توربو شارژ چیست؟

قدرت موتور را بسیار بالا ببرد و به همین دلیل است که از چنین محبوبیت گسترده ای برخوردار است!

در اینجا قصد داریم بفهمیم که توربوشارژر چگونه می تواند بدون آنکه تغییر چندانی در وضعیت فیزیکی موتور ایجاد کند، قدرت را به مقدار بسیار زیادی افزایش دهد. هم چنین خواهیم دید دریچه های خروجی، پره های سرامیکی توربین، مجراهای عبور گاز چگونه کارآیی سوپر شارژر را بهبود می بخشند.

توربوشارژر چیست؟
توربوشارژر نوعی سیستم دمنده است که هوا را با فشار زیاد به درون سیلندر می دمد. همان طور که می دانید، هنگامی که پیستون در حالت عکسش قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور دیزلی، هوا) را به درون سیلندر می مکد. هر چه فشار هوا بیشتر باشد مقدار مولکولهای هوا بیشتر خواهد بود، و باتبع مخلوط هوا و سوخت بیشتری در سیلندر جای خواهد گرفت. هر چه سوخت بیشتر باشد، قدرت ناشی از احتراق هم بیشتر خواهد بود.

بدین ترتیب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بیشتری نسبت به موتور معمولی تولید می کند. توربوشارژر به سادگی می تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، یعنی با قدرت مساوی، خودروی مجهز به توربو شارژر از موتوری با وزن و حجم کمتر سود می برد، در نتیجه حجم و وزن خودرو نیز کمتر می شود و این بدان معنی است که شتاب خودروی مجهز به توربوشارژر بیشتر است و سریع تر به سرعت مناسب دست پیدا می کند.

اما توربوشارژر قدرت لازم برای فشرده کردن هوای ورودی را از کجا تأمین می کند؟ در نوع ابتدایی توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نیاز از میل لنگ گرفته می شد، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو صرف فشرده سازی هوای ورودی می شد.

ولی در نوع پیشرفته تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجی اگزوز استفاده می شود. گازهای خروجی اگزوز داغ هستند و می توان از انرژی جنبشی، سرعت و فشار آنها برای چرخاندن یک توربین استفاده کرد. این توربین هم یک پمپ هوا را می گرداند و در نهایت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سیلندر می فرستد. توربین نصب شده در مسیر گازهای خروجی گاه به سرعت 150 هزار دور در دقیقه می رسد که بیش از 30 بار سریع ر از دور موتور اغلب خودروهای امروزی است.

دمای این توربین هم به دلیل تماس با گازهای داغ خروجی بسیار بالاست. این دو عامل موجب می شوند توربین از فناوری پیشرفته ای برخوردار باشد تا بتواند کارآیی و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند. 

یک نگاه آماری
توربوشارژرهای رایج می توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کیلوپاسکال بیشتر از هوای محیط برسانند. از آنجایی که فشار هوای سطح دریا 100 کیلوپاسکال است، مشخص می شود که توربوشارژر تقریباً 50% هوای بیشتر وارد سیلندر می کند. بنابراین انتظار می رود که قدرت هم تا پنجاه درصد افزایش یابد. ولی به دلیل برخی تلفات، این افزایش قدرت بین 30 تا 40 درصد خواهد بود.

یکی از دلایل این اتلاف به این موضوع باز می گردد که کار مورد نیاز توربوشارژر رایگان نیست. هنگامی که گاز خروجی اگزوز توربین را می چرخاند، بدان معنی است که مقاومتی در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پیستون باید فشار بیشتری اعمال کند تا گاز تخلیه شود و این، بخشی از قدرت موتور را مصرف می کند.

