Turbo

Subyek:

Operasi
Lubang turbo
turbo kembar
Tri-turbo
Turbo gulir kembar
Turbo geometri variabel
Katup pembuangan
Tempat sampah
Intercooler
Karakteristik kompresor (lonjakan & tersedak)
Kombinasi turbo dan kompresor
Turbo elektronik

Operasi:
Gas buang yang keluar dari silinder dialirkan dari exhaust manifold ke turbo. Tekanan gas buang menyebabkan roda turbin berputar (gas berwarna merah). Gas buang kemudian keluar dari turbo melalui roda turbin yang sama menuju knalpot. Roda kompresor digerakkan melalui sebuah poros (gas biru). Roda kompresor menyedot udara dari samping (tempat filter udara ditampilkan) dan menyuplainya di bawah tekanan (melalui panah biru) melalui selang turbo ke intercooler. Intercooler mendinginkan udara terkompresi (mesin bekerja lebih baik dengan udara yang lebih dingin). Udara kemudian masuk ke intake manifold.

Saat menggunakan turbo, lebih banyak udara yang masuk ke silinder selama langkah masuk dibandingkan dengan mesin yang disedot secara alami, yang hanya ditarik masuk karena piston bergerak ke bawah. Dengan menyuplai lebih banyak udara ke silinder dengan cara ini dan menambahkan lebih banyak bahan bakar, daya yang lebih tinggi akan tersedia.

Tekanan turbo diukur dengan sensor tekanan pengisian. Tekanan turbo diatur berdasarkan sinyal yang dikirimkan sensor ini ke ECU.

Turbo dipasang sedekat mungkin setelah exhaust manifold. Terkadang manifold dan turbo didesain menjadi satu kesatuan. Turbo harus dipasang sedekat mungkin dengan kepala silinder, karena kecepatan gas buang berkurang sesedikit mungkin dan tekanan yang hilang sesedikit mungkin.

Keterlambatan turbo:
Turbo yang lebih tua sering kali mengalami turbo lag yang terkenal. Turbo bekerja pada gas buang dari mesin. Jika pedal akselerator diinjak sampai ke bawah sekaligus, mesin membutuhkan banyak udara pada kecepatan rendah, namun saat itu turbo tetap harus menghidupkan gas buang yang dikeluarkan. Turbo belum memberikan tekanan yang cukup. Hanya ketika mesin telah mencapai kecepatan yang lebih tinggi barulah turbo dapat dihidupkan dengan benar. Hal ini biasanya terjadi sekitar 2000 rpm dan terlihat karena akselerasi mobil semakin keras.
Turbo lag ini dipandang sebagai kerugian besar. Akibatnya, banyak orang yang mendukung salah satunya kompresor mekanis. Ini bekerja terus-menerus, karena digerakkan langsung oleh poros engkol dan oleh karena itu kecepatannya selalu sama dengan putaran mesin. Kompresor akan langsung menyuplai tekanan dari kecepatan idle saat Anda berakselerasi. Turbo yang dibangun pada mobil saat ini tidak terlalu terpengaruh oleh hal ini, sebagian berkat turbo variabel.

turbo kembar:
Penambahan 'twin-turbo' menandakan hadirnya dua turbo. 2 turbo ini dapat ditempatkan bersebelahan dalam 1 baris silinder, atau 1 turbo per baris silinder. Hal ini memberikan keuntungan bagi pengemudi berupa torsi lebih besar pada kecepatan rendah, performa lebih baik pada rentang kecepatan tinggi, dan karakter mesin lebih halus. Pada kecepatan rendah udara kemudian disuplai ke mesin melalui turbo kecil dan pada kecepatan lebih tinggi turbo yang lebih besar menjadi berfungsi. Turbo yang lebih besar mempunyai turbo lag yang lebih besar, karena memerlukan lebih banyak udara untuk bergerak, namun hal ini kemudian dinetralkan oleh turbo yang kecil.

Empat gambar di bawah menggambarkan situasi di mana kedua turbo bekerja, atau ketika hanya satu dari keduanya yang berfungsi. Keempat lingkaran tersebut merupakan silinder, bagian berwarna merah dan biru merupakan gas buang dan udara masuk. Intercooler diberi tanda “IC”.

