مقاله حاضر به توربوشارژ و توربوشارژ كردن و سوپر شارژر كردن سوموتورهاي درونسوز مي‌پردازد و اصول كار را بيان مي‌كند. توربوشارژ قابليت راندن و عملكرد خودرو را تغيير مي‌دهد و به فرايندي گفته مي‌شود كه طي آن با استفاده از انرژي گازهاي خروجي اگزوز، هوا متراكم و به داخل سيلندر هدايت مي‌شود. اجزاي اصلي يك توربوشارژ شامل توربين، كمپرسور، اينتركولر (inter cooler) يا افتركولر (after cooler) و كنترلرهاست. اولين حق امتياز اين دستگاه در سال 1905 و به نام دكتر آلفرد بوچي ثبت شده است.

خلاصه:

در موتورهاي ديزل ـ به غير از انواع كوچك آن ـ توربوشارژ يكي از اجزاي لاينفك است كه موجب افزايش نسبت توان به وزن، حجم و هزينه نهايي مي‌شود. از جمله مزاياي ديگر توربوشارژ كردن در موتورهاي ديزل، كاهش دودزايي و صداست.
در گذشته تنها موتورهاي بنزيني توربوشارژ شده، موتورهاي پيستوني هواپيما و بعد از آن خودروهاي مخصوص مسابقه بودند. با استفاده از توربوشارژ، مقدار توان توليدي موتور هواپيما در سطح دريا تا ارتفاعات بالا حفظ مي‌شود و امكان استفاده از موتور كوچكتر فراهم مي‌آيد. توان خودروهاي مسابقه نيز با توربوشارژ كردن به طور چشمگيري افزايش مي‌يابد. به عنوان مثال مي‌توان از يك موتور بنزيني با حجم CC 1500 بيش از 500 KW توان دريافت كرد. بعدها توربوشارژدر خودروهاي سواري متداول نيز به كار گرفته شد و استفاده از آن گسترش يافت؛ به طوري كه در اواخر دهه 80 ميلادي حدود 20 درصد از انواع خودروهاي اروپايي از آن بهره مي‌بردند و علت اصلي آن نيز افزايش هزينه سوخت (بنزين) بود.
يك موتور بنزيني توربوشارژ شده نسبتاً كم حجم مي‌تواند ضمن صرفه‌جويي در مصرف سوخت، توان و گشتاور بالاي يك موتور داراي مكش عادي ولي با حجم زياد را ايجاد كند. براي آشنايي هرچه بيشتر با توربوشارژ در ادامه به مفاهيم اساسي سوپرشارژ كردن، توربوشارژ كردن، خنك كردن شارژ و موتور مركب پرداخته مي‌شود.

 سوپر شارژر و توربو شارژر:

توربوشارژر وسيله‌اي است که مي‌تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهي افزايش دهد، قدرت موتور را بسيار بالا ببرد و به همين دليل است که از چنين محبوبيت گسترده‌اي برخوردار است! در اينجا قصد داريم بفهميم که توربوشارژر چگونه مي‌تواند بدون آنکه تغيير چنداني در وضعيت فيزيکي موتور ايجاد کند، قدرت را به مقدار بسيار زيادي افزايش دهد. همچنين خواهيم ديد دريچه‌هاي خروجي، پره‌هاي سراميکي توربين، مجراهاي عبور گاز چگونه کارآيي سوپر شارژر را بهبود مي بخشند.
رد اين توربوشارژر را همچنين مي توان در خودروهاي ديزلي بزرگ هم مشاهده کرد. امروزه مي‌توان خودروهاي سواري زيادي را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه‌اي از آنها نصب شده است.
توربوشارژر وسيله‌اي است که مي‌تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهي افزايش دهد، قدرت موتور را بسيار بالا ببرد و به همين دليل است که از چنين محبوبيت گسترده‌اي برخوردار است! در اينجا قصد داريم بفهميم که توربوشارژر چگونه مي‌تواند بدون آنکه تغيير چنداني در وضعيت فيزيکي موتور ايجاد کند، قدرت را به مقدار بسيار زيادي افزايش دهد. همچنين خواهيم ديد دريچه‌هاي خروجي، پره‌هاي سراميکي توربين، مجراهاي عبور گاز چگونه کارآيي سوپر شارژر را بهبود مي بخشند.

توربوشارژر چيست؟

توربوشارژر نوعي سيستم دمنده است که هوا را با فشار زياد به درون سيلندر مي‌دمد. هنگامي که پيستون در حالت عکس قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور ديزلي، هوا) را به درون سيلندر مي‌مکد. هر چه فشار هوا بيشتر باشد مقدار مولکولهاي هوا بيشتر خواهد بود، و بالتبع مخلوط هوا و سوخت بيشتري در سيلندر جاي خواهد گرفت. هر چه سوخت بيشتر باشد، قدرت ناشي از احتراق هم بيشتر خواهد بود.
بدين ترتيب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بيشتري نسبت به موتور معمولي توليد مي‌کند. توربوشارژر به سادگي مي‌تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، يعني با قدرت مساوي خودروي مجهز به توربو شارژر از موتوري با وزن و حجم کمتر سود مي‌برد، در نتيجه حجم و وزن خودرو نيز کمتر مي‌شود و اين بدان معني است که شتاب خودروي مجهز به توربوشارژر بيشتر است و سريع‌تر به سرعت مناسب دست پيدا مي‌کند.

