سوپر شارژر و توربو شارژر (1)

مقاله حاضر به توربوشارژ و توربوشارژ کردن و سوپر شارژر کردن سوموتورهای درونسوز می‌پردازد و اصول کار را بیان می‌کند. توربوشارژ قابلیت راندن و عملکرد خودرو را تغییر می‌دهد و به فرایندی گفته می‌شود که طی آن با استفاده از انرژی گازهای خروجی اگزوز، هوا متراکم و به داخل سیلندر هدایت می‌شود. اجزای اصلی یک توربوشارژ شامل توربین، کمپرسور، اینترکولر (inter cooler) یا افترکولر (after cooler) و کنترلرهاست. اولین حق امتیاز این دستگاه در سال 1905 و به نام دکتر آلفرد بوچی ثبت شده است.

خلاصه:

در موتورهای دیزل ـ به غیر از انواع کوچک آن ـ توربوشارژ یکی از اجزای لاینفک است که موجب افزایش نسبت توان به وزن، حجم و هزینه نهایی می‌شود. از جمله مزایای دیگر توربوشارژ کردن در موتورهای دیزل، کاهش دودزایی و صداست.
در گذشته تنها موتورهای بنزینی توربوشارژ شده، موتورهای پیستونی هواپیما و بعد از آن خودروهای مخصوص مسابقه بودند. با استفاده از توربوشارژ، مقدار توان تولیدی موتور هواپیما در سطح دریا تا ارتفاعات بالا حفظ می‌شود و امکان استفاده از موتور کوچکتر فراهم می‌آید. توان خودروهای مسابقه نیز با توربوشارژ کردن به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. به عنوان مثال می‌توان از یک موتور بنزینی با حجم CC 1500 بیش از 500 KW توان دریافت کرد. بعدها توربوشارژدر خودروهای سواری متداول نیز به کار گرفته شد و استفاده از آن گسترش یافت؛ به طوری که در اواخر دهه 80 میلادی حدود 20 درصد از انواع خودروهای اروپایی از آن بهره می‌بردند و علت اصلی آن نیز افزایش هزینه سوخت (بنزین) بود.
یک موتور بنزینی توربوشارژ شده نسبتاً کم حجم می‌تواند ضمن صرفه‌جویی در مصرف سوخت، توان و گشتاور بالای یک موتور دارای مکش عادی ولی با حجم زیاد را ایجاد کند. برای آشنایی هرچه بیشتر با توربوشارژ در ادامه به مفاهیم اساسی سوپرشارژ کردن، توربوشارژ کردن، خنک کردن شارژ و موتور مرکب پرداخته می‌شود.

 سوپر شارژر و توربو شارژر:

توربوشارژر وسیله‌ای است که می‌تواند 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 گسترده‌ای برخوردار است! در اینجا قصد داریم بفهمیم که توربوشارژر چگونه می‌تواند بدون آنکه تغییر چندانی در وضعیت فیزیکی موتور ایجاد کند، قدرت را به مقدار بسیار زیادی افزایش دهد. همچنین خواهیم دید دریچه‌های خروجی، پره‌های سرامیکی توربین، مجراهای عبور گاز چگونه کارآیی سوپر شارژر را بهبود می بخشند.
رد این توربوشارژر را همچنین می توان در خودروهای دیزلی بزرگ هم مشاهده کرد. امروزه می‌توان خودروهای سواری زیادی را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه‌ای از آنها نصب شده است.
توربوشارژر وسیله‌ای است که می‌تواند 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 گسترده‌ای برخوردار است! در اینجا قصد داریم بفهمیم که توربوشارژر چگونه می‌تواند بدون آنکه تغییر چندانی در وضعیت فیزیکی موتور ایجاد کند، قدرت را به مقدار بسیار زیادی افزایش دهد. همچنین خواهیم دید دریچه‌های خروجی، پره‌های 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 می‌دمد. هنگامی که پیستون در حالت عکس قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور دیزلی، هوا) را به درون سیلندر می‌مکد. هر چه فشار هوا بیشتر باشد مقدار مولکولهای هوا بیشتر خواهد بود، و بالتبع 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 می‌کند. توربوشارژر به سادگی می‌تواند 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 می‌برد، در نتیجه حجم و وزن خودرو نیز کمتر می‌شود و این بدان معنی است که شتاب خودروی مجهز به توربوشارژر بیشتر است و سریع‌تر به سرعت مناسب دست پیدا می‌کند.

