همه چیز درباره توربو شارژر

توربوشارژرها

هنگامی که مردم در مورد خودروهای مسابقه ای و یا خودروهای ورزشی با کیفیت صحبت می کنند ( و از آن جمله است خودروهای فرمول یک)، خواه نا خواه صحبت از توربوشارژر هم به میان می آید. رد این توربوشارژر را همچنین می توان در خودروهای دیزلی بزرگ هم مشاهده کرد.
تازه گی ها می توان خودروهای سواری زیادی را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه ای از آنها نصب شده است.
توربوشارژر وسیله ای است که می تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهی افزایش دهد، 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!

پره، میل محور، پره

همان طور که اشاره شد، یک توربوشارژر معمولی از یک توربین، یک میل محور (شافت) و یک کمپرسور تشکیل شده است. مجرای گاز خروجی اگزوز معمولا به گونه ای طراحی می شود که گاز دارای بیشترین سرعت و دمای ممکن باشد. پره های توربین با طراحی خاص می توانند به گردش 150 هزار دور در دقیقه دست پیدا کنند، ولی انتقال چنین گردشی به کمپرسور کار ساده ای نیست.
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.

ساختار توربو شارژر:

یک توربو شارژر از 2 قسمت اصلی تشکیل شده است: توربین و کمپرسور(که توسط یک شفت به هم متصل اند).برای آشنایی با توربو شارژر، ابتدا باید واژه سوپر شارژر را تعریف کرد.سوپر شارژر یعنی تغذیه موتور با هوای از پیش کمپرس شده.یعنی هوای محیط مکیده و کمپرس شده و سپس به موتور فرستاده می شود.کمپرسور به طرق مختلفی به حرکت در می آیداز جمله از طریق چرخ دنده که در این حالت سوپرشارژر مکانیکی نامیده می شود. روش دیگر به حرکت در آوردن کمپرسور استفاده از انرژی ذخیره شده در گازهای اگزوز حاصل از احتراق در موتور است که در این حالت به آن توربو شارژر می گویند.
پس توربو شارژر در حقیقت توربینی است که بوسیله گازهای اگزوز به حرکت در آمده و یک کمپرسور گریز از مرکز را که توسط یک شفت به آن وصل شده است را می چرخاند.کمپرسور نیز هوا را از مرکز تیغه هایش به داخل کشیده و توسط پره های خود، در حین چرخش به بیرون پرتاب می کند.کمپرسور معمولا بین صافی و منیفولد هوای ورودی به موتور قراردارد.در حالی که توربین بین منیفولد هوای خروجی وانباره اگزوز قرار می گیرد.تمامی گازهای خروجی موتور (گازهای اگزوز) از محفظه توربین می گذرد و انبساط این گازهای تحت فشار بر پره های توربین عمل می کند و موجب حرکت دورانی آنها می شود. این گازها پس از گذشتن از توربین وارد اتمسفر می شوند.توربین صدای حاصل از گازهای اگزوز را نیز خفه می کند و به این ترتیب در اکثر موارد نیازی به استفاده از انباره اگزوز نیست.
به طور معمول توربو شارژها فشار هوا را به اندازه 6 تا 8psi فشرده تر می کنند.از آنجا که فشار معمولی اتمسفر 14.7 psi در سطح دریاست با این روش حدودا 50 درصد بیشتر هوا وارد موتور خواهد شد و افزایش بازدهی واقعی نیز بین 30تا 40 درصد است.
یکی از مزایای توربو شارژرها کمکی است که در ارتفاعات و مناطق مرتفع به موتور می کنند.موتورهای معمولی در ارتفاعات دچار کاهش شدید قدرت می شوند. زیرا برای هر مکش پیستون جرم کمتری از هوا را به داخل سیلندر می کشد و حتی در صورت افزایش مقدار سوخت پاشیدهشده به داخل سیلندر نیز به علت فقدان اکسیژن کافی ، احتراق کامل صورت نمی گیرد.بنابراین مساله رقیق بودن هوا موجب کم شدن قدرت موتور در این نقاط می شود که توربو شارژرها با کمپرس کردن و افزایش جرم هوای ورودی به موتور، این نقیصه را جبران می کنند
پس افت (Lag): یکی از مشکلات توربوشارژر ها می باشد که توربوشارژرها نمی توانند یک قدرت فوری را زمانی که شما پدال گاز را فشار می دهید، ...