توربوشارژر قدرت لازم براي فشرده کردن هواي ورودي را از کجا تأمين مي‌کند؟

در نوع ابتدايي توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نياز از ميل لنگ گرفته مي‌شد، يعني بخشي از توان توليدي خودرو صرف فشرده سازي هواي ورودي مي شد. ولي در نوع پيشرفته‌تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجي اگزوز استفاده مي‌شود. گازهاي خروجي اگزوز داغ هستند و مي‌توان از انرژي جنبشي، سرعت و فشار آنها براي چرخاندن يک توربين استفاده کرد. اين توربين هم يک پمپ هوا را مي‌گرداند و در نهايت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سيلندر مي‌فرستد. توربين نصب شده در مسير گازهاي خروجي گاه به سرعت 150 هزار دور در دقيقه مي رسد که بيش از 30 بار سريع‌تر از دور موتور اغلب خودروهاي امروزي است.
دماي اين توربين هم به دليل تماس با گازهاي داغ خروجي بسيار بالاست. اين دو عامل موجب مي‌شوند توربين از فناوري پيشرفته‌اي برخوردار باشد تا بتواند کارآيي و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند.
يک نگاه آماري: توربوشارژرهاي رايج مي‌توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کيلوپاسکال بيشتر از هواي محيط برسانند. از آنجايي که فشار هواي سطح دريا 100 کيلوپاسکال است، مشخص مي‌شود که توربوشارژر تقريباً 50 درصد هواي بيشتر وارد سيلندر مي‌کند. بنابراين انتظار مي‌رود که قدرت هم تا پنجاه درصد افزايش يابد. ولي به دليل برخي تلفات، اين افزايش قدرت بين 30 تا 40 درصد خواهد بود. يکي از دلايل اين اتلاف به اين موضوع باز مي‌گردد که کار مورد نياز توربوشارژر رايگان نيست. هنگامي که گاز خروجي اگزوز توربين را مي‌چرخاند، بدان معني است که مقاومتي در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پيستون بايد فشار بيشتري اعمال کند تا گاز تخليه شود و اين، بخشي از قدرت موتور را مصرف مي‌کند.
يکي ديگر از مزاياي توربوشارژر، قابليت بهبود کارکرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات، فشار هوا کمتر است و در نتيجه هواي کمتري در سيلندر وارد مي‌شود. خودروهاي معمولي در چنين ارتفاعاتي با کاهش قدرت مواجه مي‌شوند، ولي خودروهاي مجهز به توربوشارژر عليرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه مي‌شوند، ولي مقدار اين کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم براي فشرده کردن گاز رقيق کمتر است!
همان طور که اشاره شد، يک توربوشارژر معمولي از يک توربين، يک ميل محور (شافت) و يک کمپرسور تشکيل شده است. مجراي گاز خروجي اگزوز معمولا به گونه اي طراحي مي‌شود که گاز داراي بيشترين سرعت و دماي ممکن باشد. پره‌هاي توربين با طراحي خاص مي‌توانند به گردش 150 هزار دور در دقيقه دست پيدا کنند، ولي انتقال چنين گردشي به کمپرسور کار ساده‌اي نيست. ميل محوري که پروانه توربين را به پره‌هاي کمپرسور متصل مي‌کند، بايد داراي پايداري بسيار بالايي باشد. اغلب ميل محورهاي معمولي در چنين سرعت بالايي منفجر مي‌شوند، زيرا هم دماي ميله بسيار بالا مي‌رود، هم اندکي جابه‌جايي و عدم تعادل در نصب ميل محور کافي است تا در اين سرعت، ميل محور به بيرون پرتاب شود. از اين رو از ياتاقانهاي روغني براي مهار ميل محور در توربوشارژر استفاده مي‌شود. در چنين ياتاقانهايي، لايه نازکي از روغن اطراف ميل محور را مي‌پوشاند و بدين ترتيب، هم ميل محور را خنک مي‌كند و هم اصطکاک‌هاي احتمالي را به حداقل مي‌رساند.
پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در مي‌آيد. کمپرسور همانند يک پمپ سانتريفوژ عمل مي‌کند، بدين ترتيب که هوا را از مرکز به گردش در مي‌آورد و در نهايت هواي فشرده شده را از حفره تعبيه شده در محيط خارج به بيرون مي‌دمد.

