı 800 °C’a kadar olan manifoldlar yüksek Si içeren dökme demirden üretilebilir. Mo veya V ilavesi bu dökme demirlerin sıcaklık dayanımını arttırmaktadır.
• Daha yüksek sıcaklıklar için Niresist dökme demir tercih edilmektedir.
• Egzoz manifoldu imali için döküm ucuz bir yöntem olsa da iki farklı teknik daha geliştirilmiştir.
• Paslanmaz çelikten manifold üretilen bu yöntemlerin
birincisinde sacdan preslenerek şekillendirilmiş kabuklara eğilerek biçim verilmiş borular kaynaklanır. İkinci yöntemde ise hidroforming ile şekillendirme yapılmaktadır.
• Östenitik paslanmaz çelikler ferritik olanlara göre daha yüksek dayanıma sahip olsa da egzoz manifoldlarında ferritik olanlar daha yaygındır.
• Bunun nedeni ferritik olanların ısıl genleşme katsayısının düşük olması ve tekrarlı ısıl çevrimde yüzeyde oluşan oksit tabakasının ayrılmamasıdır.
• JIS-SUH409L ve JIS-SUS430J1L en çok kullanılan tiplerdir.
• Daha yüksek sıcaklık koşullarında 429Nb veya SUS444 alaşımı ön plana çıkmaktadır.
• Aynı paslanmaz çelik alaşımlarından döküm yoluyla da egzoz manifoldu üretimi yapılabilmektedir.
Katalitik Konvertör (Catalyst)
• Katalitik konvertörler araçların karayolları emisyon
kurallarına uygun olmasını sağlayan en önemli bileşendir.
• Görevleri egzoz gazı içindeki ana kirleticiler olan HC, CO ve NOx gazlarını dönüştürerek oranlarını azaltmaktır.
• Günümüzün modern araçlarının motorlarındaki elektronik kontrol ünitesi, oksijen (ya da lamda) sensörü aracılığı ile egzoz gazındaki oksijen oranını ölçerek doğru hava yakıt karışımını ayarlamaktadır.
• Oksijen sensörleri katı elektrolit olarak ZrO2 içermektedir.
• Zararlı gaz bileşenlerini azaltmanın birinci adımı doğru hava yakıt karışımını belirlemek ve sürdürmektir. İkinci adımı ise egzoz gazlarını katalitik konvertör içinden geçirerek
atmosfere salmaktır.
• Katalitik konvertörlerde
CO + HC + NOx CO2 + H2O ve N2 dönüşümü gerçekleşir.
• Bu dönüşümün gerçekleşmesini sağlayan katalizörler katalitik konvertörlerin içinde bulunmaktadır. Bilindiği gibi katalizörler reaksiyonun bir parçası olmadan kimyasal dönüşümü sağlayan elemanlardır.
• Bu katalizörler platin (Pt), paladyum (Pd) ve rodyum (Rh) kıymetli metalleridir.
• Reaksiyon yüzey alanını arttırmak için konvertörler bal peteği benzeri bir yapıda seramik veya metalden üretilmektedir.
• Kullanılan kıymetli metal miktarı toplamda 2-3 g kadardır.
• Katalitik konvertörler hafif olmalıdır, ucuza imal edilmelidir, ısı yayımları düşük olmalıdır ve uzun servis ömrüne sahip olmaları gerekmektedir.
• Katalitik konvertör içerisinde gerçekleşen reaksiyonlar ve katalizörlerin hangilerinin hangi reaksiyonlarda
etkili olduğu aşağıda görülmektedir.
• Petek yapısındaki katalitik konvertör ekstrüzyonla
seramikten veya sac şekillendirme ile paslanmaz çelikten üretilmektedir.
• Seramik tek parça (monolith) konvertörler genellikle ekstrüze edilip pişirilmiş kordiyeritten
(2MgO.2Al
2O
3.2SiO
2)’den imal edilmektedir. Kalsine mullit (3Al
2O
3.2SiO
2) petek üretiminde kullanılan bir diğer
malzemedir.
• Dizel partikül filtreleri (DPF) için daha sağlam olan SiC
kullanılmaktadır. DPF, katalitik konvertörden farklı olarak
yanma ürünü katı partikülleri (kurum) süzmek için kullanılır.
• Metal petekler çok ince oluklu çelik saclardan
üretilmektedir. Tipik bir alaşımın kompozisyonu Fe-20Cr-
5Al-0,05Ti-0,08Mn-0,02C ve N olarak verilebilir.
• Bir araya getirilen oluklu saclar vakum lehimleme ile birleştirilir. Bu işlemde dolgu metali olarak Ni-19Cr- 10Si kullanılır.
• Kıymetli metallerin katılması işleminde önce bunları içeren bir sulu çözelti hazırlanır sonra bu çözelti
peteklere emdirilir ve kurutulur.
• Petekler metal kabuk bir muhafaza içinde
bulunmaktadır ve bu muhafaza ile egzoz sistemine
monte edilmektedir. Gaz dönüşüm reaksiyonlarının
gerçekleşmesi ve verimin artması için konvertör hızlı
ısınmalıdır. O nedenle egzoz manifolduna mümkün
olduğu kadar yakın yerleştirilir.
Seramik petek yapı Metal petek yapı
Video linkleri
