turbocharger

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 ۱۵۰ هزار دور در دقیقه می رسد که بیش از ۳۰ 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 ۴۰ تا ۵۵ کیلوپاسکال بیشتر از هوای محیط برسانند. از آنجایی که فشار هوای سطح دریا ۱۰۰ کیلوپاسکال است، مشخص می شود که توربوشارژر تقریباً ۵۰% 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 ۳۰ تا ۴۰ 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 ۱۵۰ 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.
● 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 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.
- 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 می شوند میل محور با اصطکاک کمتری نسبت به یاتاقانهای روغنی که در اغلب نمونه ها استفاده می شود، بگردد؛ ضمن آنکه موجب می شود بتوان از میل محورهای کوچکتر و سبکتری هم بتوان استفاده کرد. این چنین میل محور سریع تر شتاب می گیرد و زمان تأخیر کاهش می یابد.
- پره های سرامیکی توربین:
سرامیک، دسته ای از مواد هستند که استحکام خوبی دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبک ترند. استفاده از این پره ها به جای پره های فلزی دو مزیت دارد، نخست آنکه با سبک تر کردن توربین ، زمان تأخیر را کاهش می دهد و دوم، چون بر همکنش با مواد خوزنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را برای مدت ها حفظ می کند و مانند پره فلزی خورده نمی شود.
- خنک کننده داخلی (intercooler)
هنگامی که توربوشارژر هوا را فشرده می کند، خواه نا خواه دمای هوا نیز افزایش می یابد. این افزایش دما جدای از تأثیر مخرب بر حداکثر فشار درون سیلندر، موجب می شود مولکولهای هوا کمتر از آن مقداری باشند که در طراحی خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از یک خنک کننده استفاده می شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دمای آن به مقدار قابل توجهی کاهش یابد. بدین ترتیب می توان با اطمینان خاطر و بدون نگران بودن از پیش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر رساند.
وظیفه اصلی توربو تقویت سیستم مکش می باشد .
توربو شارژرها و سوپر شارژر ها که در مقاله بعد مورد بررسی قرار میگیرد ( سیستمهای پر خوران ) با متراکم کردن هوای ورودی حجم بیشتری از هوا را درون سیلندر وارد میکنند که با اضافه کردن مقدار سوخت بیشتر به آن میتوان انفجار قویتری را درون سیلندر ایجاد کرد و در نتیجه توان موتور به مقدار قابل توجهی افزایش میابد
توربو شارژر از دو توربین حلزونی تشکیل شده که به وسیله ی یک شافت به هم متصل هستند یکی از این توربینها را در مدار اگزز و مسیر خروج دود قرار میدهند که انرژی حاصل از حرکت آن برای به حرکت در آوردن توربین دوم به کار میرود

   سایت علمی دانشجویان ایران