محدوديت هاي توربوشارژر

الف- فشار: فشار حداکثر درون سيلندر نبايد از يک مقدار مجاز بيشتر شود. هنگامي که مخلوط هوا و سوخت در سيلندر يک خودروي بنزيني متراکم مي شود، دماي آن نيز همراه با فشار افزايش خواهد يافت. فشار بيش از اندازه به ديواره هاي سيلندر، سرسيلندر و حتي پيستون و ميل لنگ موجب کاهش عمر مفيد آنها مي‌شود.
افزايش دما اثري به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصي بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت مي‌توانند پيش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدين ترتيب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال مي‌شود، بلکه ضربه ناشي از احتراق مي‌تواند آسيب‌هاي جدي به موتور وارد آورد. از اين رو برخي با کاهش دادن نسبت تراکم سيلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه مي‌دارند. البته برخي ديگر سوختي با اکتان بالاتر را براي موتور پيشنهاد مي‌كنند.
ب- زمان تأخير: يکي از مهم‌ترين مشکلات توربوشارژر اين است که نمي‌توانند افزايش قدرت را به طور ناگهاني اعمال کنند. هنگامي که به پدال گاز فشار مي‌آوريد، حدوداً يک ثانيه طول مي‌کشد تا توربين به سرعت لازم دست پيدا کند و افزايش قدرت اعمال شود. بنابراين افزايش قدرت با کمي تأخير حاصل مي‌شود. يکي از روش‌هاي کاستن اين زمان تأخير، پايين آوردن اينرسي قطعات است که معمولاً از طريق سبک کردن قطعات بدست مي‌آيد؛ بدين ترتيب توربين و پمپ سريع تر شتاب مي‌گيرند و قدرت سريع تر اعمال مي شود.
ج- اندازه توربوشارژر: اندازه توربوشارژر هم مزايا و معايبي به همراه دارد. هر چه توربوشارژر کوچکتر باشد، زمان تأخير کمتري دارد و سريع تر قدرت را اعمال مي‌کند، ولي در سرعت هاي بسيار بالا که بايد حجم زيادي هوا را وارد سيلندر کند، کم توان و گاه خطرناک ظاهر مي‌شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ مي‌تواند به خوبي از عهده پمپ کردن حجم زياد هوا برآيد، ولي زمان تأخير آن بيشتر خواهد بود
خوشبختانه راه‌حل‌هاي جالبي براي مقابله با اين مشکلات پيشنهاد شده است که به برخي از آنها اشاره مي‌کنيم:
- دريچه اگزوز (wastegate)
بسياري از خودروهاي توربوشارژردار از يک يا چند دريچه کمکي در مجراي اگزوز سود مي‌برند که آنها را قادر مي‌سازد از توربوشارژرهاي کوچک استفاده کنند. هنگامي که سرعت خودرو بسيار بالا مي‌رود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزايش مي‌يابد، اين خطر وجود دارد که توربين با سرعت بسيار بالاتري بگردد. از اين شرايط اين دريچه‌ها باز شده و بخشي از اگزوز بدون آنکه از توربين عبور کند، از موتور خارج مي‌شود. به اين ترتيب سرعت دوران توربين در سرعت‌هاي بالا هم در حد مجاز باقي مي‌ماند.
- ياتاقانهاي ساچمه‌اي
در اين ياتاقانها، از ساچمه‌هاي بسيار پيشرفته‌اي استفاده شده که از مواد بسيار پيشرفته و با فناوري فرا دقيق ساخته شده‌اند.
اين ياتاقانها موجب مي‌شوند ميل محور با اصطکاک کمتري نسبت به ياتاقانهاي روغني که در اغلب نمونه‌ها استفاده مي‌شود، بگردد؛ ضمن آنکه موجب مي شود از ميل محورهاي کوچکتر و سبکتري هم بتوان استفاده کرد. اين چنين ميل محور سريع‌تر شتاب مي‌گيرد و زمان تأخير کاهش مي‌يابد.
- پره‌هاي سراميکي توربين
سراميک، دسته‌اي از مواد هستند که استحکام خوبي دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبک‌ترند. استفاده از اين پره‌ها به جاي پره‌هاي فلزي دو مزيت دارد، نخست آنکه با سبک‌تر کردن توربين، زمان تأخير را کاهش مي‌دهد و دوم، چون بر همکنش با مواد خورنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را براي مدت‌ها حفظ مي‌کند و مانند پره فلزي خورده نمي‌شود.
- خنک کننده داخلي
هنگامي که توربوشارژر هوا را فشرده مي‌کند، خواه نا خواه دماي هوا نيز افزايش مي‌يابد. اين افزايش دما جداي از تأثير مخرب بر حداکثر فشار درون سيلندر، موجب مي‌شود مولکولهاي هوا کمتر از آن مقداري باشند که در طراحي خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از يک خنک کننده استفاده مي‌شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دماي آن به مقدار قابل توجهي کاهش يابد. بدين ترتيب مي‌توان با اطمينان خاطر و بدون نگران بودن از پيش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر رساند.

سوپر شارژر

سوپر شارژرها كمپرسورهايي هستند كه توان مورد نياز خود را براي فشردن هوا از موتور مي‌گيرند . و توربو شارژر ها، همان سوپر شارژر هايي هستند كه نيروي محركه خود را از دودهاي خروجي از اگزوز مي‌گيرند .
سه نوع سوپر شارژر وجود دارد :
• نوع دمنده اي
• نوع گريز از مركز
• نوع مارپيچي
كه همگي آنها قدرت رانشي خود را بطريقي از ميل لنگ موتور مي‌گيرند بطوريكه سرعت بالاتر موتور ، باعث سريع‌تر چرخيدن آنها مي‌شود
دو نوع اول با سرعتي معادل 15000 دور در دقيقه و نوع سوم يا گريز از مركز با سرعتي معادل 40000 دور در دقيقه مي‌چرخد .

مقايسه توربو شارژر و سوپر شارژر

زمان در سرويس قرار گرفتن : سوپرشارژرها بلافاصله بعد از روشن نمودن و چرخش موتور، در سرويس قرار مي‌گيرند و هواي فشرده را در اختيار موتور قرار مي‌دهند هر چند اين ميزان تقويت اوليه براي موتور، خيلي اندك است ولي بتدريج با دور گرفتن موتور افزايش مي‌يابد و حاصل آن افزايش آرام و يكنواخت توان موتور است .
اما در مقابل توربو شارژر ها نقطه ضعفي دارند كه آن را تاخير در واكنش نشان دادن مي‌نامند. چون لختي كه توربو شارژرها در آغاز كار دارند و بايد ابتدا دودهاي خروجي داغ توليد شوند تا دور بگيرند (spool up) باعث مي‌شود كه مدتي طول بكشد تا هوا را براي فرستادن به موتور فشرده كنند و بنابراين تا دور موتور بالا نرفته است نمي‌توانند هوا را به شكل دلخواه فشرده كنند.
در حالتي كه دريچه هواي ورودي آنها باز باشد (wide open throttle =wot) معمولا يك افزايش ناگهاني در قدرت توربو شارژر پديد مي‌آيد. اين موضوع در دورهاي حدود rpm 3000 صورت مي‌گيرد و در اين حالت اگر شما خودرويي را كه توربو شارژر دارد رانده باشيد، ضربه‌هايي را كه وارد مي‌شود حس خواهيد كرد.
البته اين امكان وجود دارد كه توربو شارژرها را در اندازه‌اي ساخت كه واكنش اوليه آنها سريع‌تر باشد . مثلاً موتور هاي ديزلي وجود دارد كه توربو شارژرهاي آنان به اندازه‌اي كوچك است كه دور آن به 2000-1700 دور در دقيقه مي‌رسد. عيب عمده‌اي كه اين نوع توربوشارژرها دارند اين است كه توانهاي بالايي را نمي‌توان از آنها گرفت.

