توربوشارژرها

هنگامي که مردم در مورد خودروهاي مسابقه اي و يا خودروهاي ورزشي با کيفيت صحبت مي کنند ( و از آن جمله است خودروهاي فرمول يک)، خواه نا خواه صحبت از توربوشارژر هم به ميان مي آيد. رد اين توربوشارژر را همچنين مي توان در خودروهاي ديزلي بزرگ هم مشاهده کرد.
تازه گي ها مي توان خودروهاي سواري زيادي را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه اي از آنها نصب شده است.

ي تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهي افزايش دهد، قدرت موتور را بسيار بالا ببرد و به همين دليل است که از چنين محبوبيت گسترده اي برخوردار است!
در اينجا قصد داريم بفهميم که توربوشارژر چگونه مي تواند بدون آنکه تغيير چنداني در وضعيت فيزيکي موتور ايجاد کند، قدرت را به مقدار بسيار زيادي افزايش دهد. هم چنين خواهيم ديد دريچه هاي خروجي، پره هاي سراميکي توربين، مجراهاي عبور گاز چگونه کارآيي سوپر شارژر را بهبود مي بخشند.
توربوشارژر چيست؟
توربوشارژر نوعي سيستم دمنده است که هوا را با فشار زياد به درون سيلندر مي دمد. همان طور که مي دانيد، هنگامي که پيستون در حالت عکسش قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور ديزلي، هوا) را به درون سيلندر مي مکد. هر چه فشار هوا بيشتر باشد مقدار مولکولهاي هوا بيشتر خواهد بود، و باتبع مخلوط هوا و سوخت بيشتري در سيلندر جاي خواهد گرفت. هر چه سوخت بيشتر باشد، قدرت ناشي از احتراق هم بيشتر خواهد بود.
بدين ترتيب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بيشتري نسبت به موتور معمولي توليد مي کند. توربوشارژر به سادگي مي تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، يعني با قدرت مساوي، خودروي مجهز به توربو شارژر از موتوري با وزن و حجم کمتر سود مي برد، در نتيجه حجم و وزن خودرو نيز کمتر مي شود و اين بدان معني است که شتاب خودروي مجهز به توربوشارژر بيشتر است و سريع تر به سرعت مناسب دست پيدا مي کند.
اما توربوشارژر قدرت لازم براي فشرده کردن هواي ورودي را از کجا تأمين مي کند؟ در نوع ابتدايي توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نياز از ميل لنگ گرفته مي شد، يعني بخشي از توان توليدي خودرو صرف فشرده سازي هواي ورودي مي شد.

ولي در نوع پيشرفته تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجي اگزوز استفاده مي شود. گازهاي خروجي اگزوز داغ هستند و مي توان از انرژي جنبشي، سرعت و فشار آنها براي چرخاندن يک توربين استفاده کرد. اين توربين هم يک پمپ هوا را مي گرداند و در نهايت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سيلندر مي فرستد. توربين نصب شده در مسير گازهاي خروجي گاه به سرعت ۱۵۰ هزار دور در دقيقه مي رسد که بيش از ۳۰ بار سريع ر از دور موتور اغلب خودروهاي امروزي است.
دماي اين توربين هم به دليل تماس با گازهاي داغ خروجي بسيار بالاست. اين دو عامل موجب مي شوند توربين از فناوري پيشرفته اي برخوردار باشد تا بتواند کارآيي و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند.
يک نگاه آماري
توربوشارژرهاي رايج مي توانند هوا را به فشار ۴۰ تا ۵۵ کيلوپاسکال بيشتر از هواي محيط برسانند. از آنجايي که فشار هواي سطح دريا ۱۰۰

کيلوپاسکال است، مشخص مي شود که توربوشارژر تقريباً ۵۰% هواي بيشتر وارد سيلندر مي کند. بنابراين انتظار مي رود که قدرت هم تا پنجاه درصد افزايش يابد. ولي به دليل برخي تلفات، اين افزايش قدرت بين ۳۰ تا ۴۰ درصد خواهد بود.
يکي از دلايل اين اتلاف به اين موضوع باز مي گردد که کار مورد نياز توربوشارژر رايگان نيست. هنگامي که گاز خروجي اگزوز توربين را مي چرخاند، بدان معني است که مقاومتي در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پيستون بايد فشار بيشتري اعمال کند تا گاز تخليه شود و اين، بخشي از قدرت موتور را مصرف مي کند.