توربوشارژر قدرت لازم برای فشرده کردن هوای ورودی را از کجا تأمین می‌کند؟

در نوع ابتدایی توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نیاز از میل لنگ گرفته می‌شد، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو صرف فشرده سازی هوای ورودی می شد. ولی در نوع پیشرفته‌تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجی اگزوز استفاده می‌شود. گازهای خروجی اگزوز داغ هستند و می‌توان از انرژی جنبشی، سرعت و فشار آنها برای چرخاندن یک توربین استفاده کرد. این توربین هم یک پمپ هوا را می‌گرداند و در نهایت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سیلندر می‌فرستد. توربین نصب شده در مسیر گازهای خروجی گاه به سرعت 150 هزار دور در دقیقه می رسد که بیش از 30 بار سریع‌تر از دور موتور اغلب خودروهای امروزی است.
دمای این توربین هم به دلیل تماس با گازهای داغ خروجی بسیار بالاست. این دو عامل موجب می‌شوند توربین از فناوری پیشرفته‌ای برخوردار باشد تا بتواند کارآیی و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند.
یک نگاه آماری: توربوشارژرهای رایج می‌توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کیلوپاسکال بیشتر از هوای محیط برسانند. از آنجایی که فشار هوای سطح دریا 100 کیلوپاسکال است، مشخص می‌شود که توربوشارژر تقریباً 50 درصد هوای بیشتر وارد سیلندر می‌کند. بنابراین انتظار می‌رود 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 می‌گردد که کار مورد نیاز توربوشارژر رایگان نیست. هنگامی که گاز خروجی اگزوز توربین را می‌چرخاند، 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 می‌کند.
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 می‌شود. خودروهای معمولی در چنین ارتفاعاتی با کاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی خودروهای مجهز به توربوشارژر علیرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی مقدار این کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم برای فشرده کردن گاز رقیق کمتر است!
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 می‌شود که گاز دارای بیشترین سرعت و دمای ممکن باشد. پره‌های توربین با طراحی خاص می‌توانند به گردش 150 هزار دور در دقیقه دست پیدا کنند، ولی انتقال چنین گردشی به کمپرسور کار ساده‌ای نیست. میل محوری که پروانه توربین را به پره‌های کمپرسور متصل می‌کند، باید دارای پایداری بسیار بالایی باشد. اغلب میل محورهای معمولی در چنین سرعت بالایی منفجر می‌شوند، زیرا هم دمای میله بسیار بالا می‌رود، هم اندکی جابه‌جایی 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 می‌شود. در چنین یاتاقانهایی، لایه نازکی از روغن اطراف میل محور را می‌پوشاند و بدین ترتیب، هم میل محور را خنک می‌کند و هم اصطکاک‌های احتمالی را به حداقل می‌رساند.
پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در می‌آید. کمپرسور همانند یک پمپ سانتریفوژ عمل می‌کند، بدین ترتیب که هوا را از مرکز به گردش در می‌آورد و در نهایت هوای فشرده شده را از حفره تعبیه شده در محیط خارج به بیرون می‌دمد.

