سیستم پرخوران توربوشارژ موتور

 سیستم پرخوران توربوشارژ موتور

توربوشارژ یکی از تکنولوژی های بهبود دهنده موتور است:

سیستم های پرخوران به دو گروه :

توربو شارژ و سوپر شارژ تقسیم می شوند.

تاریخچه ی توربوشارژرها:

نخستین استفاده از سیستمهای پرخوران به اوخر قرن ۱۹ باز میگردد؛ گوتلیب دایملر مهندس آلمانی در سال  ۱۸۸۵  ایدهای مبنی بر استفاده از یک پمپ مکانیکی برای تزریق هوا به پیشرانههای احتراق داخلی داشت.

اما اختراع توربوشارژر به شکلی که امروزه میشناسیم توسط مخترع سوئیسی، آلفرد بوشی انجام شد. البته سالهای زیادی طول کشید تا این سیستم بتواند بصورت عمده و عملی مورد استفاده قرار گیرد. در سال ۱۹۱۸ یکی از مهندسان شرکت جنرال الکتریک به نام سانفورد الکساندر ماس اقدام به نصب سیستم توربوشارژر روی یک پیشرانه ی 12 سیلندر کرد. این پیشرانه با نام لیبرتی دارای 27 لیتر حجم بود و برای استفاده در تانک و هواپیماهای جنگ جهانی اول طراحی شده بود.

الکساندر ماس این پیشرانه برای آزمایش به کوه پایکس پیک در کلرادو برد.در ارتفاع حدود5500 متری از سطح دریا و فشار هوا تقریبا نصف فشار سطح دریا است.

از لحاظ تئوری این یعنی یک پیشرانه ی احتراقی در چنین ارتفاعی نصف حالت عادی قدرت خواهد داشت. نتایج آزمایشات وی نشان داد که پیشرانه ی توربوشارژردار در ارتفاعات بالا افت بسیار کمتری نسبت به پیشرانه های یک اتمسفر یا تنفس طبیعی دارند. همانطور که واضع است هر چقدر ارتفاع از سطح دریا افزایش یابد به دلیل رقیقتر شدن هوا میزان چگالی آن کاهش یافته و پیشرانه های احتراقی دچار افت توان میشوند.

نحوه ی عملکرد توربوشارژ ها:

توربوشارژر در حقیقت یک توربین است که هوا را فشرده کرده و به داخل محفظه ی احتراق میفرستد. سوپرشارژر و توربوشارژر هر دو همین کار را انجام میدهند و تفاوت آنها تنها در نحوهی تامین نیروی مورد نیازشان است. سوپرشارژرها نیروی مورد نیاز خود را مستقیما از میل لنگ خودرو دریافت میکنند که میتواند با استفاده از تسمه باشد، اما توربوشارژر نیروی مورد نیاز خود را از گازهای خروجی اگزوز تامین میکند .

مزیت سوپرشارژرها در این است که چون مستقیما به میل لنگ متصل هستند، دیگر تاخیری در عملکرد آنها وجود ندارد و از ابتدای گاز دادن راننده، وارد عمل میشوند. اما توربوشارژر برای چرخش نیاز به انتقال انرژی گازهای اگزوز به توربین دارد تا آن را به چرخش در بیاورند .بنابراین لازم است تا پیشرانه کمی دور گرفته تا سپس توربوشارژرها بتوانند کار خود را انجام دهند. این قضیه سبب تاخیر زمانی در عملکرد توربوها می شود که به ان لگ (LAG) گفته میشود.

