موتور با حجم متغير

يك شركت تخصصي بدنه و قطعات خودرو به نام شركت ((مي فلاور)) ابداع كرده است كه مي تواند حجم وضريب كمپرس خود را در حين كاركرد تغيير دهد . اين طرح كهe3 نام گرفته است هنوز در مراحل آغازين قرار دارد اما يك نمونه تك سيلندر آن مورد آزمايش قرار گرفته تا مشخص شود كه آيا اين طرح مي تواند باعث كاهش مصرف سوخت و آلودگي هوا شود تا در صورت مثبت بودن نتايج به توليد نمونه هاي واقعي اقدام شود .

قابليت تنظيم حجم و ضريب كمپرس موتور بدان معني است كه موتور مي تواند خود را در هر لحظه با نياز راننده و همچنين شرايط كاركرد خودرو (سرعت كم ؟ بار زياد و غيره ) تطبيق دهد . كارشناسان شركن مي فلاور اظهار مي دارند در شرايط عادي در ۹۵ در صد موارد موتور فقط با بخشي از كل نيروي خود كار مي كند و تنها در شرايط خاصي نياز به تمام نيروي آن وجود دارد .

در موتور هاي رايج معمولي ، پيستون از طريق شاتون به ميل لنگ متصل است و هنگامي كه اتاقك احتراق بالاي پيستون توسط سوخت و هوا منجر مي شود انرژي آزاد شده ناشي از اين انفجار پيستون را در كورس خود به سمت پايين مي راند و باعث چرخش ميل لنگ مي شود . ياتاقاني كه شاتون را به ميل لنگ متصل مي كند در زبان انگليسي با نام «لنتهاي بزرگ» (big – end) شناخته مي شود .

در موتور e3 رابط ديگري هم بين شاتون و ميل لنگ وجود دارد و در واقع دو ياتاقان وظيفه تماس شاتون و ميل لنگ را انجام مي دهند . با تنظيم زاويه اين اتصال در هنگام كاركرد موتور ، پيستون مي تواند به ميل لنگ نزديك تر شده و يا از آن دورتر شود و با اين عمل كورس پيستون ، به طور موثر تغيير مي يابد . با اين عمل كورس پيستون به طور موثر تغيير مي يابد . با اعمال اين تنظيم در حركت رو به پايين پيستون ، حجم سفيد سيلندر تغيير مي كند ، بنابراين حجم كل موتور نيز كم يا زياد مي شود . در صورت اعمال اين تنظيم بر روي حركت رو به بالاي پيستون مي توان ضريب كمپرس موتور را نيز تغيير داد . اين تنظيم ها با استفاده از ساز و كاري كه هنوز جزئيات آن افشا نشده است و از طريق تغيير وضعيت بلوك هايي كه بازوهاي اهرم را نگه مي دارند انجام مي گيرد .

ويژگي منحصر بهفرد اين طرح آن است كه ياتاقان big – end در اين موتور ، ديگر از حركت دايره اي در موتورهاي معمولي پيروي نمي كند بلكه مسير حركت آن به صورت بيضي است . شركت مي فلاور ادعا مي كند مزيت اين طرح آن است كه سرعت حركت پيستون در نقطه مرگ بالا (نقطه انفجار) كاهش يافته و در واقع زمان بيشتري را براي احتراق سوخت فراهم مي نمايد . چنين سيستم اتصالي باعث افزايش اثر اهرمي شاتون بر ميل لنگ شده و در نهايت به افزايش گشتاور موتور منجر مي شود . همچنين گفته مي شود در نتيجه افزايش زمان احتراق سوخت ، انفجار كاملتر بوده و مصرف سوخت به ميزان ۴۰ در صد كاهش مي يابد ، ضمن اين كه باعث كاهش ۵۰ در صدي برخي از گازهاي خروجي اگزونيز مي گردد .