یکی دیگر از مزایای توربوشارژر، قابلیت بهبود کارکرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات، فشار هوا کمتر است و در نتیجه هوای کمتری در سیلندر وارد می شود. خودروهای معمولی در چنین ارتفاعاتی با کاهش قدرت مواجه می شوند، ولی خودروهای مجهز به توربوشارژر علیرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه می شوند، ولی مقدار این کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم برای فشرده کردن گاز رقیق کمتر است

میل محوری که پروانه توربین را به پره های کمپرسور متصل می کند، باید دارای پایداری بسیار بالایی باشد. اغلب میل محورهای معمولی در چنین سرعت بالایی منفجر می شوند، زیرا هم دمای میله بسیار بالا می رود، هم اندکی ناجابه جایی و عدم تعادل در نصب میل محور کافی است تا در این سرعت، میل محور به بیرون پرتاب شود. 
 
از این رو از یاتاقانهای روغنی برای مهار میل محور در توربوشارژر استفاده می شود.
در چنین یاتاقانهایی، لایه نازکی از روغن اطراف میل محور را می پوشاند و بدین ترتیب، هم میل محور را خنک می کند و هم اصطکاک های احتمالی را به حداقل می رساند.
پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در می آید. کمپرسور همانند یک پمپ سانتریفوژ عمل می کند، بدین ترتیب که هوا را از مرکز به گردش در می آورد و در نهایت هوای فشرده شده را از حفره تعبیه شده در محیط خارج به بیرون میدمد.

محدودیت های توربوشارژر
الف- فشار
  شار حداکثر درون سیلندر نباید از یک مقدار مجاز بیشتر شود. هنگامی که مخلوط هوا و سوخت در سیلندر یک خودروی بنزینی متراکم می شود، دمای آن نیز همراه با فشار افزایش خواهد یافت. فشار بیش از اندازه به دیواره های سیلندر، سرسیلندر و حتی پیستون و میل لنگ موجب کاهش عمر مفید آنها می شود.

اما افزایش دما اثری به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصی بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت می توانند پیش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدین ترتیب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال می شود، که ضربه ناشی از احتراق می تواند آسیب های جدی به موتور وارد آورد. از این رو برخی با کاهش دادن نسبت تراکم سیلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه می دارند. البته برخی دیگر سوختی با اکتان بالاتر را برای موتور پیشهاد می دهند.

ب- زمان تأخیر:
یکی از مهم ترین مشکلات توربوشارژر این است که نمی توانند افزایش قدرت را به طور ناگهانی اعمال کنند. هنگامی که به پدال گاز فشار می آورید، حدودا یک ثانیه طول می کشد تا توربین به سرعت لازم دست پیدا کند و افزایش قدرت اعمال شود. بنابراین افزایش قدرت با کمی تأخیر حاصل می شود. یکی از روش های کاستن این زمان تأخیر، پایین آوردن اینرسی قطعات است که معمولاً از طریق سبک کردن قطعات بدست می آید؛ بدین ترتیب توربین و پمپ سریع تر شتاب می گیرند و قدرت سریع تر اعمال می شود. 

ج- اندازه توربوشارژر:
اندازه توربوشارژر هم مزایا و معایبی به همراه دارد. هر چه توربوشارژر کوچکتر باشد، زمان تأخیر کمتری دارد و سریع تر قدرت را اعمال می کند، ولی در سرعت های بسیار بالا که باید حجم زیادی هوا را وارد سیلندر کند، کم توان و گاه خطرناک ظاهر می شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ می تواند به خوبی از عهده پمپ کردن حجم زیاد هوا برآید، ولی زمان تأخیر آن بیشتر خواهد بود.
خوشبختانه راه حل های جالبی برای مقابله با این مشکلات پیشنهاد شده است که به برخی از آنها اشاره می کنیم.

- دریچه اگزوز (wastegate)
بسیاری از خودروهای توربوشارژردار از یک یا چند دریچه کمکی در مجرای اگزوز سود می برند که آنها را قادر می سازد از توربوشارژرهای کوچک استفاده کنند. هنگامی که سرعت خودرو بسیار بالا می رود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزایش می یابد، این خطر وجود دارد که توربین با سرعت بسیار بالاتری بگردد. از این دریچه ها باز می شوند و بخشی از اگزوز بدون آنکه از توربین عبور کند، از موتور خارج می شود. این چنین سرعت دوران توربین در سرعت های بالا هم در حد مجاز باقی می ماند.