يکي ديگر از مزاياي توربوشارژر، قابليت بهبود کارکرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات، فشار هوا کمتر است و در نتيجه هواي کمتري در سيلندر وارد مي شود. خودروهاي معمولي در چنين ارتفاعاتي با کاهش قدرت مواجه مي شوند، ولي خودروهاي مجهز به توربوشارژر عليرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه مي شوند، ولي مقدار اين کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم براي فشرده کردن گاز رقيق کمتر است!
پره، ميل محور، پره
همان طور که اشاره شد، يک توربوشارژر معمولي از يک توربين، يک ميل محور (شافت) و يک کمپرسور تشکيل شده است. مجراي گاز خروجي اگزوز معمولا به گونه اي طراحي مي شود که گاز داراي بيشترين سرعت و دماي ممکن باشد. پره هاي توربين با طراحي خاص مي توانند به گردش ۱۵۰ هزار دور در دقيقه دست پيدا کنند، ولي انتقال چنين گردشي به کمپرسور کار ساده اي نيست.
ميل محوري که پروانه توربين را به پره هاي کمپرسور متصل مي کند، بايد داراي پايداري بسيار بالايي باشد. اغلب ميل محورهاي معمولي در چنين سرعت بالايي من

فجر مي شوند، زيرا هم دماي ميله بسيار بالا مي رود، هم اندکي ناجابه جايي و عدم تعادل در نصب ميل محور کافي است تا در اين سرعت، ميل محور به بيرون پرتاب شود.

از اين رو از ياتاقانهاي روغني براي مهار ميل محور در توربوشارژر استفاده مي شود.
در چنين ياتاقانهايي، لايه نازکي از روغن اطراف ميل محور را مي پوشاند و بدين ترتيب، هم ميل محور را خنک مي کند و هم اصطکاک هاي احتمالي را به حداقل مي ر

ساند.
پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در مي آيد. کمپرسور همانند يک پمپ سانتريفوژ عمل مي کند، بدين ترتيب که هوا را از مرکز به گردش در مي آورد و در نهايت هواي فشرده شده را از حفره تعبيه شده در محيط خارج به بيرون ميدمد.
محدوديت هاي توربوشارژر
الف- فشار
فشار حداکثر درون سيلندر نبايد از يک مقدار مجاز بيشتر شود. هنگامي که مخلوط هوا و سوخت در سيلندر يک خودروي بنزيني متراکم مي شود، دماي آن نيز همراه با فشار افزايش خواهد يافت. فشار بيش از اندازه به ديواره هاي سيلندر، سرسيلندر و حتي پيستون و ميل لنگ موجب کاهش عمر مفيد آنها مي شود.
اما افزايش دما اثري به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصي بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت مي توانند پيش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدين ترتيب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال مي شود، که ضربه ناشي از احتراق مي تواند آسيب هاي جدي به موتور وارد آورد. از اين رو برخي با کاهش دادن نسبت تراکم سيلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه مي دارند. البته برخي ديگر سوختي با اکتان بالاتر را براي موتور پيشهاد مي دهند.
ب- زمان تأخير:
يکي از مهم ترين مشکلات توربوشارژر اين است که نمي توانند افزايش قدرت را به طور ناگهاني اعمال کنند. هنگامي که به پدال گاز فشار مي آوريد، حدودا يک ثانيه طول مي کشد تا توربين به سرعت لازم دست پيدا کند و افزايش قدرت اعمال شود. بنابراين افزايش قدرت با کمي تأخير حاصل مي شود. يکي از روش هاي کاستن اين زمان تأخير، پايين آوردن اينرسي قطعات است که معمولاً از طريق سبک کردن قطعات بدست مي آيد؛ بدين ترتيب توربين و پمپ سريع تر شتاب مي گيرند و قدرت سريع تر اعمال مي شود.
ج- اندازه توربوشارژر:

اندازه توربوشارژر هم مزايا و معايبي به همراه دارد. هر چه توربوشارژر کوچکتر باشد، زمان تأخير کمتري دارد و سريع تر قدرت را اعمال مي کند، ولي در سرعت هاي بسيار بالا که بايد حجم زيادي هوا را وارد سيلندر کند، کم توان و گاه خطرناک ظاهر مي شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ مي تواند به خوبي از عهده پمپ کردن حجم زياد هوا برآيد، ولي زمان تأخير آن بيشتر خواهد بود.
خوشبختانه راه حل هاي جالبي براي مقابله با اين مشکلات پيشنهاد ش

ده است که به برخي از آنها اشاره مي کنيم.