توربو شارژ و نقش آن در تقويت موتور
يكي از مطمئن ترين راهها براي افزايش توان و اسب بخار موتورها افزايش مقدار هوا و سوختي است كه در سيلندر آنها مي سوزد . براي اين منظور افزودن تعداد سيلندر يا بزرگتر كردن هر يك از سيلندرها يكي از روشهاست . اما در بعضي از مواقع اين كار امكانپذير نيست . يك راه ديگر براي افزايش قدرت كه ساده تر و با صرفه تر نيز هست استفاده از توربوو شارژر (Turbo charger) در موتور است . توربو شارژر ها مي توانند قدرت و اسب بخار موتور را بدون آن كه حجم و وزن آن زياد شود تقويت كنند و اين برترين خصوصيتي است كه آنها را تا اين حد ارزشمند و مهم كرده است .
امروزه هر جا كه صحبت از خودروهاي پر قدرت مسابقه اي و سوپر اسپرت مي شود ، ناگزير صحبت از توربوشارژرها نيز به ميان مي آيد . زيرا تمامي اين خودروهاحتي خودروهاي خانوادگي وسدان هاي پر قدرت نيز از اين وسيله براي افزايش توان موتور سود مي برند . توربوشارژرها همچنين در اكثر موتورهاي ديزل نيز نقش مهمي بازي مي كنند.

يك توربوشارژراز دو قسمت اصلي تشكيل شده است : توربين و كمپرسور ، كه توسط يك شفت به هم متصل هستند . اين كمپرسور اساساً مي تواند به طرق مختلفي به حركت در آيد . از جمله از طريق چرخ دنده كه در اينحالت سوپر شارژر مكانيكي ناميده مي شود.
روش ديگر به حرمت درآوردن كمپرسور ، استفاده از انرژي ذخيره شده در گازهاي اگزوز حاصل از احتراق در موتور است كه در اين حالت سوپر شارژ مكانيكي ناميده مي شود.

روش ديگر به حركتدر آوردن كمپرسور ، استفاده از انرژي ذخيره شدهدر گازهاي اگزوز حاصل از احتراق در موتور است كه در اين حالت به «توربو شارژ » معروف است .
توربو شارژ در حقيقت توربيني است كه به وسيله گازهاي اگزوز به حركت در امده و يك كمپرسور گريز از مركز را كه توسط يك شفت به آن لينك شده است مي چرخاند .

كمپرسور نيز هوا را از مركز تيغه هايش به داخل كشيده و توسط پره هاي خود ، در حين چرخش به بيرون پرتاب مي كند .
كمپرسور معمولاً بين صافي و منيفولد هواي ورودي به موتور قرار دارد. در حالي كه توربين بين منيفولد هواي خروجي موتور و انباره 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 كند وموجب حركتدوراني آنها مي شود . اين گازهاي اگزوز را نيز خفه مي كند و به اين ترتيب در اكثر مورادي نيازي به استفاده از انباره اگزوز نيست .

تنها تواني كه در مجموعه توربين و كمپرسور به هدر مي رود مربوط به اصطكاك ياتاقانهاي شفت است كه بسيار ناچيز است . سرعت توربين در توربو شارژرها تا ۱۵۰ هزار دور در دقيقه (RPM) بالغ مي شود كه حدوداً ۳۰ بار سريع تر از دور موتور خودرو است . از انجايي كه گازهاي اگزوز نيز گرم هستند و به صورت تناوبي وارد مي شوند دماي توربين بسيار بالا مي رود .

به منظور به دست آوردن سرعت ۱۵۰ هاز دور در دقيقه و بالاتر از ان درموتور شارژرها ، شفت توربين بايد با دقت بسيار زيادي ياتاقان بنديشود . اغلب ياتاقانهاي غلتشي و بلبرينگ ها در چنين سرعتي از هم گسيخته و نابود مي شوند . بنابراين اكثر توربو شارژرها از ياتاقانهاي لغزشي روغني استفاده مي كنند . اين نوع ياتاقانها ، شفت را در لايه نازكي از روغن كه دائماً به اطراف آن پمپ مي شود نگه مي دارند . اين عمل دو هدف را تامين مي كند :
۱- شفت و ديگر اجزاي توربو شارژر را خنك نگه مي دارد .

۲- به شفت اجازه مي دهد كه بدون ايجاد اصطكاك قابل توجه ، با سرعت زياد بچرخد .
به طور معمول توربوشارژرها فشار هوا را به اندازه شش تا هشت پوند بر اينچ (Psi) فشرده تر مي كنند . از انجا كه فشار معمولي اتمسفر (Psi) 7/14 پوند بر اينچ در سطح دريا است ، خواهيم ديد كه با اين روش مي توان ۵۰ ر صد بيشتر هوا وارد موتور كرد. بنابراين انتظار خواهيم داشت به قدرت خودرو نيز ۵۰ درصد افزوده شود . البته افزايش بازدهي واقعي بين ۳۰ تا ۴۰ در صد و بسيار قابل توجه است .