محدودیت های توربوشارژر

الف- فشار: فشار 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 می‌شود.
افزایش دما اثری به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصی بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت می‌توانند پیش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدین ترتیب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال می‌شود، بلکه ضربه ناشی از احتراق می‌تواند آسیب‌های جدی به موتور وارد آورد. از این رو برخی با کاهش دادن نسبت تراکم سیلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه می‌دارند. البته برخی دیگر سوختی با اکتان بالاتر را برای موتور پیشنهاد می‌کنند.
ب- زمان تأخیر: یکی از مهم‌ترین مشکلات توربوشارژر این است که نمی‌توانند افزایش قدرت را به طور ناگهانی اعمال کنند. هنگامی که به پدال گاز فشار می‌آورید، حدوداً یک ثانیه طول می‌کشد تا توربین به سرعت لازم دست پیدا کند و افزایش قدرت اعمال شود. بنابراین افزایش قدرت با کمی تأخیر حاصل می‌شود. یکی از روش‌های کاستن این زمان تأخیر، پایین آوردن اینرسی قطعات است که معمولاً از طریق سبک کردن قطعات بدست می‌آید؛ بدین ترتیب توربین و پمپ سریع تر شتاب می‌گیرند 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 می‌کند، ولی در سرعت های بسیار بالا که باید حجم زیادی هوا را وارد سیلندر کند، کم توان و گاه خطرناک ظاهر می‌شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ می‌تواند به خوبی از عهده پمپ کردن حجم زیاد هوا برآید، ولی زمان تأخیر آن بیشتر خواهد بود
خوشبختانه راه‌حل‌های جالبی برای مقابله با این مشکلات پیشنهاد شده است که به برخی از آنها اشاره می‌کنیم:
- دریچه اگزوز (wastegate)
بسیاری از خودروهای توربوشارژردار از یک یا چند دریچه کمکی در مجرای اگزوز سود می‌برند که آنها را قادر می‌سازد از توربوشارژرهای کوچک استفاده کنند. هنگامی که سرعت خودرو بسیار بالا می‌رود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزایش می‌یابد، این خطر وجود دارد که توربین با سرعت بسیار بالاتری بگردد. از این شرایط این دریچه‌ها باز شده و بخشی از اگزوز بدون آنکه از توربین عبور کند، از موتور خارج می‌شود. به این ترتیب سرعت دوران توربین در سرعت‌های بالا هم در حد مجاز باقی می‌ماند.
- یاتاقانهای ساچمه‌ای
در این یاتاقانها، از ساچمه‌های بسیار پیشرفته‌ای استفاده شده که از مواد بسیار پیشرفته و با فناوری فرا دقیق ساخته شده‌اند.
این یاتاقانها موجب می‌شوند میل محور با اصطکاک کمتری نسبت به یاتاقانهای روغنی که در اغلب نمونه‌ها استفاده می‌شود، بگردد؛ ضمن آنکه موجب می شود از میل محورهای کوچکتر و سبکتری هم بتوان استفاده کرد. این چنین میل محور سریع‌تر شتاب می‌گیرد و زمان تأخیر کاهش می‌یابد.
- پره‌های سرامیکی توربین
سرامیک، دسته‌ای از مواد هستند که استحکام خوبی دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبک‌ترند. استفاده از این پره‌ها به جای پره‌های فلزی دو مزیت دارد، نخست آنکه با سبک‌تر کردن توربین، زمان تأخیر را کاهش می‌دهد و دوم، چون بر همکنش با مواد خورنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را برای مدت‌ها حفظ می‌کند و مانند پره فلزی خورده نمی‌شود.
- خنک کننده داخلی
هنگامی که توربوشارژر هوا را فشرده می‌کند، خواه نا خواه دمای هوا نیز افزایش می‌یابد. این افزایش دما جدای از تأثیر مخرب بر حداکثر فشار درون سیلندر، موجب می‌شود مولکولهای هوا کمتر از آن مقداری باشند که در طراحی خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از یک خنک کننده استفاده می‌شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دمای آن به مقدار قابل توجهی کاهش یابد. بدین ترتیب می‌توان با اطمینان خاطر و بدون نگران بودن از پیش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر رساند.

سوپر شارژر

سوپر شارژرها کمپرسورهایی هستند که توان مورد نیاز خود را برای فشردن هوا از موتور می‌گیرند . و توربو شارژر ها، همان سوپر شارژر هایی هستند که نیروی محرکه خود را از دودهای خروجی از اگزوز می‌گیرند .
سه نوع سوپر شارژر وجود دارد :
• نوع دمنده ای
• نوع گریز از مرکز
• نوع مارپیچی
که همگی آنها قدرت رانشی خود را بطریقی از میل لنگ موتور می‌گیرند بطوریکه سرعت بالاتر موتور ، باعث سریع‌تر چرخیدن آنها می‌شود
دو نوع اول با سرعتی معادل 15000 دور در دقیقه و نوع سوم یا گریز از مرکز با سرعتی معادل 40000 دور در دقیقه می‌چرخد .

مقایسه توربو شارژر و سوپر شارژر

زمان در سرویس قرار گرفتن : سوپرشارژرها بلافاصله بعد از روشن نمودن و چرخش موتور، در سرویس قرار می‌گیرند و هوای فشرده را در اختیار موتور قرار می‌دهند هر چند این میزان تقویت اولیه برای موتور، خیلی اندک است ولی بتدریج با دور گرفتن موتور افزایش می‌یابد و حاصل آن افزایش آرام و یکنواخت توان موتور است .
اما در مقابل توربو شارژر ها نقطه ضعفی دارند که آن را تاخیر در واکنش نشان دادن می‌نامند. چون لختی که توربو شارژرها در آغاز کار دارند و باید ابتدا دودهای خروجی داغ تولید شوند تا دور بگیرند (spool up) باعث می‌شود که مدتی طول بکشد تا هوا را برای فرستادن به موتور فشرده کنند و بنابراین تا دور موتور بالا نرفته است نمی‌توانند هوا را به شکل دلخواه فشرده کنند.
در حالتی که دریچه هوای ورودی آنها باز باشد (wide open throttle =wot) معمولا یک افزایش ناگهانی در قدرت توربو شارژر پدید می‌آید. این موضوع در دورهای حدود rpm 3000 صورت می‌گیرد و در این حالت اگر شما خودرویی را که توربو شارژر دارد رانده باشید، ضربه‌هایی را که وارد می‌شود حس خواهید کرد.
البته این امکان وجود دارد که توربو شارژرها را در اندازه‌ای ساخت که واکنش اولیه آنها سریع‌تر باشد . مثلاً موتور های دیزلی وجود دارد که توربو شارژرهای آنان به اندازه‌ای کوچک است که دور آن به 2000-1700 دور در دقیقه می‌رسد. عیب عمده‌ای که این نوع توربوشارژرها دارند این است که توانهای بالایی را نمی‌توان از آنها گرفت.