افت توان غير قابل اجتناب

سوپرشارژرها بعلت اينكه نيروي خود را از موتور مي‌گيرند باعث مي‌شوند كه بخشي از توان توليد شده توسط موتور را مصرف كنند اين افت توان غير قابل اجتناب مي‌تواند حتي از 50 اسب بخار هم تجاوز كند البته اين سوپر شارژرها بيش از آنچه انرژي مصرف مي‌كنند به توان موتور اضافه مي‌كنند . ولي توربو شارژرها بعلت اينكه هيچگونه انرژي را از موتور مصرف نمي‌كنند ولي با ايجاد مانع در جريان دودهاي خروجي از موتور و افزايش فشار پس زدن سبب مي‌شوند بخشي از توان موتور بطور غير مستقيم كاسته شود . چون در اين حالت پيستون بايد انرژي بيشتري را براي بيرون راندن دودهاي خروجي از سيلندر صرف كند ولي از طرف ديگر استفاده از توربو شارژر باعث مي‌شود كه هواي فشرده با فشار وارد سيلندر شود و همين موضوع باعث محكم به پائين رفتن پيستون و دادن انرژي به آن مي شود كه با انرژي كه قبلاً گفته شد خنثي مي‌شود. بهر حال استفاده از توربو شارژر بعلت اينكه تواني براي كار كردن از موتور نمي‌گيرد و باعث بالا رفتن توان موتور مي‌شود معمول تر از سوپر شارژر است.

توليد حرارت

هنگاميكه هواي ورودي خنك‌تر باشد متراكم‌تر و چگال‌تر است كه بدين مفهوم است كه اكسيژن بيشتري در واحد حجم به موتور مي‌رسد . اكسيژن بيشتر به مفهوم توان بيشتر است سوپر شارژرهاي دمنده‌اي از اين جهت كه توليد گرما مي‌كنند مطلوب نيستند اين گرماي توليد شده حاصل ناكافي بودن تراكم هواي ورودي است و از اين روي توربوشارژرها كارآيي بيشتري نسبت به سوپر شارژرها دارند .
سوپر شارژرهاي گريز از مركز مي‌توانند از اين جهت بهتر از توربو شارژرها باشند و قابليت انعطاف بيشتري را از خود بروز دهند. با قرار دادن لوله هواي ورودي به موتور در نزديكي دودهاي خروجي مي‌توان هواي ورودي به موتور را گرمتر كرد . سوپر شارژرهاي گريز از مركزي كه خوب طراحي شده باشند مي‌توانند اين گرما را از طريق نصب خنك كننده كاهش دهند .

قابليت اطمينان

مردم اغلب مي‌گويند كه سوپر شارژرها نسبت به توربو شارژرها قابليت اطمينان بيشتري دارند و اين بدان علت است كه توربو شارژرها در حرارت بالا كار مي‌كنند و توسط روغن روانكاري مي‌شوند و هر گاه قبل از خنك شدن آنها موتور خودرو را خاموش كنند اين روغن در معرض حرارت قرار مي‌گيرد و باعث كوتاه شدن عمر كاري توربو شارژر مي‌شود. اما با تعمير و نگهداري و مراقبت‌هاي لازم از توربو شارژر مي توان بر اين مشكل هم فائق آمد.

ميزان تقويت

از نظر حداكثر توان مطلق توليدي استفاده از توربو شارژر امكان بالاتري براي تقويت قدرت موتور ارائه مي‌دهد تا استفاده از سوپر شارژر . مثلاً در تراكتورهايي كه جهت كشش مورد استفاده قرار مي‌گيرند، استفاده از سه توربو شارژر بصورت سري باعث مي‌شود كه سطح تقويت هواي ورودي فشاري معادل psi 200 توليد كند !

نتيجه گيري : توربو شارژر يا سوپر شارژر ؟

اظهار نظر در مورد اينكه استفاده از كداميك (توربو شارژر يا سوپر شارژر) بهتر است كاري مشكل است .
مهم‌ترين مزيت سوپر شارژر اين است كه زمان واكنش نشان دادن آن كم است و به سرعت در سرويس قرار مي‌گيرد (البته غير از نوع گريز از مركز آن ) و استفاده از آن هم ساده است.
از آن طرف عمده‌ترين مزيت توربو شارژر ، كارايي بالاي آن و توليد حداكثر توان است .
اين ديگر بستگي به نظر خريداران خودرو دارد كه تصميم بگيرند كدام نوع را براي وسيله خود انتخاب كنند

توربو شارژر چيست؟ (تو ضيح كامل)

يکي از مطمئن ترين راهها براي افزايش توان موتور ها، افزايش مقدار هوا و سوختي است که در سيلندرآنها مي سوزد.براي اين منظور افزودن تعداد سيلندرها يا بزرگ کردن هر يک از سيلندرها يکي از روش هاست اما در بعضي مواقع امکان اين کار وجود ندارد. يک راه براي افزايش قدرت موتور که ساده تر و با صرفه تر نيز هست استفاده از توربو شارژردر موتوراست که بدون نياز به تغيير در حجم و وزن موتورتوان آن را افزايش مي دهد.درخودروهاي پر سرعت مسابقه اي و سوپر اسپرت حتي خودروهاي خانوادگي و سدان هاي پر قدرت نيز براي افزايش توان موتور از توربوشارژر استفاده مي شود.