Kecepatan mesin rendah dan beban mesin rendah:
Pada kecepatan di bawah 1800rpm terdapat aliran volume gas buang yang kecil. Volumenya yang kecil memungkinkan untuk menggunakan turbo kecil. Katup antara manifold buang dan turbo besar tertutup. Oleh karena itu, gas buang hanya dipindahkan dari turbo kecil ke turbo besar. Turbo besar sudah ditingkatkan. Ini sambungan seri, karena kedua turbo digunakan.

Kecepatan mesin sedang dan beban sedang:
Antara 1800 dan 3000rpm katup antara manifold buang dan turbo besar terbuka. Saat ini, kedua turbo tersebut digerakkan langsung oleh gas buang dari mesin. Ini juga merupakan sambungan seri, karena kedua turbo digunakan.

Kecepatan mesin tinggi dan beban tinggi:
Di atas 3000rpm, volume aliran gas buang menjadi terlalu besar untuk turbo kecil. Turbo dimatikan agar tidak melewati apa yang disebut “chokeline” (lihat bab karakteristik kompresor di bagian bawah halaman). Wastegate turbo kecil dibuka, sehingga seluruh gas buang yang diumpankan ke turbo dipandu melewati turbo. Gas buang kemudian tidak sampai ke roda kompresor.
Turbo besarnya disuplai penuh dengan gas buang. Katupnya tetap terbuka, sehingga turbo besar bisa mencapai kecepatan tinggi sehingga banyak memindahkan udara masuk ke intake manifold.

Tri-turbo:
Saat ini, mesin “tri-turbo” juga dibuat. Tiga buah turbo dipasang pada mesin ini, sehingga tingkat pengisian maksimal dapat dicapai di setiap rentang kecepatan. BMW menggunakan teknologi tri-turbo antara lain dengan M550d. Kedua turbo kecil tersebut menggunakan geometri variabel, sehingga cocok untuk kecepatan rendah dan tinggi. Tergantung pada kecepatannya, turbo disesuaikan untuk respons yang lebih baik. Turbo besarnya menggunakan wastegate.
Dua situasi dijelaskan di bawah ini, yang menunjukkan turbo mana yang beroperasi pada jam berapa.

Kecepatan mesin rendah dan beban rendah:
Hanya satu dari dua turbo kecil yang digerakkan. Karena ukuran turbonya, ia tergulung dengan cepat. Turbo kecil meneruskan gas buang ke turbo besar. Ini sudah memulai turbo besar.

Kecepatan dan beban mesin menengah dan tinggi:
Kedua turbo kecil ini bertenaga. Dua turbo kecil menggerakkan turbo besar. Ini mencapai peningkatan tekanan maksimum pada semua kecepatan sedang dan tinggi.

Turbo gulir kembar:
Ketika beberapa gas buang berkumpul di manifold buang, masalah interferensi dapat timbul; gelombang tekanan saling menghalangi. Dengan Twin-scroll turbo, gas buang dipisahkan satu sama lain dan dialirkan ke turbo dalam dua saluran. Gas buang dari silinder 1 dan 2 tidak berkumpul di intake manifold, melainkan mengenai roda turbin secara terpisah. Penerapan turbo Twin-scroll menghasilkan respons throttle yang lebih cepat dan efisiensi yang lebih tinggi. Gambar di bawah menunjukkan bahwa gas buang dari silinder 1 dan 4 berkumpul, dan gas buang dari silinder 2 dan 3 berkumpul.

Dengan turbo konvensional, gas buang saling bersentuhan di exhaust manifold. Kami menyebutnya “intervensi”. Gambar di bawah menunjukkan pulsa tekanan yang tercipta di manifold buang satu silinder.

Karena kita berurusan dengan katup yang tumpang tindih (katup masuk dan katup buang keduanya terbuka selama perubahan dari langkah buang ke langkah masuk), tekanan negatif juga tercipta (lebih rendah dari tekanan atmosfer). Dengan katup tumpang tindih, gas buang membantu menarik udara segar ke ruang bakar dan membuang sisa gas buang. Hal ini menyuplai sisir pembakaran dengan lebih banyak oksigen, sehingga efisiensi volumetrik meningkat.

