توربوشارژر و نقش آن در تقویت موتور
امروزه هر جا که صحبت از خودروهای پر قدرت مسابقه ای و سوپراسپرت می شود. ناگزیر صحبت از توربوشارژرها به میان می آید. زیرا تمامی این خودروها، حتی خودروهای خانوادگی و سدان های پر قدرت نیز از این وسیله برای افزایش توان موتور سود می برند. توربوشارژرها همچنین در اکثر موتورهای دیزل نیز نقش مهمی بازی می کنند.
یک توربوشارژر از دو قسمت اصلی تشکیل شده است : توربین و کمپرسور، که توسط یک شفت به هم متصل هستند. برای آشنایی با توربوشارژرها، ابتدا باید واژه ((سوپر شارژ)) را تعریف کرد. سوپر شارژ کردن یعنی تغذیه موتور با هوای از پیش کمپرس شده. یعنی هوای محیط یک کمپرسور دمنده و کمپرس شده و سپس به موتور فرستاده می شود. این کمپرسور اساساً می تواند به طرق مختلفی به حرکت درآید، از جمله از طریق چرخدنده که در این حالت سوپر شارژر مکانیکی نامیده می شود.
روش دیگر به حرکت در آوردن کمپرسور، استفاده از انرژی ذخیره شده در گازهای اگزوز حاصل از احتراق در موتور است که در این حالت به ((توربو شارژ)) معروف است.
توربو شارژر در حقیقت توربینی است که به وسیله گازهای اگزوز به حرکت در آمده و یک کمپرسور گریز از مرکز را که توسط یک شفت به ان لینک شده است می چرخاند. کمپرسور نیز هوا را از مرکز تیغه هایش به داخل کشیده و توسط پره های خود، در حین چرخش به بیرون پرتاب می کند.
کمپرسور معمولاً بین صافی و منیفولد هوای ورودی به موتور قرار دارد. در حالی که توربین بین منیفولد هوای خروجی موتور و انباره اگزوز قرار می گیرد. تمامی گازهای خروجی موتور (گازهای اگزوز ) از محفظه توربین می گذرد و انبساط این گازهای تحت فشار بر پره های توربین عمل می کند و موجب حرکت دورانی آنها می شود. این گازها پس از گذشتن از توربین وارد اتمسفر می شوند. توربین صدای حاصل از گازهای اگزوز را نیز خفه میکند و به این ترتیب در اکثر مورادی نیازی به استفاده از انباره اگزوز نیست.
تنها توانی که در مجموعه توربین و کمپرسور به هدر می رود مربوط به اصطکاک یاتاقانهای شفت است که بسیار ناچیز است. سرعت توربین در توربو شارژرها تا 150 هزار دور در دقیقه بالغ می شود که حدوداً 30 بار سریعتر از دور موتور خودرو است. از آنجایی که گازهای اگزوز نیز گرم هستند و به صورت تناوبی وارد می شوند دمای توربین بسیار بالا می رود. به منظور به دست آوردن سرعت 150 هزار دور در دقیقه و بالاتر از آن درموتور شارژرها شفت توربین باید با دقت بسیار زیادی یاتاقان بندی شود. اغلب یاتاقانهای غلتشی و بلبرینگ ها در چنین سرعتی از هم گسیخته و نابود می شوند. بنابراین اکثر توربوشارژرها از یاتاقانهای لغزشی روغنی استفاده می کنند. این نوع یاتاقانها، شفت را در لایه نازکی از روغن که دائماً به اطراف آن پمپ می شودنگه می دارند. این عمل دو هدف را تامین می کند : 1-شفت و دیگر اجزای توربو شارژر را خنک می دارد.2- به شفت اجازه داده می شود که بدون ایجاد اصطکاک قابلتوجه، با سرعت زیاد بچرخد.
به طور معمول توربو شارژرها فشار هوا را به اندازه شش تاهشت پوند بر اینچ فشرده تر می کنند. از انجا که فشار معمولی اتمسفر 7/14 پوند بر اینچ در سطح دریا است، خواهیم داشت به قدرت خودرو نیز 50 در صد افزوده شود. البته افزایش بازدهی واقعی بین 30 تا 40 در صد و بسیار قابل توجه است.