همه چيز درباره توربو شارژر

توربوشارژرها

هنگامي که مردم در مورد خودروهاي مسابقه اي و يا خودروهاي ورزشي با کيفيت صحبت مي کنند ( و از آن جمله است خودروهاي فرمول يک)، خواه نا خواه صحبت از توربوشارژر هم به ميان مي آيد. رد اين توربوشارژر را همچنين مي توان در خودروهاي ديزلي بزرگ هم مشاهده کرد.
تازه گي ها مي توان خودروهاي سواري زيادي را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه اي از آنها نصب شده است.
توربوشارژر وسيله اي است که مي تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهي افزايش دهد، قدرت موتور را بسيار بالا ببرد و به همين دليل است که از چنين محبوبيت گسترده اي برخوردار است!
در اينجا قصد داريم بفهميم که توربوشارژر چگونه مي تواند بدون آنکه تغيير چنداني در وضعيت فيزيکي موتور ايجاد کند، قدرت را به مقدار بسيار زيادي افزايش دهد. هم چنين خواهيم ديد دريچه هاي خروجي، پره هاي سراميکي توربين، مجراهاي عبور گاز چگونه کارآيي سوپر شارژر را بهبود مي بخشند.

توربوشارژر چيست؟

توربوشارژر نوعي سيستم دمنده است که هوا را با فشار زياد به درون سيلندر مي دمد. همان طور که مي دانيد، هنگامي که پيستون در حالت عکسش قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور ديزلي، هوا) را به درون سيلندر مي مکد. هر چه فشار هوا بيشتر باشد مقدار مولکولهاي هوا بيشتر خواهد بود، و باتبع مخلوط هوا و سوخت بيشتري در سيلندر جاي خواهد گرفت. هر چه سوخت بيشتر باشد، قدرت ناشي از احتراق هم بيشتر خواهد بود.
بدين ترتيب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بيشتري نسبت به موتور معمولي توليد مي کند. توربوشارژر به سادگي مي تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، يعني با قدرت مساوي، خودروي مجهز به توربو شارژر از موتوري با وزن و حجم کمتر سود مي برد، در نتيجه حجم و وزن خودرو نيز کمتر مي شود و اين بدان معني است که شتاب خودروي مجهز به توربوشارژر بيشتر است و سريع تر به سرعت مناسب دست پيدا مي کند.
اما توربوشارژر قدرت لازم براي فشرده کردن هواي ورودي را از کجا تأمين مي کند؟ در نوع ابتدايي توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نياز از ميل لنگ گرفته مي شد، يعني بخشي از توان توليدي خودرو صرف فشرده سازي هواي ورودي مي شد.
ولي در نوع پيشرفته تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجي اگزوز استفاده مي شود. گازهاي خروجي اگزوز داغ هستند و مي توان از انرژي جنبشي، سرعت و فشار آنها براي چرخاندن يک توربين استفاده کرد. اين توربين هم يک پمپ هوا را مي گرداند و در نهايت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سيلندر مي فرستد. توربين نصب شده در مسير گازهاي خروجي گاه به سرعت 150 هزار دور در دقيقه مي رسد که بيش از 30 بار سريع ر از دور موتور اغلب خودروهاي امروزي است.
دماي اين توربين هم به دليل تماس با گازهاي داغ خروجي بسيار بالاست. اين دو عامل موجب مي شوند توربين از فناوري پيشرفته اي برخوردار باشد تا بتواند کارآيي و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند.

يک نگاه آماري

توربوشارژرهاي رايج مي توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کيلوپاسکال بيشتر از هواي محيط برسانند. از آنجايي که فشار هواي سطح دريا 100 کيلوپاسکال است، مشخص مي شود که توربوشارژر تقريباً 50% هواي بيشتر وارد سيلندر مي کند. بنابراين انتظار مي رود که قدرت هم تا پنجاه درصد افزايش يابد. ولي به دليل برخي تلفات، اين افزايش قدرت بين 30 تا 40 درصد خواهد بود.
يکي از دلايل اين اتلاف به اين موضوع باز مي گردد که کار مورد نياز توربوشارژر رايگان نيست. هنگامي که گاز خروجي اگزوز توربين را مي چرخاند، بدان معني است که مقاومتي در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پيستون بايد فشار بيشتري اعمال کند تا گاز تخليه شود و اين، بخشي از قدرت موتور را مصرف مي کند.
يکي ديگر از مزاياي توربوشارژر، قابليت بهبود کارکرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات، فشار هوا کمتر است و در نتيجه هواي کمتري در سيلندر وارد مي شود. خودروهاي معمولي در چنين ارتفاعاتي با کاهش قدرت مواجه مي شوند، ولي خودروهاي مجهز به توربوشارژر عليرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه مي شوند، ولي مقدار اين کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم براي فشرده کردن گاز رقيق کمتر است!

پره، ميل محور، پره

همان طور که اشاره شد، يک توربوشارژر معمولي از يک توربين، يک ميل محور (شافت) و يک کمپرسور تشکيل شده است. مجراي گاز خروجي اگزوز معمولا به گونه اي طراحي مي شود که گاز داراي بيشترين سرعت و دماي ممکن باشد. پره هاي توربين با طراحي خاص مي توانند به گردش 150 هزار دور در دقيقه دست پيدا کنند، ولي انتقال چنين گردشي به کمپرسور کار ساده اي نيست.
ميل محوري که پروانه توربين را به پره هاي کمپرسور متصل مي کند، بايد داراي پايداري بسيار بالايي باشد. اغلب ميل محورهاي معمولي در چنين سرعت بالايي منفجر مي شوند، زيرا هم دماي ميله بسيار بالا مي رود، هم اندکي ناجابه جايي و عدم تعادل در نصب ميل محور کافي است تا در اين سرعت، ميل محور به بيرون پرتاب شود.
از اين رو از ياتاقانهاي روغني براي مهار ميل محور در توربوشارژر استفاده مي شود.
در چنين ياتاقانهايي، لايه نازکي از روغن اطراف ميل محور را مي پوشاند و بدين ترتيب، هم ميل محور را خنک مي کند و هم اصطکاک هاي احتمالي را به حداقل مي رساند.
پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در مي آيد. کمپرسور همانند يک پمپ سانتريفوژ عمل مي کند، بدين ترتيب که هوا را از مرکز به گردش در مي آورد و در نهايت هواي فشرده شده را از حفره تعبيه شده در محيط خارج به بيرون ميدمد.