Saat kita melihat tekanan pada manifold buang mesin empat silinder, kita melihat banyak gangguan. Setiap pulsa positif menjadi kurang tinggi karena tekanan negatif akibat tumpang tindih katup. Inilah kelemahan turbo lag (waktu reaksi spool up)

Penggunaan turbo twin-scroll meningkatkan waktu respons, karena gas buang dari silinder 1+4 dan 2+3 dipisahkan. Denyut nadinya jauh lebih kuat karena tidak terpengaruh oleh denyut negatif pada saat itu. Oleh karena itu, pabrikan juga dapat meningkatkan waktu terjadinya tumpang tindih katup untuk mencapai efisiensi volumetrik yang lebih tinggi.

Turbo geometri variabel:
Sebuah turbo dengan wastegate mengalami turbo lag; Hanya ketika mesin berputar sejumlah putaran tertentu, turbo disuplai dengan gas buang yang cukup untuk dapat beroperasi. Turbo geometri variabel tidak memiliki wastegate, tetapi memiliki bilah yang dapat disesuaikan di saluran pembuangan. Bilah ini dapat disetel dengan memutar cincin penyetel. Cincin penyetel ini diputar dengan menggunakan ruang hampa. Jumlah kevakuman yang dibutuhkan disediakan oleh katup solenoid (solenoid valve) berdasarkan beban mesin dan putaran mesin, yang dikendalikan oleh ECU.
Dengan mengatur bilahnya, aliran udara dapat diarahkan. Karena adanya perubahan aliran udara, turbo sudah dapat berjalan dengan kecepatan lebih tinggi pada putaran mesin rendah, termasuk tekanan gas buang yang lebih rendah. Posisi sudu membatasi jumlah gas buang yang dapat mengalir masuk. Agar dapat berjalan pada kecepatan yang lebih tinggi, bilah akan disetel ke dalam pada putaran mesin yang lebih tinggi. Tekanan pengisian yang tinggi dapat dicapai pada kecepatan rendah dan tinggi. Hal ini memastikan turbo berfungsi optimal pada rentang kecepatan yang luas, karena mesin akan menerima dorongan tekanan yang sama pada kecepatan rendah seperti pada kecepatan lebih tinggi.

Katup pembuangan:
Katup pembuangan juga disebut “katup peniup”. Katup buang dipasang pada selang turbo, tempat udara dialirkan dari turbo ke sisi masuk mesin. Saat berakselerasi, turbo mobil penumpang bisa mencapai 200.000 putaran per menit. Pada kecepatan tersebut tekanan pengisian maksimum tercapai. Saat pedal akselerator dilepas sekaligus, terdapat banyak tekanan udara di sisi masuk mesin, namun katup throttle tertutup.

Tanpa katup pembuangan, tekanan balik tercipta ke arah turbo, menyebabkan udara pengisi daya yang disuplai dengan cepat mengurangi kecepatan turbo. Saat Anda berakselerasi lagi, butuh waktu lama bagi turbo untuk kembali ke kecepatannya. Katup pembuangan mencegah hal ini. Ketika gas dilepaskan, ia akan mengeluarkan sejumlah udara yang disuplai. Udara berlebih kemudian hilang dari sistem pemasukan. Bilah turbo tidak diperlambat dan oleh karena itu akan mulai lebih cepat ketika throttle diakselerasi lagi. Katup pembuangan segera menutup ketika udara yang disuplai telah dihembuskan. Bertentangan dengan apa yang dipikirkan banyak orang, katup pembuangan tidak memberikan tenaga lebih.
Katup pembuangan menyebabkan bunyi tiupan yang khas saat gas dilepaskan saat akselerasi pada mobil turbo.