یکی از مزایای ارزشمند توربوشارژرها کمکی است که در ارتفاعات و مناطق مرتفع، که غلظت هوا کم است به موتور می کنند. در ارتفاعات موتورهای معمولی دچار کاهش شدید قدرت می شوند، زیرا برای هر مکش، پیستون جرم کمتری از هوا را به داخل سیلندر می کشد وحتی در افزایش مقدار سوخت پاشیده شده به داخل سیلندر نیز به علت فقدان اکسیژن کافی، احتراق کامل صورت نمی گیرد. بنابراین مساله رقیق بودن هوا موجب کم شدن قدرت موتور در بلندیها و نقاط با فشار هوای کم می شود که توربوشارژرها با کمپرس کردن و افزایش جرم هوای ورودی به موتور، این نقیصه را جبران می کنند.
توربوشارژر در بازار به صورت کیت نیز عرضه می شوند و می توان انها را به برخی از خودروها اضافه کرد. در صورت اضافه شدن به موتور خودروهای قدیمی تر (کاربراتوری )، کاربراتور به طور خودکار مقدار سوخت را برای هماهنگ شدن با مقدار هوای ورودی افزایش می دهد. در خودروهای جدیدتر (انژکتوری)، این عمل به صورت دیگری انجام می گیرد. سیستم سوخت رسانی انژکتوری در خودرو متکی به سنسورهایی است که شاخصهای گوناگونی از جمله مقدار اکسیژن موجود در گاز اگزوز را در خودرو اندازه می گیرند پس در صورت اضافه شدن سیستم توربو به این خودروها، سیستم سوخت رسان به طور اتوماتیک مقدار سوختی را که باید توسط انژکتور به سیلندر پاشیده شود افزایش می دهد. البته اگر یک توربو شارژر با قدرت تقویت بالا به یک خودرو انژکتوری افزوده شود، ممکن است سیستم سوخترسان خودرو قادر به تزریق سوخت کافی به سیلندر ها نباشد. این پدیده از عدم برنامه ریزی نرم افزار سیستم نسبت به شرایط جدید و یا عدم توانایی پمپ سوخت یا انژکتورها جهت انتقال حجم بالای سوخت ناشی می شود. در این موارد باید برای به دست آوردن حداکثر قدرت بازدهی، سیستم سوخت رسانی نیز با توربو شارژر سازگاری پیدا کند.
در طراحی و انتخاب توربو شارژر برای موتور، عوامل مختلفی دخیل هستند این عوامل شامل موارد زیر هستند.
تقویت بیش از حد
از آنجا که هوا توسط توربو شارژر تحت فشارقرا رمی گیرد وسپس در سیلندر نیز توسط پیستون چندین برابر کمپرس می شود، خطر ایجاد پدیده ضربه در موتور افزایش می یاب. پدیده ضربه هنگامی اتفاق می افتد که هوا بیش از حد کمپرس شود درجه حرارتش به قدری بالا رود که سوخت وارد شده قبل از جرقه زدن شمع ها در سوختهای با درجه اکتان بالا دارند. باید دقت شود در صورتی که فشار کمکی توربو شارژر نسبت به موتور خیلی بالا باشد، باید تا حدی نسبت تراکم موتور کاهش یابد تا پدیده ضربه رخ ندهد.
کندی یا تنبلی توربو (Turbo Lag)
یکی از مشکلات بزرگ توربو شارژرها این است که هنگامی که راننده پا را روی پدال گاز فشار می دهد، توربو بلافاصله عمل نمی کند، بلکه چند ثانیه طول می کشد تا توربین به سرعت کافی برسد و عمل تقویت را شروع کند که در نتیجه آن تاخیر زمانی در هنگام فشرده شدن پدال گاز و کنده شدن ناگهانی خودرو بعد از شروع کار توربو شارژر است. این ایراد به کندی یا تنبلی توربو معروف است. یکی از راههای اصلاح کندی توربو، کاهش اینرسی قطعات دوران کننده آن کاهش وزن آنهاست. این کار موجب می شود که توربین و کمپرسور شتاب بگیرند و عمل تقویت را سریعتر شروع کنند. یکی از روشهای کاهش اینرسیتوربین و کمپرسور، کوچکتر ساختن آنها ست.