– دريچه اگزوز (wastegate)
بسياري از خودروهاي توربوشارژردار از يک يا چند دريچه کمکي در مجراي اگزوز سود مي برند که آنها را قادر مي سازد از توربوشارژرهاي کوچک استفاده کنند. هنگامي که سرعت خودرو بسيار بالا مي رود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزايش مي يابد، اين خطر وجود دارد که توربين با سرعت بسيار بالاتري بگردد. از اين دريچه ها باز مي شوند و بخشي از اگزوز بدون آنکه از توربين عبور کند، از موتور خارج مي شود. اين چنين سرعت دوران توربين در سرعت هاي بالا هم در حد مجاز باقي مي ماند.

– ياتاقانهاي ساچمه اي
در اين ياتاقانها، از ساچمه هاي بسيار پيشرفته اي استفاده شده که از مواد بسيار پيشرفته و با فناوري فرا دقيق ساخته شده اند.
اين ياتاقانها موجب مي شوند ميل محور با اصطکاک کمتري نسبت به ياتاقانهاي روغني که در اغلب نمونه ها استفاده مي شود، بگردد؛ ضمن آنکه موجب مي شود بتوان از ميل محورهاي کوچکتر و سبکتري هم بتوان استفاده کرد. اين چنين ميل محور سريع تر شتاب مي گيرد و زمان تأخير کاهش مي يابد.

– پره هاي سراميکي توربين:

سراميک، دسته اي از مواد هستند که استحکام خوبي دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبک ترند. استفاده از اين پره ها به جاي پره هاي فلزي دو مزيت دارد، نخست آنکه با سبک تر کردن توربين ، زمان تأخير را کاهش مي دهد و دوم، چون بر همکنش با مواد خوزنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را براي مدت ها حفظ مي کند و مانند پره فلزي خورده نمي شود.

– خنک کننده داخلي (intercooler)
هنگامي که توربوشارژر هوا را فشرده مي کند، خواه نا خواه دماي هوا

نيز افزايش مي يابد. اين افزايش دما جداي از تأثير مخرب بر حداکثر فشار درون سيلندر، موجب مي شود مولکولهاي هوا کمتر از آن مقداري باشند که در طراحي خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از يک خنک کننده استفاده مي شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دماي آن به مقدار قابل توجهي کاهش يابد. بدين ترتيب مي توان با اطمينان خاطر و بدون نگران بودن از پيش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر رساند.

 

توربو شارژرها چگونه کار می کنند؟

وقتی مردم درباره ی اتومبیل های مسابقه یا اتومبیل های ورزشی با سرعت بالا صحبت می کنند،موضوع توربوشارژرها ظاهر می شود ،توربوشارژرها در موتورهای دیزل بزرگ هم وجود دارند،یک توربوشارژر به طور عمده قدرت موتور را بدون افزایش وزن آن زیاد می کند که مزیت بزرگی است و توربوشارژرها را مهم می کند

در این مقاله یاد می گیریم که چطور توربوشارژر قدرت خروجی موتور را افزایش می دهد،همچنین یاد می گیریم پره های سرامیکی و یاطاقان های ساچمه ای چطور به توربوشارژر کمک می کنند تا وظیفه اش را بهتر انجام دهد

توربوشارژرها یک نوع سیستم مکش هوا هستند که جریان هوای ورودی به موتور را فشرده می کنند،مزیت این سیستم این است که به موتور اجازه می دهد هوای بیشتری به سیلندر وارد کند و هوای بیشتر به معنی سوخت بیشتر است،بنابر این انرژی بیشتری از هر انفجار به دست می آید،یک موتور با توربو شارژر در کل قذرت بیشتری از یک موتور مشابه بدون تورربوشارژر دارد،یعنی توربوشارژر نسبت قدرت به وزن موتور را افزایش می دهد
برای رسیدن به این تقویت فشار،توربوشارژر از جریان خروجی اگزوز برای چرخاندن یک توربین استفاده می کند که خود یک پمپ هوا را می چرخاند،توربین در توربوشارژر با سرعتی بالغ بر ١٥٠٫٠٠٠ دور در دقیقه می چرخد که ٣٠ برابر سریع تر از دور موتور است،چون تئربین به اگزوز چسبیده دما در آن خیلی بالاست