يكي از مزاياي ارزشمند توربو شارژرها ، كمكي است كه در ارتفاعات و مناطق مرتفع ، كه غلظت هوا كم است به موتور مي كنند . در ارتفاعات موتورهاي معمولي دچار كاهش شديد قدرت مي شوند ، زيرا براي هر مكش ، پيستون جرم كمتري از هوا را به داخل سيلندر مي كشد و حتي در صضورت افزايش مقدار سوخت پاشيده شده به داخل سيلندر نيز به علت فقدان اكسيژن كافي ، احتراق كامل صورت نمي گيرد . بنابراين مساله رقيق بودن هوا موجب كم شدن قدرزت موتور در بلنديها و نقاط با فشار هواي كم مي شود كه توربو شارژرها با كمپرس كردن و افزايش جرم هواي ورودي به موتور اين نقصيه را جبران مي كنند .

سيستم سوخت رساني انژكتوري در خورو متكي بر سنسورهايي است كه شاخصهاي گوناگوني از جمله مقدار اكسيژنموجود در گاز اگزوز را در خودرو اندازه مي گيرد پس در صورت اضافه شدن سيستم توربو به اين خودروها ، سيستم سوخت رسان به طور اتوماتيك مقدار سوختي را كه بايد توسط انژكتور به سيلندر پاشيده شود افزايش مي دهد . البته يك توربو شارژر با قدرت تقويت بالا به يك خودرو انژكتوري افزوده شود ،ممكن است سيستم سوخت رسان خودرو قادر به تزريق سوخت كافي به سيلندر ها نباشد . اين پديده از عدم توانايي پمپ سوخت يا انژكتورها جهت انتقال حجم بالاي سوخت ناشي مي شود . در اين موارد بايد براي به دست آوردن حداكثر قدرت بازدهي ، سيستم سوخت رساني نيز با توربو شارژر سازگاري پيدا كند .
تقويت بيش از حد

از آنجا كه هوا توسط توربو شارژر تحت فشار قرار مي گيرد و سپس در سيلندر نيز توسط پيستون چندين برابر كمپرس مي شود خطر ايجاد پديده ضربه در موتور افزايش مي يابد . پديده ضربه هنگامي بالا رود كه سوخت وارد شده قبل از جرقه زدن شمع هادر سيلندر بسوزد . به همين دليل اغلب خودروهاي داراي توربو شارژر نياز به سوختهاي با درجه اكتان بالا دارند . بايد دقت شود در صورتي كه فشار كمكي توربو شارژر نسبت به موتور خيلي بالا باشد بايد تا حدي نسبت تراكم موتور كاهش يابد تا پديده ضربه رخ ندهد

.
كندي يا تنبلي توربو
يكي از مشكلات بزرگ توربوشارژرها اين است كه هنگامي كه راننده پا را روي پدال گاز فشار مي دهد ، توربو بلافاصله عمل نمي كند ، بلكه چند ثانيه طول مي كشد تا توربين به سرعت كافي برسد و عمل تقويت را شروع كند كه نتيجه آن يك تاخير زماني در هنگام فشرده شدن پدال گاز و كندي يا تنبلي توربو معروف است . يكي از راههاي اصلاح كندي توربو كاهش اينرسي قطعات دوران كننده ان يا كاهش وزن آنها است .