ساختار توربو شارژر:

يک توربو شارژر از 2 قسمت اصلي تشکيل شده است: توربين و کمپرسور(که توسط يک شفت به هم متصل اند).براي آشنايي با توربو شارژر، ابتدا بايد واژه سوپر شارژر را تعريف کرد.سوپر شارژر يعني تغذيه موتور با هواي از پيش کمپرس شده.يعني هواي محيط مکيده و کمپرس شده و سپس به موتور فرستاده مي شود.کمپرسور به طرق مختلفي به حرکت در مي آيداز جمله از طريق چرخ دنده که در اين حالت سوپرشارژر مکانيکي ناميده مي شود. روش ديگر به حرکت در آوردن کمپرسور استفاده از انرژي ذخيره شده در گازهاي اگزوز حاصل از احتراق در موتور است که در اين حالت به آن توربو شارژر مي گويند.
پس توربو شارژر در حقيقت توربيني است که بوسيله گازهاي اگزوز به حرکت در آمده و يک کمپرسور گريز از مرکز را که توسط يک شفت به آن وصل شده است را مي چرخاند.کمپرسور نيز هوا را از مرکز تيغه هايش به داخل کشيده و توسط پره هاي خود، در حين چرخش به بيرون پرتاب مي کند.کمپرسور معمولا بين صافي و منيفولد هواي ورودي به موتور قراردارد.در حالي که توربين بين منيفولد هواي خروجي وانباره اگزوز قرار مي گيرد.تمامي گازهاي خروجي موتور (گازهاي اگزوز) از محفظه توربين مي گذرد و انبساط اين گازهاي تحت فشار بر پره هاي توربين عمل مي کند و موجب حرکت دوراني آنها مي شود. اين گازها پس از گذشتن از توربين وارد اتمسفر مي شوند.توربين صداي حاصل از گازهاي اگزوز را نيز خفه مي کند و به اين ترتيب در اکثر موارد نيازي به استفاده از انباره اگزوز نيست.
به طور معمول توربو شارژها فشار هوا را به اندازه 6 تا 8psi فشرده تر مي کنند.از آنجا که فشار معمولي اتمسفر 14.7 psi در سطح درياست با اين روش حدودا 50 درصد بيشتر هوا وارد موتور خواهد شد و افزايش بازدهي واقعي نيز بين 30تا 40 درصد است.
يکي از مزاياي توربو شارژرها کمکي است که در ارتفاعات و مناطق مرتفع به موتور مي کنند.موتورهاي معمولي در ارتفاعات دچار کاهش شديد قدرت مي شوند. زيرا براي هر مکش پيستون جرم کمتري از هوا را به داخل سيلندر مي کشد و حتي در صورت افزايش مقدار سوخت پاشيدهشده به داخل سيلندر نيز به علت فقدان اکسيژن کافي ، احتراق کامل صورت نمي گيرد.بنابراين مساله رقيق بودن هوا موجب کم شدن قدرت موتور در اين نقاط مي شود که توربو شارژرها با کمپرس کردن و افزايش جرم هواي ورودي به موتور، اين نقيصه را جبران مي کنند
پس افت (Lag): يکي از مشکلات توربوشارژر ها مي باشد که توربوشارژرها نمي توانند يک قدرت فوري را زماني که شما پدال گاز را فشار مي دهيد، ...

توربوشارژر:

زماني که مردم درباره خودروهاي مسابقه اي يا موتورهايي با بازدهي و عملکرد بالا صحبت مي کنند معمولاً بحث توربوشارژرها مطرح مي شود. توربوشارژرها همچنين در موتورهاي ديزلي بزرگ نيز استفاده مي شوند.
توربوشارژر يک کمپرسور مي باشد که توان خروجي موتورهاي احتراق داخلي را در اثر افزايش ميزان جرم هوا و سوخت ورودي به موتور افزايش مي دهد. يکي از مزاياي بزرگ توربوشارژرها آن است که افزايش قدرت خروجي موتور آنها در مقايسه با وزن آنها بسيار ناچيز است و اين يکي از دلايلي است که باعث شده توربوشارژرها تا اين اندازه محبوب و معروف گردند.

نحوه عملکرد توربوشارژر:

يک توربوشارژر از يک کمپرسور گريز از مرکز و يک توربين گازي تشکيل شده است که توربين گازي توسط پيچ به مانيفولد دود متصل مي شود و گازهاي خروجي از موتور باعث چرخش توربين گاز شده و به سبب آن کمپرسور که توسط يک شفت به توربين گازي متصل است شروع به چرخش نموده و هواي محيط را مکش کرده و سپس آن را متراکم کرده و به طرف موتور مي فرستد و هواي ورودي بيشتر به موتور به معني سوخت بيشتر به داخل موتور و هوا و سوخت بيشتر به معني انرژي و قدرت خروجي موتور مي باشد. سرعت چرخش توربين با توجه به استفاده توربوشاررژ مي تواند متفاوت باشد و اکثراً داراي سرعتهاي چرخش بالا هستند به همين دليل بايد از ياتاقانهاي مخصوصي استفاده گردد که بتواند نيروي حاصل از چرخش شقت را تحمل کند که معمولاً از ياتاقانهاي سيال (fluid bearing) استفاده مي شود. در ياتاقانهاي سيال بين شفت و ياتاقان يک لايه روغن قرار دارد که روغن فوق دو وظيفه مهم بر عهده دارد:
1- باعث خنک شدن شفت و ساير قسمتهاي توربوشارژر مي شود
2- باعث از بين رفتن اصطکاک بين شفت و ياتاقان هنگام چرخش مي شود.