ملاحظات طراحی   

یکی از مشکلات اصلی توربوشارژرها این است که وقتی پدال گاز را فشار می دهید بلافاصله قدرت موتور را تقویت نمی کنند و چند ثانیه ای طول می کشد تا توربین به سرعت مورد نظر برسد.این باعث می شود وقتی گاز می دهید تاخیری را احساس کنید.در ضمن وقتی توربو شارژر حرکت کرد خیزشی در خودرو ایجاد می شود.

یک راه برای کم کردن تاخیر توربوشارژر کم کردن اینرسی دورانی اجزای چرخنده ی آن است.اساسا به کمک کم کردن وزن آن.این باعث می شود توربین و کمپرسور سریع تر سرعت بگیرند و زود تر تقویت کنند.یک راه مسلم برای کاهش اینرسی کوچکتر کردن توربوشارژر است.یک توربوشارژر کوچکتر زودتر و در دور موتورهای پایین تر عمل تقویت را انجام می دهد اما نمی تواند در دور موتورهای بالاتر که حجم زیادی از هوا به موتور می رود تقویت زیادی انجام دهد.همچنین خطر چرخش بسیار سریع در دور موتورهای بالا که گازهای خروجی زیادی از توربین می گذرد نیز وجود دارد.

یک توربوشارژر بزرگ می تواند در دور موتورهای بالا تقویت زیادی انجام دهد اما به خاطر زمان زیادی که برای شتاب گرفتن توربین و کمپرسور سنگین تر آن لازم است تاخیر زیادی دارد.خوشبختانه چندین ایده برای غلبه بر این چالش وجود دارد.

بیشتر توربوشارژر ها یک دریچه ی هدر دارند که اجازه می دهد از توربوشارژرها ی  کوچکتری برای کاهش تاخیر استفاده شود،در حالی که نمی گذارد در دور موتور های خیلی بالا خیلی سریع بچرخد.دریچه هدر سوپاپی است که اجازه می دهد گازهای اگزوز از گذرگاه جنبی از کنار پره های توربین عبور کند.

دریچه هدر فشار را حس می کند و اگر فشار خیلی زیاد شود که نشانه چرخش زیاد توربین است،مقداری از گازهای اگزوز را از کنار پره های توربین خارج می کند تا سرعت چرخش کمتر شود.

بعضی توربوشارژر ها از یاتاقان های ساچمه ای بجای یاتاقان های روغنی استفاده می کنند،اما اینها یاتاقان های ساچمه ای معمولی نیستند بلکه یاتاقان های فوق دقیقی هستند که از مواد پیشرفته ای ساخته شده اند تا در سرعت و دمای توربو شارژر کار کنند.این یاتاقان ها به محور توربین اجازه می دهند با اصطکاک کمتری نسبت به یاتاقان های روغنی بچرخند،همچنین اجازه می دهند از محور کوچکتر و سبک تری استفاده شود که این باعث کاهش تاخیر می شود.

پره های سرامیکی توربین از پره های فولادی سبک تر اند که این باز هم باعث می شود توربین زودتر شتاب گرفته و زمان تاخیر کمتر شود.

بعضی موتور ها از دو توربوشارژر در دو اندازه استفاده می کنند.توربو شارژر کوچکتر زودتر می چرخد و تاخیر را کم می کند در حالی که بزرگتر در دور موتور های بالا تر تقویت فشار بیشتری ایجاد می کند.

وقتی هوا فشرده شود،گرم می شود و وقتی گرم شود منبسط می شود.بنا بر این بخشی از تقویت فشار توربوشارژر ناشی از گرم شدن هوا قبل از ورود به موتور است،برای افزایش قدرت موتور باید مولکول های بیشتری وارد سیلندر شوند نه لزوما فشار بیشتر.

افزایش قدرت 

وجود توربو شارژر روی موتور باعث افزایش قدرت آن می گردد . این افزایش در حدود 40 تا 50 درصد قدرت موتور بدون توربو شارژر با همان طراحی می باشد . این افزایش قدرت ناشی از ارسال هوای اضافه به داخل سیلندر ها و تقویت احتراق سوخت می باشد . نسبت توان وزنی در جرم و اندازه موتور نیز اندکی افزایش می یابد . 