اصول

راه قطعی برای بدست آوردن قدرت بیشتر از موتور افزایش مقدار هوا و سوختی است که می سوزد،یک راه برای انجام این کار اضافه کردن یا بزرگتر کردن سیلندرهاست،بعضی مواقع این تغییرات شدنی نیست،یک توربوشارژر ساده تر است

توربوشارژرها با فشرده کردن هوا به موتور اجازه می دهند سوخت و هوای بیشتری بسوزاند،فشار نسبی ایجاد شده توسط توربوشارژر بین ٦تا ٨ پوند بر اینچ مربع است،از آن جایی که فشار جو در سطح دریا ٧/١٤ پوند بر اینچ مربع است می توانید بفهمید که حدود ٥٠٪ هوای بیشتری وارد موتور می شود،بنابراین می توان انتظار داشت ٥٠٪ قدرت بیشتری بدست آید،اما توربوشارژر کاملا ایده آل نیست و بین ٣٠ تا ٤٠ درصد بهبود در قدرت موتور مشاهده می شود

یکی از دلایل عدم کارایی این است که انرژی چرخاندن توربین از اگزوز گرفته می شود و وجود یک توربین در اگزوز مقاومت در برابر خروج دود را افزایش می دهد،و این یعنی در مرحله ی خروج دود،موتور باید دود را با فشار بیشتری خارج کند در نتیجه کمی از

قدرت سیلندری که در مرحله ی انفجار قرار دارد کاسته می شود

در ارتفاعات

توربوشارژرها در ارتفاعات که چگالی هوا کم است به موتور کمک می کنند،موتورهای معمولی در ارتفاعات با کاهش قدرت مواجه می شوند چون موتور جرم کمتری از هوا را دریافت می کند،یک موتور با توربوشارژر ممکن است با کاهش قدرت روبرو شود اما این

خودروهای قدیمی با کاربراتور به صورت خودکار مقدار سوخت را افزایش می دهند تا مناسب افزایش هوای ورودی شود،خودروهای مدرن با انژکتور نیز این کار را انجام می دهند،سیستم انژکتور بر مبنای سنسورهای اکسیژن در اگزوز کار می کنند تا نعیین کنند که نسبت سوخت و هوا درست است یا نه بنابراین در این سیستم نیز اگر توربوشارژر اضافه شود مقدار سوخت ورودی خود به خود افزایش می یابد

اگر یک توربوشارژر با فشار بالا به یک خودروی انژکتوری اضافه شود ممکن است کنترل کننده ی انژکتور اجازه ی ورود سوخت زیاد را ندهد ویا پمپ بنزین و تزریق کننده ها توانلیی رساندن این مقدار سوخت را نداشته باشند،در این حالت باید تغییرات دیگری اجرا شود تا بتوان از توربوشارژر استفاده کرد

چگونه کار می کند؟

توربوشارژر به خروجی اگزوز موتور متصل شده است،گازهای خروجی از سیلندر توربین را می چرخانند که شبیه یک توربین گازی است،توربین توسط یک محور به کمپرسور که بین فیلتر هوا و لوله های ورودی هوا واقع شده متصل می شود،کمپرسور هوای ورودی به پیستون را فشرده می کند

گازهای خروجی از بین پره های توربین عبور می کنند و آن را می چرخانند،هر چه گازهای بیشتری خارج شود توربین سریع تر می چرخد

در طرف دیگر محوری که به توربین متصل است کمپرسور هوا را به سیلندر ها پمپ می کند،کمپرسور یک پمپ از نوع گریز از مرکز است که هوا را از مرکز پره ها می کشد و به بیرون پمپ می کند

برای رسیدن به سرعت ١٥٠٫٠٠٠ دور در دقیقه محور توربین باید به دقت پشتیبانی شود،اکثر یاطاقان در این سرعت خراب می شوند بنابراین بیشتر توربوشارژرها از یاطاقان های مایع استفاده می کنند،این نوع یاطاقان محور را روی لایه ی نازکی از روغن که به طور پیوسته به دور محور پمپ می شود نگه می دارد،این نوع یاطاقان دو مزیت دارد،یک اینکه محور و سایر قسمت های توربوشارژر را خنک نگه می دارد،دوم اینکه محور بدون اصطکاک چندانی می چرخد