توربوشارژر:

زمانی که مردم درباره خودروهای مسابقه ای یا موتورهایی با بازدهی و عملکرد بالا صحبت می کنند معمولاً بحث توربوشارژرها مطرح می شود. توربوشارژرها همچنین در موتورهای دیزلی بزرگ نیز استفاده می شوند.
توربوشارژر یک کمپرسور می باشد که توان خروجی موتورهای احتراق داخلی را در اثر افزایش میزان جرم هوا و سوخت ورودی به موتور افزایش می دهد. یکی از مزایای بزرگ توربوشارژرها آن است که افزایش قدرت خروجی موتور آنها در مقایسه با وزن آنها بسیار ناچیز است و این یکی از دلایلی است که باعث شده توربوشارژرها تا این اندازه محبوب و معروف گردند.

نحوه عملکرد توربوشارژر:

یک توربوشارژر از یک کمپرسور گریز از مرکز و یک توربین گازی تشکیل شده است که توربین گازی توسط پیچ به مانیفولد دود متصل می شود و گازهای خروجی از موتور باعث چرخش توربین گاز شده و به سبب آن کمپرسور که توسط یک شفت به توربین گازی متصل است شروع به چرخش نموده و هوای محیط را مکش کرده و سپس آن را متراکم کرده و به طرف موتور می فرستد و هوای ورودی بیشتر به موتور به معنی سوخت بیشتر به داخل موتور و هوا و سوخت بیشتر به معنی انرژی و قدرت خروجی موتور می باشد. سرعت چرخش توربین با توجه به استفاده توربوشاررژ می تواند متفاوت باشد و اکثراً دارای سرعتهای چرخش بالا هستند به همین دلیل باید از یاتاقانهای مخصوصی استفاده گردد که بتواند نیروی حاصل از چرخش شقت را تحمل کند که معمولاً از یاتاقانهای سیال (fluid bearing) استفاده می شود. در یاتاقانهای سیال بین شفت و یاتاقان یک لایه روغن قرار دارد که روغن فوق دو وظیفه مهم بر عهده دارد:
1- باعث خنک شدن شفت و سایر قسمتهای توربوشارژر می شود
2- باعث از بین رفتن اصطکاک بین شفت و یاتاقان هنگام چرخش می شود.

نکاتی در مورد طراحی یک توربوشارژر:

1- تقویت بیش از اندازه: اگر فشار تولیدی توربوشارژر خیلی زیاد باشد همان طور که می دانید این امر باعث بالا رفتن درجه حرارت هوای ورودی به موتور شده و در نتیجه سوخت قبل از آن که توسط شمع محترق شود دچار خودسوزی شده که به پدیده فوق ضربه (Knocking) می گویند که برای جلوگیری از پدیده فوق می بایست از بنزین با درجه اکتان بالاتر استفاده نموده و یا نسبت تراکم موتور را کاهش دهیم.
2- پس افت (Lag): یکی از مشکلات توربوشارژر آن می باشد که توربوشارژرها نمی توانند یک قدرت فوری را زمانی که شما پدال گاز را فشار می دهید، ایجاد نمایند و مدت زمانی طول می کشد تا توربین گاز چرخیده و هوای متراکم شده را به داخل موتور بفرستد. به همین خاطر شما در اول حرکت خودروی خود احساس یک حرکت ناگهانی به طرف جلو می کنید. دلیل این موضوع نیروی اینرسی (واماندگی) قسمت چرخنده توربین گاز می باشد. اما می توانیم با تمهیداتی نیروی اینرسی را کاهش داده تا توربین گاز بتواند در مدت زمان کوتاهی شتاب گرفته و دیگر پدیده پس افت ایجاد نشود، که در زیر به مواردی اشاره می کنیم:
الف) استفاده از توربوشارژرهای کوچک به جای توربوشارژرهای بزرگ: یکی از راههای که می توانیم نیروی اینرسی توربین گاز را کاهش دهیم آن است که از توربوشارژرهای کوچک استفاده نمائیم زیرا توربوشارژرهای کوچک سریعتر شتاب گرفته و در دور پائین موتور تقویت بهتری ایجاد می نمایند اما نمی توانند تقویت بیشتری را در دورهای بالای موتور که ما نیاز به وارد نمودن حجم بیشتری از هوا به موتور هستیم را تولید کنند و نیابد دور توربین گاز در آنها خیلی بالا رود. در جاهائی که ما نیاز به شتاب بالا در توربین گاز و مقدار بیشتری از هوای ورودی به موتور داریم می توانیم از دو توربو شارژر کوچک که به صورت مجزا از یکدیگر می باشند، استفاده نمائیم که شرکتهای خودروسازی همچون تویوتا، آئودی، مزدا این نوع توربوشارژر را در برخی از تولیدات خود به کار برده اند. به توربوشارژرهای فوق توربوشارژرهای دوقلو (Twin Turbocharger) نیز می گویند.
ب) استفاده از توربین گاز با پره های سرامیکی: همان طور که می دانید توربین گاز با پره های سرامیکی سبکتر از توربین گاز با پره های فولادی هستند در نتیجه این امر باعث می شود که توربین گاز سریعتر شتاب گرفته و نیروی اینرسی کاهش یابد.
ج) استفاده از یاتاقانهای توپی (Ball Bearing) به جای یاتاقانهای سیالی: برخی از توربوشارژرها از یاتاقانهای توپی به جای یاتاقانهای سیالی استفاده می کنند که یاتاقانهای فوق بسیار دقیق و از مواد پیشرفته و خاصی ساخته شده اند تا بتوانند سرعت و حرارت شفت را کنترل نمایند. یاتاقانهای توپی باعث می شوند که شفت با اصطکاک کمتری بچرخد و همچنین این نوع یاتاقانها به ما اجازه می دهد تا از شفتهای کوچکتر و سبکتر استفاده نمائیم که امر فوق باعث می شود تا توربین گاز با شتاب بیشتری چرخیده و نیروی اینرسی آن کاهش یابد.
د) استفاده از توربوشارژرهای ترتیبی (Sequential Turbocharger): برخی از موتورها از دو توربوشارژر با اندازه مختلف استفاده می کنند که توربوشارژر کوچکتر در دور پائین موتور تا پس افت را کاهش دهد استفاده دارد اما توربو شارژر بزرگتر در دورهای بالاتر موتور که نیاز به تقویت و حجم بیشتری از هوا داریم کاربرد دارد. این نوع توربوشارژر در ب.ام.و سری 5 مدل 535d استفاده شده است.

توربوشارژ و نیتروس

توربو با اجبار موتور به تنفس بیشتر و سوراندن سوخت بیشتر نیروی بیشتر تولید می کند. توربو با نیرو گازهای خروجی کار می کند. توربو وسیله ای کاربردی هست اما یکی دو مشکل عمده دارد.
اگر توربین به اندازه کافی کوچک باشد که در دور پایین موتور به چرخش در آید در دور بالا به یک مانع تبدیل می شود که حداکثر قدرت را محدود می کند. زیرا اگر موتر موفق به خروج گاز های حاصل از سوخت نشود.....!
اگر توربین به اندازه کافی بزرگ باشد که در برابر حداکثر قدرت منطقی مانع نباشد آنگاه با مشکلی به نام واماندگی(lag) در دورهای پایین روبرو می شویم. به این علت که موتور در دور پایین گاز زیادی تولید نمی کند که توربین بزرگ را با سرعت مناسب به چرخش در آورد که فشار تولید شود. اما اگر بتوانید توربو را در دور پایین موتر به گردش با دور مناسب وادار کنید خود توربو فشار لازم برای تحریک بیشتر تولید خواهد کرد!
حال اگر ما مقدار بسیار کمی نیتروس را در دریچه سوخت(wot)تزریق کنیم موتور فوراً تولید نیرو خواهد کرد! و حتی در دور های پایین توربو شارژ سرعت می گیرد به علت گاز خروجی تولید شده! اکنون یک سنسور کوچک در ورودی سوخت افزایش فشار را متوجه شده و تزریق نیتروس را خاموش می کند. اکنون محرک خودبه خود پیش میرود. در عمل مقدار بسیار کمی نیتروس مصرف می گردد. نتیجه یک سیستم توربو بدون وامانگی هست حتی اگر از توربیهای عظیم استفاده شود.
انواع گوناگونی سیستم های تزریق نیتروس وتوربوشارژرهای عظیم برای کار باهمدیگر تولید می شود
یکی از مطمئن ترین راهها برای افزایش توان موتور ها، افزایش مقدار هوا و سوختی است که در سیلندرآنها می سوزد.برای این منظور افزودن تعداد سیلندرها یا بزرگ کردن هر یک از سیلندرها یکی از روش هاست اما در بعضی مواقع امکان این کار وجود ندارد. یک راه برای افزایش قدرت موتور که ساده تر و با صرفه تر نیز هست استفاده از توربو شارژردر موتوراست که بدون نیاز به تغییر در حجم و وزن موتورتوان آن را افزایش می دهد.درخودروهای پر سرعت مسابقه ای و سوپر اسپرت حتی خودروهای خانوادگی و سدان های پر قدرت نیز برای افزایش توان موتور از توربوشارژر استفاده می شود.

