توربو شارژرها

[رزیتا]

توربو شارژرها

هنگامی که مردم در مورد خودروهای مسابقه ای و یا خودروهای ورزشی با کیفیت صحبت می‌کنند ( که خودروهای فرمول یک را نیز شامل می شود.)، خواه نا خواه صحبت از توربوشارژر هم به میان می‌آید. توربوشارژر را همچنین می‌توان در خودروهای دیزلی بزرگ هم مشاهده کرد.

تازه گی‌ها می‌توان خودروهای سواری زیادی را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه ای از آنها نصب شده است.

توربوشارژر وسیله ای است که می‌تواند بدون آنکه وزن موتور را افزایش دهد، قدرت موتور را بالا ببرد و به همین دلیل است که استفاده از آن زیاد شده است!

در اینجا قصد داریم بفهمیم که توربوشارژر چگونه می‌تواند بدون آنکه تغییر چندانی دروزن و ظاهر 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 ( توربوشارژر مدل قدیمی ) را بهبود می‌بخشند.



توربوشارژر چیست؟



توربوشارژر نوعی سیستم دمنده است که هوا را با فشار زیاد به درون سیلندر می‌دمد. همان طور که می‌دانید، هنگامی که پیستون در حالت پایین 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، در نتیجه 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 نسبت به خودروهای معمولی با همان قدرت 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 سریع تر به سرعت مناسب دست پیدا می‌کند.

اما 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 می‌شد.

ولی در نوع پیشرفته تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجی اگزوز استفاده می‌شود. گازهای خروجی اگزوز داغ هستند و می‌توان از انرژی جنبشی زیاد، 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 می‌رسد 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 می‌شوند توربین از فناوری پیشرفته ای برخوردار باشد تا بتواند کارآیی و دوام خود را تا مدت‌ها حفظ کند.

یک نگاه آماری



توربوشارژرهای رایج می‌توانند هوا را با فشار ی40 تا 55 کیلوپاسکال بیشتر از هوای محیط به موتور برسانند. از آنجایی که فشار هوای سطح دریا 100 کیلوپاسکال است، مشخص می‌شود که توربوشارژر تقریباً 50% 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 عمل، 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!

پره های توربین، میل محور، پره های کمپرسور

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. پره های توربین با طراحی خاص می‌توانند 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 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 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 می‌شود.
در چنین یاتاقانهایی، لایه نازکی از روغن اطراف میل محور را می‌پوشاند و بدین ترتیب، هم میل محور را خنک می‌کند و هم اصطکاک های احتمالی را به حداقل می‌رساند.


پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در می‌آید. کمپرسور همانند یک پمپ سانتریفوژ( پمپ هایی که از گریز از مرکز استفاده می کنند.) عمل می‌کند، بدین ترتیب که هوا را از مرکز به گردش در می‌آورد و در نهایت هوای فشرده شده که در اطراف و بیرون پره ها پدید می آید 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 می‌شود، 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.

اما 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، که ضربه ناشی از احتراق می‌تواند 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 می‌دارند. البته برخی دیگر سوختی با اکتان بالاتر را برای موتور پیشهاد می‌دهند.


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 می‌آورید، حدودا یک ثانیه طول می‌کشد تا توربین به سرعت لازم دست پیدا کند و افزایش قدرت اعمال شود. بنابراین افزایش قدرت با کمی تأخیر حاصل می گردد. یکی از روش های 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 می‌شود.


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 راه حل های 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 دریچه‌ها باز می‌شوند و بخشی از گازهای خروجی موتور بدون آنکه از توربین عبور کند، از اگزوز خارج می‌شود. این چنین سرعت دوران توربین در سرعت های بالا هم در حد مجاز باقی می‌ماند.




یاتاقانهای ساچمه ای

در این یاتاقانها، از ساچمه های بسیار پیشرفته ای استفاده شده که از مواد بسیار پیشرفته و با فناوری فرا دقیق ساخته شده اند.
این یاتاقانها موجب می‌شوند میل محور با اصطکاک کمتری نسبت به یاتاقانهای روغنی که در اغلب نمونه‌ها استفاده می‌شود، بگردد؛ ضمن آنکه موجب می‌شود بتوان از میل محورهای کوچکتر و سبکتری استفاده کرد. این چنین میل محور سریع تر شتاب می‌گیرد و زمان تأخیر کاهش می‌یابد.


پره های سرامیکی توربین


سرامیک، دسته ای از مواد هستند که استحکام خوبی دارند و به مراتب از فلز هم اندازه خود سبک ترند. استفاده از این پره‌ها به جای پره های فلزی دو مزیت دارد، نخست آنکه با سبک تر کردن توربین ، زمان تأخیر را کاهش می‌دهد و دوم، چون بر همکنش با مواد خوزنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را برای مدت‌ها حفظ می‌کند و مانند پره فلزی خورده نمی شود.

خنک کننده داخلی (intercooler)


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.


نویسنده:ذوالفقار دانشی