تقویت فشار بیش از اندازه

با هوای فشرده ای که توسط توربوشارژر به سیلندر پ

مپ می شود و فشرده شدن بیشتر توشط حرکت پیستون خطر ضربه زدن موتور وجود دارد چون وقتی شما هوا را فشرده می کنید دمای آن افزایش می یابد این دما ممکن است آنقدر افزایش یابد که سوخت قبل از جرقه زدن شمع ها و در زمان نا مناسب بسوزد که این باعث کوبش موتور می شود،خودرو های دارای توربوشارژر اغلب باید از سوختی با درجه اکتان بالاتر استفاده کنند تا موتور ضربه نزند،اگر فشار واقعا بالا باشد باید نسبت تراکم موتور کاهش یابد تا کوبش نداشته باشد…

یکی از مشکلات اصلی توربوشارژرها این است که وقتی پدال گاز را فشار می دهید بلافاصله قدرت موتور را تقویت نمی کنند و چند ثانیه ای طول می کشد تا توربین به سرعت مورد نظر برسد.این باعث می شود وقتی گاز می دهید تاخیری را احساس کنید.در ضمن وقتی توربو شارژر حرکت کرد خیزشی در خودرو ایجاد می شود.

یک راه برای کم کردن تاخیر توربوشارژر کم کردن اینرسی دورانی اجزای چرخنده ی آن است.اساسا به کمک کم کردن وزن آن.این باعث می شود توربین و کمپرسور سریع تر سرعت بگیرند و زود تر تقویت کنند.یک راه مسلم برای کاهش اینرسی کوچکتر کردن توربوشارژر است.یک توربوشارژر کوچکتر زودتر و در دور موتورهای پایین تر عمل تقویت را انجام می دهد اما نمی تواند در دور موتورهای بالاتر که حجم زیادی از هوا به موتور می رود تقویت زیادی انجام دهد.همچنین خطر چرخش بسیار سریع در دور موتورهای بالا که گازهای خروجی زیادی از توربین می گذرد نیز وجود دارد.

یک توربوشارژر بزرگ می تواند در دور موتورهای بالا تقویت زیادی انجام دهد اما به خاطر زمان زیادی که برای شتاب گرفتن توربین و کمپرسور سنگین تر آن لازم است تاخیر زیادی دارد.خوشبختانه چندین ایده برای غلبه بر این چالش وجود دارد.

بیشتر توربوشارژر ها یک دریچه ی هدر دارند که اجازه می دهد از توربوشارژرها ی کوچکتری برای کاهش تاخیر استفاده شود،در حالی که نمی گذارد در دور موتور های خیلی بالا خیلی سریع بچرخد.دریچه هدر سوپاپی است که اجازه می دهد گازهای اگزوز از گذرگاه جنبی از کنار پره های توربین عبور کند.

دریچه هدر فشار را حس می کند و اگر فشار خیلی زیاد شود که نشانه چرخش زیاد توربین است،مقداری از گازهای اگزوز را از کنار پره های توربین خارج می کند تا سرعت چرخش کمتر شود.

بعضی توربوشارژر ها از یاتاقان های ساچمه ای بجای یاتاقان های روغنی استفاده می کنند،اما اینها یاتاقان های ساچمه ای معمولی نیستند بلکه یاتاقان های فوق دقیقی هستند که از مواد پیشرفته ای ساخته شده اند تا در سرعت و دمای توربو شارژر کار کنند.این یاتاقان ها به محور توربین اجازه می دهند با اصطکاک کمتری نسبت به یاتاقان های روغنی بچرخند،همچنین اجازه می دهند از محور کوچکتر و سبک تری استفاده شو

د که این باعث کاهش تاخیر می شود.

پره های سرامیکی توربین از پره های فولادی سبک تر اند که این باز هم باعث می شود توربین زودتر شتاب گرفته و زمان تاخیر کمتر شود.تفاده می کنند.توربو شارژر کوچکتر زودتر می چرخد و تاخیر را کم می کند در حالی که بزرگتر در دور موتور های بالا تر تقویت فشار بیشتری ایجاد می کند.

وقتی هوا فشرده شود،گرم می شود و وقتی گرم شود منبسط می شود.بنا بر این بخشی از تقویت فشار توربوشارژر ناشی از گرم شدن هوا قبل از ورود به موتور است،برای افزایش قدرت موتور باید مولکول های بیشتری وارد سیلندر شوند نه لزوما فشار بیشتر.