نکاتي در مورد طراحي يک توربوشارژر:

1- تقويت بيش از اندازه: اگر فشار توليدي توربوشارژر خيلي زياد باشد همان طور که مي دانيد اين امر باعث بالا رفتن درجه حرارت هواي ورودي به موتور شده و در نتيجه سوخت قبل از آن که توسط شمع محترق شود دچار خودسوزي شده که به پديده فوق ضربه (Knocking) مي گويند که براي جلوگيري از پديده فوق مي بايست از بنزين با درجه اکتان بالاتر استفاده نموده و يا نسبت تراکم موتور را کاهش دهيم.
2- پس افت (Lag): يکي از مشکلات توربوشارژر آن مي باشد که توربوشارژرها نمي توانند يک قدرت فوري را زماني که شما پدال گاز را فشار مي دهيد، ايجاد نمايند و مدت زماني طول مي کشد تا توربين گاز چرخيده و هواي متراکم شده را به داخل موتور بفرستد. به همين خاطر شما در اول حرکت خودروي خود احساس يک حرکت ناگهاني به طرف جلو مي کنيد. دليل اين موضوع نيروي اينرسي (واماندگي) قسمت چرخنده توربين گاز مي باشد. اما مي توانيم با تمهيداتي نيروي اينرسي را کاهش داده تا توربين گاز بتواند در مدت زمان کوتاهي شتاب گرفته و ديگر پديده پس افت ايجاد نشود، که در زير به مواردي اشاره مي کنيم:
الف) استفاده از توربوشارژرهاي کوچک به جاي توربوشارژرهاي بزرگ: يکي از راههاي که مي توانيم نيروي اينرسي توربين گاز را کاهش دهيم آن است که از توربوشارژرهاي کوچک استفاده نمائيم زيرا توربوشارژرهاي کوچک سريعتر شتاب گرفته و در دور پائين موتور تقويت بهتري ايجاد مي نمايند اما نمي توانند تقويت بيشتري را در دورهاي بالاي موتور که ما نياز به وارد نمودن حجم بيشتري از هوا به موتور هستيم را توليد کنند و نيابد دور توربين گاز در آنها خيلي بالا رود. در جاهائي که ما نياز به شتاب بالا در توربين گاز و مقدار بيشتري از هواي ورودي به موتور داريم مي توانيم از دو توربو شارژر کوچک که به صورت مجزا از يکديگر مي باشند، استفاده نمائيم که شرکتهاي خودروسازي همچون تويوتا، آئودي، مزدا اين نوع توربوشارژر را در برخي از توليدات خود به کار برده اند. به توربوشارژرهاي فوق توربوشارژرهاي دوقلو (Twin Turbocharger) نيز مي گويند.
ب) استفاده از توربين گاز با پره هاي سراميکي: همان طور که مي دانيد توربين گاز با پره هاي سراميکي سبکتر از توربين گاز با پره هاي فولادي هستند در نتيجه اين امر باعث مي شود که توربين گاز سريعتر شتاب گرفته و نيروي اينرسي کاهش يابد.
ج) استفاده از ياتاقانهاي توپي (Ball Bearing) به جاي ياتاقانهاي سيالي: برخي از توربوشارژرها از ياتاقانهاي توپي به جاي ياتاقانهاي سيالي استفاده مي کنند که ياتاقانهاي فوق بسيار دقيق و از مواد پيشرفته و خاصي ساخته شده اند تا بتوانند سرعت و حرارت شفت را کنترل نمايند. ياتاقانهاي توپي باعث مي شوند که شفت با اصطکاک کمتري بچرخد و همچنين اين نوع ياتاقانها به ما اجازه مي دهد تا از شفتهاي کوچکتر و سبکتر استفاده نمائيم که امر فوق باعث مي شود تا توربين گاز با شتاب بيشتري چرخيده و نيروي اينرسي آن کاهش يابد.
د) استفاده از توربوشارژرهاي ترتيبي (Sequential Turbocharger): برخي از موتورها از دو توربوشارژر با اندازه مختلف استفاده مي کنند که توربوشارژر کوچکتر در دور پائين موتور تا پس افت را کاهش دهد استفاده دارد اما توربو شارژر بزرگتر در دورهاي بالاتر موتور که نياز به تقويت و حجم بيشتري از هوا داريم کاربرد دارد. اين نوع توربوشارژر در ب.ام.و سري 5 مدل 535d استفاده شده است.