استفاده از ضد پس افت (Anti-Lag) در خودروهای مسابقه ای:
مکانیزم کنترل توربین گاز (Waste Gate):

بسیاری از توربوشارژر خودروها یک سوپاپ بایپس یا گذرگاه فرعی(Waste Gate) دارد که باعث می شود در توربوشارژرهای کوچک میزان چرخش آنها از حد مجازی تجاوز نکند. در واقع سوپاپ بایپس فشار داخل توربین گاز را حس کرده و اگر فشار آن بالا باشد سوپاپ فوق باز شده و مقداری از گاز را به خارج از محفظه توربین گاز هدایت می کند تا این که فشار به میزان مطلوبی برسد.

کولر داخلی (Inter Cooler):

همان طور که می دانید زمانی که هوا فشرده می شود آن گرم شده و منبسط می شود اما هدف از استفاده توربوشارژرها افزایش میزان چگالی ورودی به موتور (تعداد بیشتری از مولکولهای هوا) می باشد. به همین خاطر از کولرهای داخی استفاده می کنند تا هوای فشرده خروجی از کمپرسور را خنکتر کند تا میزان چگالی آن افزایش یابد.

توربوشارژرقلب تپنده موتور

یکی از موثر ترین راه ها برای افزایش اسب بخار موتورها افزایش مقدار هوا و سوختی است که در سیلند آن ها می سوزد برای رسیدن به این هدف اغلب خودرو سازان تعداد سیلندرها یا حجم آنه را افزایش داده اما این روش مقبول به صرفه نبوده و افزایش مصرف سوخت و آلایندگی زیاد را به دنبال دارد به همین منظور ساده ترین و به صرفه ترینترین راه استفاده از توربوشارژر است
توربو شارژر مانند قلب هوا را به داخل سیلندر دمیده یا پمپ می کند که عملا مرحله مکش توسط سیلنر حذف شده و این عامل مهم افزایش توان موتور به شمار می آید به طور معمول توربوشارژر ها فشار هوا را شش تا هشت بوند براینچ فشرده تر می کنند با توجه به اینکه فشارمعمولی اتمسفر7/14 پوند بر اینچ در سطح دریا می باشدوا ضح است که با این روش می توان 50 درصد بیشتر هوا وارد موتور کرد به علت افزایش فشار هوا که این خود کوجب افزایش 50 درصدی توان خودرو می شودالبته افزایش بازدهی واقعی بین 30 تا 40درصد بسیار قابل توجه است به طوری که موتور هشت سیلندرv شکل و 2/4 لیتری جاگوار معمولی 300 اسب بخار قدرت دارد و همین موتور با همان حجم و تعداد سیلندر به کمک توربو شارژر 400 اسب بخارقدرت دارد که افزایش 100 اسب بخاری در نوع توربو شارژر دارد قابل ملاحظه می با شد
توربو شارژر ابتدا در موتور دیزلی کار برداشت اما با ایجاد اصلاحاتی اینک در اغلب اتومبیل های پر قدرت و حتی اتومبیل های خانوادگی می توان از توربو شارژر استفاده کرد و حتی می توان آن را برروی موتور خودرو نصب کرد
در موتور های کاربراتوری کاربراتور به طور خودکار و به وسیله پلانچر کاربراتور مقدار سوخت را برای هماهنگ شدن با مقدار هوای ورودی افزایش می دهد در موتور های انژکتوری نیز این هماهنگی متکی بر سنسور های سیستم انژکتور بوده البته ممکن است با نصب توربوشارژر با قدرت بالا سیستم انژکتور به دلیل عدم برنامه ریزی نرم افزاری جواب ندهد که در این صورت باید از توربو شارژر مناسب استفاده کرد
ادامه دارد .....