Gerbang Sampah:
Sebuah wastegate dipasang pada setiap turbo tanpa baling-baling variabel. Wastegate memastikan bahwa tekanan di dalam rumah turbin (yaitu di sisi knalpot) tidak menjadi terlalu besar. Saat turbo beroperasi dan tekanan meningkat, pintu limbah ditutup. Semua udara yang keluar dari silinder selama langkah buang sebenarnya digunakan untuk menggerakkan roda turbin. Ini mencapai tekanan pengisian maksimum.
Namun, saat idle, tidak diperlukan peningkatan tekanan. Pada saat itulah pintu pembuangan sampah terbuka. Sebagian gas buang dialihkan ke knalpot; bisa mengalir langsung ke knalpot. Wastegate pada dasarnya adalah katup antara manifold buang dan knalpot mesin; semua udara yang mengalir melalui wastegate tidak melewati turbo. Jadi pada prinsipnya energi yang tersedia tidak terpakai. Oleh karena itu, nama wastegate juga dapat dijelaskan; “Sampah” adalah bahasa Inggris yang berarti “kerugian”.
Wastegate juga terbuka ketika kecepatan tertentu tercapai; Saat berakselerasi, turbo harus dipercepat dengan cepat, namun ketika turbin termasuk roda kompresor mencapai kecepatan tertentu, kecepatan tersebut harus dijaga agar tetap konstan. Dengan membuka wastegate pada kecepatan ini, kelebihan gas buang dapat langsung dialirkan ke saluran pembuangan. Kecepatan turbo dapat dikontrol dengan mengatur sudut bukaan wastegate. ECU mengatur berdasarkan data dari sensor tekanan pengisian sejauh mana wastegate dikendalikan.

Intercooler:
Suhu udara bertekanan bisa menjadi sangat hangat (lebih dari 60 derajat Celcius). Untuk pembakaran yang lebih baik, udara perlu didinginkan. Intercooler menangani hal itu. Intercooler adalah bagian terpisah dan oleh karena itu dijelaskan secara rinci di halaman lain; lihat halamannya intercooler.

Karakteristik kompresor (lonjakan & tersedak)
Saat merancang mesin, ukuran turbo harus diperhitungkan. Mencocokkan ukuran turbo dengan mesin disebut “matching”. Jika turbo terlalu besar maka akan terjadi 'turbo gap' yang besar. Turbo akan menyala lebih lambat karena rumah turbin terlalu besar untuk jumlah gas buang yang rendah. Hanya pada kecepatan yang lebih tinggi turbo akan mencapai kecepatan tinggi dan mampu memberikan tekanan tinggi. Jika turbo terlalu kecil maka turbo lag hampir tidak ada. Roda turbin akan segera menyala dengan sedikit gas buang. Tekanan turbo yang tinggi sudah dicapai pada kecepatan rendah. Kekurangannya adalah pada kecepatan lebih tinggi jumlah gas buang terlalu besar untuk turbo kecil ini. Ada lebih banyak gas buang daripada yang bisa ditampung di turbo; dalam hal ini wastegate harus terbuka lebih awal dan mengalihkan banyak gas buang. Sampah adalah terjemahan dari “kerugian”, yang juga berlaku di sini; gas buang yang mengalir melalui wastegate tidak berkontribusi dalam menggerakkan turbo.
Oleh karena itu, ukuran turbo sangat penting untuk desain mesin. Setiap turbo telah diberi karakteristik kompresor selama desain. Karakteristik kompresor dapat digunakan untuk menentukan apakah cocok untuk mesin tertentu. Gambar di bawah menunjukkan contoh karakteristik kompresor.

Rasio tekanan P2/P1 (pada sumbu Y) adalah perbandingan antara saluran masuk (P1) dan saluran keluar turbo (P2). Tekanan setelah roda turbin selalu lebih rendah dari sebelumnya. Rasio tekanan (tanpa dimensi) sebesar 2,0 berarti tekanan sebelum roda turbin dua kali lebih tinggi dibandingkan tekanan setelah roda turbin. Faktor aliran volume (pada sumbu X) adalah jumlah udara yang mengalir melalui turbo. Garis melengkung horizontal menunjukkan kecepatan poros turbo.

Gambar tersebut menunjukkan bahwa garis merah adalah garis lonjakan dan garis biru adalah garis tersedak. Garis lonjakan, disebut juga batas pompa, adalah batas dimana kecepatan roda kompresor terlalu rendah. Surgeline adalah terbatasnya aliran udara akibat roda kompresor yang terlalu kecil. Rasio tekanan terlalu tinggi dan aliran volume terlalu rendah. Udara tidak lagi dihisap oleh kompresor, sehingga berhenti dan kemudian melanjutkan kecepatannya. Aliran udara yang tidak stabil ini menyebabkan fluktuasi tekanan dan denyut pada saluran intake. Berdenyut juga disebut “gelombang” kompresor. Oleh karena itu nama “garis bedah”. Udara yang mengalir bolak-balik menimbulkan gaya besar yang dapat membebani turbo. Bilah roda kompresor dapat putus dan bantalan menjadi kelebihan beban.
Chokeline adalah batas lain yang tidak boleh dilampaui oleh kompresor. Di sini aliran volume maksimum terjadi pada rasio tekanan rendah. Diameter rumah kompresor menentukan aliran volume maksimum. Ketika chokeline terlampaui, roda kompresor terlalu kecil untuk menangani aliran volume (yang lebih besar). Akibatnya banyak tenaga mesin yang hilang. Chokeline juga disebut “overspin choke”.

