توربو شارژر در خودرو چیست و چگونه کار می کند؟
از خودرو در مکان های جغرافیایی مختلف استفاده می شود، برای مثال در شمال یا جنوب ایران که هم سطح دریاست و یا شهرهای مرتفع از سطح دریا مثل شهرکرد یا تهران. سوال هایی که مطرح می شود عبارتند از؛ رانندگی در این شهرها چه فرقی با هم دارد؟ چرا وقتی به شمال می رویم، موتور خودرو قوی تر عمل می کند؟ تغییر دما و ارتفاع چه تاثیری بر بازده موتور دارد؟ برای این که موتوری قوی داشته باشیم باید چه کار کرد؟ بهتر است یک موتور بزرگ پرمصرف هشت-سیلندر با هزینه و مصرف سوخت و آلایندگی بالا طراحی و تولید کنیم و یا با انجام یک سری اصلاحات، از همین موتورهای چهارسیلندر موجود، توان دلخواه مان را استخراج کنیم؟در این جا دو بحث مهم مطرح است ، یکی قدرت موتور و دوم محل جغرافیایی-(ارتفاع محل از سطح دریا) که خودرو در آن حرکت می کند. ارتفاع از سطح دریا با قدرت موتور چه ارتباطی دارد؟ ابتدا باید رابطه توان موتور را بررسی کنیم. در یک موتور درون سوز چند پارامتر مهم است : دور موتور، چگالی هوای ورودی به موتور، توان موتور، نوع و توان حرارتی سوخت مورد استفاده، نسبت سوخت به هوا و بازده حجمی، و حجم موتور.
آیا بهتر است با تغییر این پارامترها موتوری جدید طراحی کنیم یا با چند تغییر در موتور، موتوری پرقدرت داشته باشیم؟ با نصب سیستم انژکتور و سیستم ریل مشترک می توانیم به کاهش مصرف و کاهش آلایندگی کمک کنیم. مشکل دیگر این است که اگر فرض کنیم که نسبت سوخت به هوا 1 به 14 باشد و ما برای هر بار تنفس موتور باید 14 برابر سوخت به آن هوا برسانیم، می توانیم از سیستم 16سوپاپ به جای هشت سوپاپ استفاده کنیم تا هوا بیشتر در اختیار موتور قرار گیرد و تا حدودی این مشکل را بهبود بخشیم، اما مشکل دیگر چگالی هواست. فشار هوا در سطح دریا برابر با یک اتمسفر است و هرچه از سطح دریا ارتفاع بگیریم فشار هوا و چگالی هوا نیز کم می شود، پس باید با نصب توربوشارژر یا سوپرشارژر این کمبود فشار و چگالی هوا را جبران کنیم که به این کار "پرخوران موتور درون سوز" می گویند و بحث ما هم همین است که توربوشارژر چیست و چگونه کار می کند؟
در این مطلب قصد داریم بفهمیم که توربوشارژر چگونه می تواند بدون آن که تغییر چندانی در وضعیت فیزیکی موتور ایجاد کند، قدرت را به مقدار بسیار زیادی افزایش دهد.
توربوشارژر چیست؟
توربوشارژر نوعی سیستم دمنده است که هوا را با فشار زیاد به درون سیلندر می دمد. 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 توربوشارژر 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. توربوشارژر قدرت لازم برای فشرده کردن هوای ورودی را از کجا تأمین می کند؟ در سوپرشارژر، قدرت مورد نیاز توسط یک پولی و تسمه از میل لنگ گرفته می شود، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو، صرف فشرده سازی هوای ورودی شده، ولی در نوع متفاوت 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 آن ها برای چرخاندن توربین استفاده کرد. توربین، 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 160 هزار دور در دقیقه می رسد که بیش از 28 بار سریع تر 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 فن آوری پیشرفته ای برخوردار باشد تا بتواند کارآیی و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند و به همین دلیل قیمت بالایی دارد.نگاهی آماریتوربوشارژرهای رایج می توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کیلوپاسکال بیشتر از هوای محیط برسانند. به دلیل این که فشار هوای سطح دریا 100 کیلوپاسکال است، مشخص می شود که توربوشارژر تقریباً 50درصد، هوای بیشتری وارد سیلندر می کند. بنابراین انتظار می رود که قدرت هم تا 50درصد افزایش یابد؛ ولی به دلیل برخی تلفات، این افزایش قدرت بین 30 تا 40درصد خواهد بود.یکی از دلایل این اتلاف به کار توربوشارژر مربوط می شود. 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 با آن که از قدرت شان کاسته می-شود، ولی مقدار این کاهش به مراتب کمتر است؛ زیرا کار لازم برای فشرده کردن گاز رقیق، کمتر است.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 عدم دقت در مونتاژ میل محور و عدم تعادل در نصب آن کافی است تا در این سرعت، میل محور به بیرون پرتاب شود. از این رو از یاتاقان های روغنی برای مهار میل محور در توربوشارژر استفاده می شود.در چنین یاتاقان هایی، 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 درمی آید. کمپرسور همانند پمپ سانتریفوژ عمل می کند؛ بدین ترتیب که هوا را از مرکز به گردش درمی آورد و در نهایت، هوای فشرده شده را از حفره تعبیه شده در محیط خارج به بیرون می دمد.
محدودیت های توربوشارژر
الف- فشار
فشار حداکثر درون سیلندر نباید از مقدار مجازی بیشتر شود. هنگامی که مخلوط هوا و سوخت در سیلندر 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 آن ها 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 بلکه 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 پیشنهاد می دهند.
ب- زمان تأخیر
یکی از مهم ترین مشکلات توربوشارژرها این است که نمی توانند افزایش قدرت را به طور ناگهانی اعمال کنند. هنگامی که به پدال گاز فشار می آورید، حدود 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 اغلب از طریق سبک کردن قطعات به دست 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 کوچک تر 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. دریچه اگزوز (بای پس) هنگامی که سرعت خودرو بسیار بالا می رود حجم گاز اگزوز افزایش می یابد و این خطر وجود دارد که توربین با سرعت بسیار بالاتری بگردد. در این هنگام، دریچه ها باز می شوند و بخشی از هوای اگزوز بدون آن که از توربین عبور کند، از موتور خارج می شود. این چنین سرعت دوران توربین در سرعت های بالا نیز در حد مجاز باقی می ماند.ملاحظات طراحی بیشتر توربوشارژرها دریچه هدر دارند که اجازه می دهد از توربوشارژرهای کوچک تری برای کاهش تاخیر استفاده شود، در حالی که نمی گذارد در دور موتورهای خیلی بالا، بسیار 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 توربوشارژرها از یاتاقان های ساچمه ای به جای یاتاقان های روغنی استفاده می کنند، اما این ها 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 توربوشارژر 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 کوچک تر و سبک تری استفاده شود که باعث کاهش تاخیر می شود.پره های سرامیکی توربین از پره های فولادی سبک تر هستند که این اختلاف وزن نیز باعث می شود توربین زودتر شتاب گرفته و زمان تاخیر کمتر شود.بعضی موتورها از دو توربوشارژر در دو اندازه استفاده می کنند. توربوشارژر کوچک تر، زودتر می چرخد و تاخیر را کم می کند در حالی که بزرگ تر در دور موتورهای بالاتر، تقویت فشار بیشتری ایجاد می کند.وقتی هوا فشرده شود، گرم می شود و وقتی گرم شود، منبسط می شود. بنابراین 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، در نتیجه برای حل این مشکل باید یک رادیاتور در مسیر هوای فشرده شده قرار گیرد که این مشکل را برطرف کند که به آن اینترکولر می گویند.