اين كار موجب مي شود كه توربين و كمپرسور شتاب بگيرند و عمل تقويت را سريعتر شروع كنند . يكي از روشهاي كاهش اينرسي توربين و كمپرسور كوچكتر ساختن آنها است . يك توربو شارژر كوچك سريعتر و در دور پايين تر موتور عمل مي كند . اما از اين ضعف را دارد كه در دورهاي بالاي موتور كه حجم بسيار بالايي از هوا را مي طلبد تقويت زيادي ايجاد نمي كند . همچنين د رتوربو شارژر هاي كوچك رسيدن به سرعتهاي بسيار بالا در دورهاي بالاي موتور كه در ان حجم بالايي از گازهاي اگزوز از توربين مي گذرد ، مي تواند خطر آفرين باشد

.
براي رفع اين معضلات و استفاده بهينه چه در دورهاي بالا و چه در دورهاي متوسط، اصطلاحات ديگري نيز انجام شدخه است . از جمله :
استفاده از دريچه فرعي
يكي از راهاي استفاده از توربو شارژر هاي كوچك تعبيه يك دريچه فرعي در آنها است . هم اكنون اكثر توربو شارژرهاي خودرو از دريچه فرعي سود مي برند و به اين ترتيب جلوي چرخش خيلي سريع توربين در دورهاي بالاي موتور گرفته مي شود . دريچه فرعي در حقيقت سوپاپي است كه به هنگام بالا رفتن بيش از حد فشار هواي كمپرس شده باز مي شود و به گازهاي اگزوز اجازه مي دهد بدون برخورد با پره هاي توربين از آن خارج شوند .

استفاده از بلبرينگ
بعضي از توربو شارژرها به جاي ياتاقانهاي لغزشي روغني در شفت خود از بلبرينگ استفاده مي كنند . اين بلبرينگ ها بلبرينگ هاي فوق دقيقي بوده كه ا زموارد پيشرفته خاصي ساخته مي شوند و به اين ترتيب از پس از دما و سرعت بسيار زياد شفت در توربو شارژر بر مي آيند . استفاده از انها به شفت اجازه مي دهد كه با اصطكاك كمتري نسبت به ياتاقانهاي لغزشي بچرخد و همچنين از لحاظ وزن و اندازه كوچكتر شود .

استفاده از پره هاي سراميكي در توربين
پره هاي از جنس سراميك در تروبين سبك تر از پره هاي استيل است و استفاده از آن موجب كاهش كندي توربو مي شود .
توربوشارژرهاي طبقه اي
در بعضي از خودروهاي براي غلبه بر كندي توربو شارژر با اندازه هاي متفاوت استفاده شده است . توربو شارژر كوچكتر خيلي سريع سرعت مي گيرد و تقويت را شروع مي كند در حالي كه توربوي بزرگتر در دورهاي بالاتري شروع به كار موتور را تقويت مي كند .
استفاده از خنك كن مياني
هنگامي كه هوا فشرده (كمپرس) مي شود ، دماي آن افزايش مي يابد و منبسط مي شود . افزايش فشار هوا در توربو شارژرها تا حدودي نشي از افزايش دماي هواي كمپرس شدخه قبل از ورود به موتور است . بايد بدانيم هدف از كار توربو شارژرها ، افزايش قدرت موتور در اثر فرستادن تعداد بيشتر مولكول هوا به سيلندر است نه لزوماً بيشتر كردن فشار هواي ورودي به موتور لذا استفاده از يك اينتركولر براي پايين آوردن دماي هوا و مرتاكم كردن ان تاثير بسيزاييدر افزايش بازدهاي توربو خواهد داشت .

اينتر كولر در حقيقت يك وسيله جانبي شبيه رادياتور است كه به مجموعه توربو شارژر اضافه شده و در تنها تفاوت آن با رادياتور اين است كه در داخل ان نيز همانند بيرون آن هوا جريان دارد . ابتدا هوا از طريق كمپرسور مكيده مي شود و سپس از داخل گذرگاههاي آب بندي شده اي مي گذرد كه در بيرون آنها هواي خنك در جريان است

و به اين ترتيب از طريق انتقال حرارت ،‌مقداري از دماي خود را از دست مي دهد و در فشار معين ، تعداد مولكول هايش افزايش مي ياب . در خاتمه مشاهده مي شود كه توربوشارژرها وسايل بسيار مفيدي براي تقويت موتور و بهبود عملكرد آن هستند و دامنه كاري وسيعي را از موتورهاي دزل خوردوهاي سنگين و اتوبوسها و كاميونها گرفته تا خودروهاي مسابقه اي فرمول يك و خودروهاي اسپرت و حتي سدان هاي خانوادگي – مسافرتي شامل مي شوند .
انژكتور و سيستم سوخت رساني انژكتوري چگونه كار مي كند