اما عملکرد این سیستم چگونه است؟

میدانیم در یک پیشرانه ی تنفس طبیعی (اتمسفریک) هنگامی که پیشرانه در حال مکش هوا است تنها نیرویی که هوا را به داخل سیلندر میکشاند، فشار اتمسفر است (دقیقا همانند پر کردن یک سرنگ). توربوشارژرها با اعمال نیروی اضافی به هوای ورودی و پمپ کردن هوای فشرده به داخل محفظهی احتراق، سبب ورود اکسیژن بیشتری به سیلندر میشوند و پیستون در یک کورس خود میتواند اکسیژن بیشتری را به داخل سیلندر مکش کند و مسلم است که اکسیژن بیشتر به معنای احتراقی کاملتر و قدرتمندتر است.

همین عامل سبب افزایش قدرت پیشرانه های توربوشارژردار است. توربوشارژرها از دو بخش تشکیل شده اند که یکی توربین و دیگر کمپرسور است. گازهای خروجی از اگزوز که دارای سرعت زیادی هستند با توربین برخورد کرده و آن را به چرخش در میاورند از آنجایی که توربین و کمپرسور هم محور هستند با چرخش توربین کمپرسور نیز به چرخش درآمده و شروع به پمپ کردن هوا به داخل سیلندرها میکند. در شکل زیر یک توربوشارژر برش خورده را مشاهده می کنید که توربین و کمپرسور آن هم محور هستند.

محدوده دور کارکرد توربین توربو شارژ:

توربین توربوشارژر با دور بسیار بالایی گردش میکند که میتواندبه 200 هزار دور بر دقیقه نیز برسد .یکی از مهمترین عوامل مهم در عملکرد یک توربوشارژر اندازه ی توربین است .

اگر سایز توربین بزرگ باشد می تواند بوست یا فشار هوای بیشتری را تولید کند اما ایراد آن این است که در دورهای پایین کارایی مناسبی ندارد؛ اما توربین کوچکتر می تواند دور بیشتری بگیرد و در دورهای پایین نیز فورا وارد عمل شده و تاخیر کمتری دارند، اما در دورهای بالا کارایی آن افت میکند.

پس بسیار مهم است که خودروساز بر اساس نیاز و نوع پیشرانه سایز توربین مناسب را برای خودرو انتخاب کند .نوع پره های مورد استفاده در کمپرسور نیز از نوع گریز از مرکز است تا بتواند فشار بیشتری را تولید کند .

اینتر کولر سیستم پرخوران توربوشارژ موتور :

اینترکولر از آن دسته تکنولوژیهایی است که امروز تقریبا به عضوی جداناپذیر از سیستم های توربوشارژر تبدیل شده است. وظیفه  ی اینترکولر کاهش دمای هوای فشرده شده توسط توربوشارژر است و محل قرارگیری این قطعه بین توربوشارژر و سیلندر است. هوایی که توسط سیستم توربو فشرده شده و به داخل سیلندر فرستاده می شوند، دارای دمای بسیار بالایی در حدود 120 تا 150 درجه ی سانتیگراد هستند.

دمای بالای این هوا دو دلیل عمده دارد، یکی اینکه که سیستم توربو فشار هوا را افزایش میدهد و افزایش فشار همواره افزایش دما را نیز به دنبال خود دارد. دوم این که توربین، با گازهای اگزوز که دمای بسیار بالایی دارند در تماس است و این سبب افزایش دمای توربین میشود. چون توربوشارژر مجموعهای بسیار جمع و جور است، در نتیجه حرارت از سمت توربین به سمت کمپرسور نیز انتقال یافته و باعث گرم شدن آن سمت توربوشارژر نیز میشود.

دلایل استفاده از اینترکولر:

گرم بودن هوا از چند منظر برای پیشرانه ی خودرو مناسب نیست .یکی این که با افزایش دما چگالی (دانسیته )آن کاهش پیدا میکند که به معنای افت عملکرد پیشرانه است و دوم اینکه دمای بالا میتواند سبب افزایش دمای مخلوط هوا و سوخت نیز بشود که خود سبب پدیده های مخربی نظیر انفجار زود هنگام(knock) نیز گفته میشود.