افت توان غیر قابل اجتناب

سوپرشارژرها بعلت اینکه نیروی خود را از موتور می‌گیرند باعث می‌شوند که بخشی از توان تولید شده توسط موتور را مصرف کنند این افت توان غیر قابل اجتناب می‌تواند حتی از 50 اسب بخار هم تجاوز کند البته این سوپر شارژرها بیش از آنچه انرژی مصرف می‌کنند به توان موتور اضافه می‌کنند . ولی توربو شارژرها بعلت اینکه هیچگونه انرژی را از موتور مصرف نمی‌کنند ولی با ایجاد مانع در جریان دودهای خروجی از موتور و افزایش فشار پس زدن سبب می‌شوند بخشی از توان موتور بطور غیر مستقیم کاسته شود . چون در این حالت پیستون باید انرژی بیشتری را برای بیرون راندن دودهای خروجی از سیلندر صرف کند ولی از طرف دیگر استفاده از توربو شارژر باعث می‌شود که هوای فشرده با فشار وارد سیلندر شود و همین موضوع باعث محکم به پائین رفتن پیستون و دادن انرژی به آن می شود که با انرژی که قبلاً گفته شد خنثی می‌شود. بهر حال استفاده از توربو شارژر بعلت اینکه توانی برای کار کردن از موتور نمی‌گیرد و باعث بالا رفتن توان موتور می‌شود معمول تر از سوپر شارژر است.

تولید حرارت

هنگامیکه هوای ورودی خنک‌تر باشد متراکم‌تر و چگال‌تر است که بدین مفهوم است که اکسیژن بیشتری در واحد حجم به موتور می‌رسد . اکسیژن بیشتر به مفهوم توان بیشتر است سوپر شارژرهای دمنده‌ای از این جهت که تولید گرما می‌کنند مطلوب نیستند این گرمای تولید شده حاصل ناکافی بودن تراکم هوای ورودی است و از این روی توربوشارژرها کارآیی بیشتری نسبت به سوپر شارژرها دارند .
سوپر شارژرهای گریز از مرکز می‌توانند از این جهت بهتر از توربو شارژرها باشند و قابلیت انعطاف بیشتری را از خود بروز دهند. با قرار دادن لوله هوای ورودی به موتور در نزدیکی دودهای خروجی می‌توان هوای ورودی به موتور را گرمتر کرد . سوپر شارژرهای گریز از مرکزی که خوب طراحی شده باشند می‌توانند این گرما را از طریق نصب خنک کننده کاهش دهند .

قابلیت اطمینان

مردم اغلب می‌گویند که سوپر شارژرها نسبت به توربو شارژرها قابلیت اطمینان بیشتری دارند و این بدان علت است که توربو شارژرها در حرارت بالا کار می‌کنند و توسط روغن روانکاری می‌شوند و هر گاه قبل از خنک شدن آنها موتور خودرو را خاموش کنند این روغن در معرض حرارت قرار می‌گیرد و باعث کوتاه شدن عمر کاری توربو شارژر می‌شود. اما با تعمیر و نگهداری و مراقبت‌های لازم از توربو شارژر می توان بر این مشکل هم فائق آمد.

میزان تقویت

از نظر حداکثر توان مطلق تولیدی استفاده از توربو شارژر امکان بالاتری برای تقویت قدرت موتور ارائه می‌دهد تا استفاده از سوپر شارژر . مثلاً در تراکتورهایی که جهت کشش مورد استفاده قرار می‌گیرند، استفاده از سه توربو شارژر بصورت سری باعث می‌شود که سطح تقویت هوای ورودی فشاری معادل psi 200 تولید کند !

نتیجه گیری : توربو شارژر یا سوپر شارژر ؟

اظهار نظر در مورد اینکه استفاده از کدامیک (توربو شارژر یا سوپر شارژر) بهتر است کاری مشکل است .
مهم‌ترین مزیت سوپر شارژر این است که زمان واکنش نشان دادن آن کم است و به سرعت در سرویس قرار می‌گیرد (البته غیر از نوع گریز از مرکز آن ) و استفاده از آن هم ساده است.
از آن طرف عمده‌ترین مزیت توربو شارژر ، کارایی بالای آن و تولید حداکثر توان است .
این دیگر بستگی به نظر خریداران خودرو دارد که تصمیم بگیرند کدام نوع را برای وسیله خود انتخاب کنند

توربو شارژر چیست؟ (تو ضیح کامل)

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.