Gambar tersebut menunjukkan karakteristik kompresor dengan mesin pada beban sebagian. Mesin harus memiliki konsumsi bahan bakar terendah pada beban sebagian. Konsumsi bahan bakar spesifik terendah dicapai dengan pulau terkecil. Gerbang sampah mengatur tekanan agar mengalir lurus melalui pulau tengah. Awalnya wastegate ditutup agar tekanan turbo meningkat. Sistem manajemen mesin membuka wastegate seperti yang ditunjukkan oleh garis hijau pada gambar. Kecepatan poros turbo adalah antara 8000 dan 9000 putaran per menit.

Saat berkendara di pegunungan, terdapat ketinggian geografis yang lebih tinggi; udara di sana lebih tipis. Hal ini mempengaruhi pengoperasian turbo, karena udara yang lebih tipis mengandung lebih sedikit oksigen sehingga menyebabkan tekanan kompresor turun. Rasio tekanan, termasuk kecepatan kompresor, harus ditingkatkan untuk mencapai tekanan pengisian akhir. Situasi ini dapat dilihat pada gambar.

Garis hijau menunjukkan situasi muatan sebagian saat berkendara di permukaan laut dan garis oranye saat berkendara di pegunungan. Karena udara yang lebih tipis, kecepatan kompresor akan meningkat hingga 100000 putaran per menit.
Semakin tinggi kecepatan kompresor maka akan meningkatkan pula temperatur udara masuk yang dialirkan ke mesin. Oleh karena itu, intercooler harus membuang lebih banyak panas. Kini perbedaannya juga terlihat pada konsumsi bahan bakar; Di pegunungan, konsumsi bahan bakar akan meningkat karena semakin tinggi rasio tekanan P2/P1 dan semakin tinggi kecepatan turbo.

Kombinasi turbo dan kompresor:
Saat ini produsen mobil semakin banyak memilih untuk melengkapi mesinnya dengan turbo dan kompresor. Turbo seringkali berukuran lebih besar dan dilengkapi dengan pintu pembuangan limbah. Kompresor berfungsi untuk mencegah turbo lag; Pada kecepatan mesin rendah, kompresor memberikan tekanan tambahan dan menghidupkan turbo. Pada kecepatan yang lebih tinggi, turbo mengambil alih.
Udara terkompresi dialirkan melalui kompresor atau katup bypass ke turbo dan melalui turbo melalui intercooler ke intake manifold.

Klik di sini untuk informasi lebih lanjut tentang kompresor Roots.

Turbo elektronik:
Turbo konvensional mengalami turbo lag pada kecepatan rendah, karena gas buang diperlukan untuk menggerakkan roda turbin. Kompresor tidak mengalami hal ini dan menyuplai tekanan pengisian dari kecepatan idle. Kombinasi keduanya tampaknya ideal. Namun, kompresor Roots mekanis harus digerakkan oleh poros engkol. Energi hilang dalam proses ini. Oleh karena itu, produsen mobil bereksperimen dengan beberapa turbo gas buang atau turbo listrik untuk mencegah turbo lag pada turbo gas buang.

Turbo listrik dikendalikan oleh unit kontrol mesin. Hanya dalam 250 milidetik roda kompresor mencapai kecepatan tidak kurang dari 70.000 putaran per menit. Motor listrik di turbo menggerakkan roda kompresor. Roda kompresor menggerakkan udara masuk bertekanan ke roda kompresor turbo gas buang. Roda kompresor berputar sangat cepat ketika motor listrik menjadi dikendalikan.

Dengan bantuan turbo elektrik, mesin mempunyai perilaku respon yang lebih cepat.Pada kecepatan yang lebih tinggi, dimana turbo gas buang mampu memberikan tekanan dorongan penuh, turbo elektronik dimatikan.