مصرف اقتصادی سوخت

سرعت موتور با افزایش مصرف سوخت بیشتر می شود . توربو شارژر سبب رعایت نسبت دقیق تر سوخت – هوا و احتراق بهتر و بهینه شدن مصرف سوخت می گردد.

جبران افت توان موتور در ارتفاعات

توربو شارژر در تغییر ارتفاع ، توانایی جبران افت موتور را دارد . قدرت موتوری که توربو شارژر دارد تقریبا هنگام کار در ارتفاعات ثابت می ماند . چون چگالی هوا با افزایش ارتفاع  کاهش می یابد ، مقاومت هوا روی توربین کاهش یافته و توربین می تواند آزادانه تر چرخیده و کمپرسور را  سریعتر بچرخاند و در نتیجه کمپرسور ، فشار بیشتری مهیا می سازد . در نتیجه هوای بیشتری برای موتور تامین شده و نسبت سوخت – هوا حفظ می شود .

کاهش دود

چون توربو شارژر هوای کافی ( و اکسیژن ) برای احتراق کامل سوخت تامین می کند ، دود سیاه موتور به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد . اگر هوا کافی نباشد ، سوخت کاملا نسوخته و در نتیجه موتور دود سیاه می کند .

انواع توربو شارژر 

همه توربو شارژر  ها به یک طریق عمل می کنند ، اما چگونگی ورود گازهای خروجی به داخل توربین متفاوت می باشد . سه نوع توربو شارژر  وجود دارد

نوع حلزونی ساده (volute type  )

نوع حلزونی با افزایش سرعت (nozezle ring type  )  

توربو شارژر  حلزونی ساده

این نوع توربو شارژر دارای یک معبر تنها می باشد که گازهای خروجی موتور را به چرخ توربین منتقل می کند . حلزون یک معبر مارپیچ در درون پوسته محفظه توربین می باشد که مقطع آن ثابت نبوده وکاهش می یابد .

این تغییر به دلیل ثابت نگه داشتن سرعت گازهای خروجی هنگام عبور از طول حلزون می باشد . گازهای خروجی به طور پیوسته از حلزون عبور کرده و وارد توربین می شوند . گازها از میان پره های توربین عبور کرده و باعث چرخش توربین شده و سپس توربین را ترک و وارد اگزوز می شوند .

توربو شارژر  حلزونی با افزاینده سرعت

این نوع توربو شارژر  دارای یک حلزون و یک افزاینده سرعت ( پره های ثابت ) و یا دو حلزون و دو مجرا می باشد .

شکل 4 از این نوع می باشد . گازهای خروجی وارد منیفولد دود و از آنجا وارد حلزونها شده ، اما به جای آنکه مستقیما وارد چرخ توربین شوند ، از پره های ثابت روی پوسته توربین عبور نموده و با زاویه مناسب و سرعت بسیار زیاد و با انرژی بالاتر با پره های توربین برخورد می نمایند . قسمت کمپرسور و توربو شارژر  همانطور که قبلا در نوع حلزونی توضیح داده شد عمل می کند .

توربو شارژر  نوع ضربانی

استفاده از این نوع توربو شارژر  ، یک منیفولد دود " ضربانی " را طلب می کند زیرا از ضربات دود های خروجی که از سیلندر های موتور خارج می شود استفاده می کند . این امر سبب افزایش سرعت توربو شارژر  می شود .

منیفولد دارای مقطع نسبتا کو چکی می باشد تا از اثر ضربات بهره بیشتری ببرد ، زیرا در منیفولدهای بزرگتر اتلاف ، بیشتر است . شکل منیفولد به گونه ای طرح گشته تا از جریان گازهای آزاد نیز به خوبی گازهای تودهای استفاده کند . در حین شتاب گیری این امر اجازه می دهد انرژی گازهای خروجی سریعا ً به توربین رسیده و شتاب موتور بهبود یابد .

برای بهره بردن از گازهای توده ای ، سیلندرها به طور یک در میان با توجه به ترتیب احتراق به یک کانال مرتبط گشته اند .