در انفجار زود هنگام  دمای مخلوط هوا و سوخت آنقدر افزایش پیدا کند که پیش از جرقه زنی شمعها، مشتعل میشود. این انفجار خارج از کنترل و زودهنگام نه تنها افت توان پیشرانه را به همراه دارد بلکه می تواند آثار مخربی نیز روی آن بگذارد .همچنین افزایش بیش از حد دمای پیشرانه نیز میتواند تاثیرات منفی روی قطعات بگذارد و عمر کاری آنها را کاهش دهد .

برای حل این مشکلات خودورسازان اقدام به نصب اینترکولر در مدار توربو می کنند .اینترکولر قطعهای است همانند رادیاتور که هوای گرم از داخل آن گذشته تا دمای آن کاهش پیدا کند. اینترکولر ها معمولا میتوانند دمای درجهی سانتی گراد کاهش دهند. کاهش دما نیز به دو صورت میتواند باشد: با ۶۰ الی ۴۰هوای ورودی به سیلندر را تا استفاده از هوا یا آب .اینترکولرهایی که با هوا خنک می شوند دارای ساختار سادهتری هستند اما انواع خنک شونده با مایع نیاز به یک رادیاتور دوم دارند تا آب را نیز خنک کنند.

سوپاپ Blow off در سیستم پرخوران توربوشارژ موتور:

این قطعه که اختصارا با نام bov شناخته می شود یک سوپاپ اطمینان است و هنگامی که فشار توربوشارژر بیش از حد نیاز باشد، باز می شود تا فشار اضافی را از سیستم تخلیه کند.

هنگامی که یک پیشرانه ی توربوشارژردار در حال کارکردن با دور بالا است،  حجم زیادی از هوا با فشار بالا در سیستم توربو و مجرای هوای پیشرانه در حال حرکت است، زمانی که راننده پا را از روی پدال گاز بر میدارد دریچه ی گاز بسته شده و انتقال هوا به داخل سیلندرها متوقف میشود.

این در حالی است که توربوشارژر دقیقا در لحظه ی رهاسازی پدال گاز از مدار خارج نمیشود در نتیجه بخشی از فشار تولیدی توسط توربو پشت دریچه ی گاز باقی میماند.

این فشار اضافی آنقدر زیاد هست که بتواند به مجموعهی توربو و حتی دریچه ی گاز آسیب بزند. همچنین ممکن است این فشار به داخل سیستم توربو برگردد و کاهش سرعت غیرعادی و کنترل نشده ی توربین را سبب شود که این قضیه میتواند آسیبهای جدی را برای سیستم توربوشارژر به همراه داشته باشد. فعال سازی سوپاپ Blow Off معمولا توسط یک مکانیزم وکیومی یا یک مکانیزم برقی انجام میگیرد. شکل زیر یک نمونه از سوپاپ Blow Off نمایش می دهد .

 

دریچه Wastegate سیستم پرخوران توربوشارژ موتور:

وست گیت یک دریچه در سمت توربین توربوشارژر است که وظیفهی آن تنظیم فشار تولیدی توسط توربو از طریق کنترل میزان دود ورودی به سیستم است.

در صورتی که میزان گازهای اگزوز فراتر از نیاز سیستم توربو باشد سوپاپ وست گیت فعال شده و میزان اضافی گازها را از طریق یک مجرای جداگانه به سیستم اگزوز میفرستد.

در حقیقت باید گفت که سیستم توربوشارژر از تمامی گازهای خروجی از پیشرانه استفاده نمیکند، بلکه تنها از مقداری که لازم دارد استفاده کرده و مابقی گازها بدون اینکه برخوردی با توربین داشته باشند از طریق خروجیهای اگزوز دفع میشوند .عملکرد این سیستم نیز میتواند به شکل وکیومی و یا با استفاده از سولونوید یا بصورت الکترونیکی باشد .در شکل زیر سوپاپ وست گیت را مشاهده میکنید که در بدنهی توربوشارژر کار گذاشته شده است.