یک توربو شارژر کوچک، سریعتر و در دور پایین تر موتور عمل می کند. اما این ضعف را دارد که در دورهای بالای موتور که حجم بسیار بالایی از هوا را می طلبد، تقویت زیادی ایجاد نمی کند. همچنین در توربو شارژرهای کوچک، رسیدن به سرعتهای بسیار بالا در دورهای بالای موتور که در آن حجم بالایی از گازهای اگزوز از توربین می گذرد، می تواند خطر آفرین باشد.
برای رفع این معضلات و استفاده بهینه چه در دورهای بالا و چه در دورهای متوسط، اصطلاحات دیگری نیز انجام شده است از جمله :
استفاده از دریچه فرعی
یکی از راههای اسفادهاز توربو شارژرهای کوچک،تعبیه یک دریچه فرعی در آنهاست. هم اکنون اکثر توربو شارژرهای خودرو از دریچه فرعی در آنها است. هم اکنون اکثر توربوشارژرهای خودرو از دریچه فرعی سود می برند و به این ترتیب جلوی چرخش خیلی سریع توربین در دورهای بالای موتور گرفته می شود. دریچه فرعی در حقیقت سوپاپی است که به هنگام بالا رفتن بیش از حد فشار هوای کمپرس شده، باز می شود و به گازهای اگزوز اجازه می دهد بدون برخورد با پره های توربین از ان خارج شوند
استفاده از بلبرینگ
بعضی از توربوشارژرها به جای یاتاقانهای لغزشی روغنی در شفت خود، از بلبرینگ استفاده می کنند. این بلبرینگ ها بلبرینگهای فوق دقیقی بوده که از مواد پیشرفته خاصی ساخته می شوند و به این ترتیب از پس دما و سرعت بسیار زیاد شفت در توربو شارژر بر می آیند. استفاده از انها به شفت اجاز می دهد که با اصطکاک کمتری نسبت به یاتاقانهای لغزشی بچرخند و همچنین از لحاظ وزن و اندازه کوچکتر شود.
استفاده از پره های سرامیکی در توربین
پره ها از جنس سرامیک در توربین سبک تز ار پره های استیل است و استفاده از ان موجب کاهش کندی توربو می شود.
توربو شارژرهای طبقه ای
در بعضی از خودروها برای غلبه بر کندی توربو از دو توربو شارژر با اندازه های متفاوت استفاده شده است. توربو شارژر کوچکتر خیلی سریع سرعت می گیرد و تقویت را شروع می کند در حالی که توربوی بزرگتر در دورهای بالاتر شروع به کار موتور را تقویت می کند.
استفاده از خنک کن میانی
هنگامی که هوا فشرده (کمپرس )می شود، دمای آن افزایش می یابد و منبسط می شود. افزایش فشار هوا در توربو شارژرها تا حدودی ناشی از افزایش دمای هوای کمپرس شده، قبل از ورود به موتور است. باید بدانیم هدف از کار توربوشارژرها، افزایش قدرت موتور در اثر فرستادن تعداد بیشتر مولکول هوا به سیلندر از یک اینتر کولر برای پایین آوردن دمای هوا و متراکم کردن آن تاثیر به سزایی در افزایش بازدهی توربو خواهد داشت.
اینتر کولر در حقیقت یک وسیله جانبی شبیه رادیاتور است که مجموعه توربوشارژر اضافه شده و تنها تفاوت آن با رادیاتور این است که در داخل آن نیز همانند بیرون آن هوا جریان دارد. ابتدا هوا از طریق کمپرسور مکیده می شود و سپس از داخل گذرگاههای آب بندی شده ای می گذرد که در بیرون انها هوای خنک در جریان است و به این ترتیب از طریق انتقال حرارت، مقداری از دمای خود را از دست می دهد و در فشار معین، تعداد مولکول هایش افزایش می یابد. در خاتمه مشاهده می شود که توربو شارژر ها وسایل بسیار مفیدی برای تقویت موتور و بهبود عملکرد آن هستند و دامنه کاری وسیعی را از موتورهای دیزل خودروهای سنگین و اتوبوسها و کامیونها گرفته تا خودروهای مسابقه ای فرمول یک و خودروهای اسپرت و حتی سدان های خانوادگی – مسافرتی شامل می شوند.