توربوشارژ و نيتروس

توربو با اجبار موتور به تنفس بيشتر و سوراندن سوخت بيشتر نيروي بيشتر توليد مي کند. توربو با نيرو گازهاي خروجي کار مي کند. توربو وسيله اي کاربردي هست اما يکي دو مشکل عمده دارد.
اگر توربين به اندازه کافي کوچک باشد که در دور پايين موتور به چرخش در آيد در دور بالا به يک مانع تبديل مي شود که حداکثر قدرت را محدود مي کند. زيرا اگر موتر موفق به خروج گاز هاي حاصل از سوخت نشود.....!
اگر توربين به اندازه کافي بزرگ باشد که در برابر حداکثر قدرت منطقي مانع نباشد آنگاه با مشکلي به نام واماندگي(lag) در دورهاي پايين روبرو مي شويم. به اين علت که موتور در دور پايين گاز زيادي توليد نمي کند که توربين بزرگ را با سرعت مناسب به چرخش در آورد که فشار توليد شود. اما اگر بتوانيد توربو را در دور پايين موتر به گردش با دور مناسب وادار کنيد خود توربو فشار لازم براي تحريک بيشتر توليد خواهد کرد!
حال اگر ما مقدار بسيار کمي نيتروس را در دريچه سوخت(wot)تزريق کنيم موتور فوراً توليد نيرو خواهد کرد! و حتي در دور هاي پايين توربو شارژ سرعت مي گيرد به علت گاز خروجي توليد شده! اکنون يک سنسور کوچک در ورودي سوخت افزايش فشار را متوجه شده و تزريق نيتروس را خاموش مي کند. اکنون محرک خودبه خود پيش ميرود. در عمل مقدار بسيار کمي نيتروس مصرف مي گردد. نتيجه يک سيستم توربو بدون وامانگي هست حتي اگر از توربيهاي عظيم استفاده شود.
انواع گوناگوني سيستم هاي تزريق نيتروس وتوربوشارژرهاي عظيم براي کار باهمديگر توليد مي شود
يکي از مطمئن ترين راهها براي افزايش توان موتور ها، افزايش مقدار هوا و سوختي است که در سيلندرآنها مي سوزد.براي اين منظور افزودن تعداد سيلندرها يا بزرگ کردن هر يک از سيلندرها يکي از روش هاست اما در بعضي مواقع امکان اين کار وجود ندارد. يک راه براي افزايش قدرت موتور که ساده تر و با صرفه تر نيز هست استفاده از توربو شارژردر موتوراست که بدون نياز به تغيير در حجم و وزن موتورتوان آن را افزايش مي دهد.درخودروهاي پر سرعت مسابقه اي و سوپر اسپرت حتي خودروهاي خانوادگي و سدان هاي پر قدرت نيز براي افزايش توان موتور از توربوشارژر استفاده مي شود.

استفاده از ضد پس افت (Anti-Lag) در خودروهاي مسابقه اي:
مکانيزم کنترل توربين گاز (Waste Gate):

بسياري از توربوشارژر خودروها يک سوپاپ بايپس يا گذرگاه فرعي(Waste Gate) دارد که باعث مي شود در توربوشارژرهاي کوچک ميزان چرخش آنها از حد مجازي تجاوز نکند. در واقع سوپاپ بايپس فشار داخل توربين گاز را حس کرده و اگر فشار آن بالا باشد سوپاپ فوق باز شده و مقداري از گاز را به خارج از محفظه توربين گاز هدايت مي کند تا اين که فشار به ميزان مطلوبي برسد.

کولر داخلي (Inter Cooler):

همان طور که مي دانيد زماني که هوا فشرده مي شود آن گرم شده و منبسط مي شود اما هدف از استفاده توربوشارژرها افزايش ميزان چگالي ورودي به موتور (تعداد بيشتري از مولکولهاي هوا) مي باشد. به همين خاطر از کولرهاي داخي استفاده مي کنند تا هواي فشرده خروجي از کمپرسور را خنکتر کند تا ميزان چگالي آن افزايش يابد.

توربوشارژرقلب تپنده موتور

يکي از موثر ترين راه ها براي افزايش اسب بخار موتورها افزايش مقدار هوا و سوختي است که در سيلند آن ها مي سوزد براي رسيدن به اين هدف اغلب خودرو سازان تعداد سيلندرها يا حجم آنه را افزايش داده اما اين روش مقبول به صرفه نبوده و افزايش مصرف سوخت و آلايندگي زياد را به دنبال دارد به همين منظور ساده ترين و به صرفه ترينترين راه استفاده از توربوشارژر است
توربو شارژر مانند قلب هوا را به داخل سيلندر دميده يا پمپ مي کند که عملا مرحله مکش توسط سيلنر حذف شده و اين عامل مهم افزايش توان موتور به شمار مي آيد به طور معمول توربوشارژر ها فشار هوا را شش تا هشت بوند براينچ فشرده تر مي کنند با توجه به اينکه فشارمعمولي اتمسفر7/14 پوند بر اينچ در سطح دريا مي باشدوا ضح است که با اين روش مي توان 50 درصد بيشتر هوا وارد موتور کرد به علت افزايش فشار هوا که اين خود کوجب افزايش 50 درصدي توان خودرو مي شودالبته افزايش بازدهي واقعي بين 30 تا 40درصد بسيار قابل توجه است به طوري که موتور هشت سيلندرv شکل و 2/4 ليتري جاگوار معمولي 300 اسب بخار قدرت دارد و همين موتور با همان حجم و تعداد سيلندر به کمک توربو شارژر 400 اسب بخارقدرت دارد که افزايش 100 اسب بخاري در نوع توربو شارژر دارد قابل ملاحظه مي با شد
توربو شارژر ابتدا در موتور ديزلي کار برداشت اما با ايجاد اصلاحاتي اينک در اغلب اتومبيل هاي پر قدرت و حتي اتومبيل هاي خانوادگي مي توان از توربو شارژر استفاده کرد و حتي مي توان آن را برروي موتور خودرو نصب کرد
در موتور هاي کاربراتوري کاربراتور به طور خودکار و به وسيله پلانچر کاربراتور مقدار سوخت را براي هماهنگ شدن با مقدار هواي ورودي افزايش مي دهد در موتور هاي انژکتوري نيز اين هماهنگي متکي بر سنسور هاي سيستم انژکتور بوده البته ممکن است با نصب توربوشارژر با قدرت بالا سيستم انژکتور به دليل عدم برنامه ريزي نرم افزاري جواب ندهد که در اين صورت بايد از توربو شارژر مناسب استفاده کرد
ادامه دارد .....
/خ