توربوشارژرها و سوپرشارژرها
هنگامي كه مردم در مورد خودروهاي مسابقهاي و يا خودروهاي ورزشي با كيفيت صحبت ميكنند (از جمله خودروهاي فرمول يك)، خواه ناخواه صحبت از توربوشارژر هم به ميان ميآيد.
توربوشارژر وسيلهاي است كه ميتواند بدون آنكه وزن موتور را به مقدار قابل توجهي افزايش دهد، قدرت موتور را بسيار بالا ببرد و به همين دليل است كه از چنين محبوبيت گستردهاي برخوردار است. در اينجا قصد داريم بفهميم كه توربوشارژر چگونه ميتواند بدون آنكه تغيير چنداني در وضعيت فيزيكي موتور ايجاد كند، قدرت را به مقدار بسيار زيادي افزايش دهد. همچنين خواهيم ديد دريچههاي خروجي، پرههاي سراميكي توربين، مجراهاي عبور گاز چگونه كارايي سوپر شارژر را بهبود ميبخشند.
توربوشارژر چيست؟
توربوشارژر نوعي سيستم دمنده است كه هوا را با فشار زيادي به درون سيلندر ميدمد. هنگامي كه پيستون در حالت عكس قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور ديزلي، هوا) را به درون سيلندر ميمكد. هر چه فشار هوا بيشتر باشد مقدار مولكولهاي هوا بيشتر خواهد بود و بالتبع مخلوط هوا و سوخت بيشتري در سيلندر جاي خواهد گرفت. هر چه سوخت بيشتر باشد، قدرت ناشي از احتراق هم بيشتر خواهد بود.
بدينترتيب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بيشتري نسبت به موتور معمولي توليد ميكند. توربوشارژر به سادگي ميتواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، يعني با قدرت مساوي، خودروي مجهز به توربوشارژر از موتوري با وزن و حجم كمتر سود ميبرد، در نتيجه حجم و وزن خودرو نيز كمتر ميشود و اين بدان معني است كه شتاب خودروي مجهز به توربوشارژر بيشتر است و سريعتر به سرعت مناسب دست پيدا ميكند.
توربوشارژر قدرت لازم براي فشرده كردن هواي ورودي را از كجا تامين ميكند؟ در نوع ابتدايي توربوشارژر (كه سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نياز از ميللنگ گرفته ميشود، يعني بخشي از توان توليدي خودرو صرف فشردهسازي هواي ورودي ميشود. ولي در نوع پيشرفتهتر كه همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجي اگزوز استفاده ميشود. گازهاي خروجي اگزوز داغ هستند و ميتوان از انرژي جنبشي، سرعت و فشار آنها براي چرخاندن يك توربين استفاده كرد. اين توربين هم يك پمپ هوا را ميگرداند و در نهايت، پمپ، هوا را فشرده كرده به درون سيلندر ميفرستد. توربين نصب شده در مسير گازهاي خروجي گاه به سرعت 150 هزار دور در دقيقه ميرسد كه بيش از 30 بار سريعتر از دور موتور اغلب خودروهاي امروزي است.
دماي اين توربين هم به دليل تماس با گازهاي داغ خروجي بسيار بالاست. اين دو عامل موجب ميشوند توربين از فناوري پيشرفتهاي برخوردار باشد تا بتواند كارايي و دوام خود را تا مدتها حفظ كند.
يك نگاه آماري: توربوشارژرهاي رايج ميتوانند هوا را به فشار 40 تا 55 كيلوپاسكال بيشتر از هواي محيط برسانند. از آنجايي كه فشار هواي سطح دريا 100 كيلوپاسكال است، مشخص ميشود كه توربوشارژر تقريباً 50 درصد هواي بيشتر وارد سيلندر ميكند. بنابراين انتظار ميرود كه قدرت هم تا 50 درصد افزايش يابد. ولي به دليل برخي تلفات، اين افزايش قدرت بين 30 تا 40 درصد خواهد بود. يكي از دلايل اين اتلاف به اين موضوع باز ميگردد كه كار مورد نياز توربوشارژر رايگان نيست. هنگامي كه گاز خروجي اگزوز توربين را ميچرخاند، بدان معني است كه مقاومتي در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پيستون بايد فشار بيشتري اعمال كند تا گاز تخليه شود و اين بخشي از قدرت موتور را مصرف ميكند.
يكي ديگر از مزاياي توربوشارژر، قابليت بهبود كاركرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات، فشار هوا كمتر است و در نتيجه هواي كمتري در سيلندر وارد ميشود. خودروهاي معمولي در چنين ارتفاعاتي با كاهش قدرت مواجه ميشوند، ولي خودروهاي مجهز به توربوشارژر عليرغم آنكه با كاهش قدرت مواجه ميشوند، ولي مقدار اين كاهش به مراتب كمتر است؛ چرا كه كار لازم براي فشرده كردن گاز رقيق كمتر است!
همانطور كه اشاره شد، يك توربوشارژر معمولي از يك توربين، يك ميل محور (شافت) و يك كمپرسور تشكيل شده است. مجراي گاز خروجي اگزوز معمولا به گونهاي طراحي ميشود كه گاز داراي بيشترين سرعت و دماي ممكن باشد. پرههاي توربين با طراحي خاص ميتوانند به گردش 150 هزار دور در دقيقه دست پيدا كنند، ولي انتقال چنين گردشي به كمپرسور كار سادهاي نيست. ميل محوري كه پروانه توربين را به پرههاي كمپرسور متصل ميكند، بايد داراي پايداري بسيار بالايي باشد. اغلب ميل محورهاي معمولي در چنين سرعت بالايي منفجر ميشوند، زيرا هم دماي ميله بسيار بالا ميرود، هم اندكي جابهجايي و عدم تعادل در نصب ميل محور كافي است تا در اين سرعت، ميل محور به بيرون پرتاب شود. از اين رو از ياتاقانهاي روغني براي مهار ميل محور در توربوشارژر استفاده ميشود. در چنين ياتاقانهايي، لايه نازكي از روغن اطراف ميل محور را ميپوشاند و بدينترتيب، هم ميل محور را خنك ميكند و هم اصطكاكهاي احتمالي را به حداقل ميرساند.
پس از انتقال قدرت به كمپرسور، پره كمپرسور به گردش درميآيد. كمپرسور همانند يك پمپ سانتريفوژ عمل ميكند، بدين ترتيب كه هوا را از مركز به گردش درميآورد و در نهايت هواي فشرده شده را از حفره تعبيه شده در محيط خارج بيرون ميدمد.
محدوديتهاي توربوشارژر
الف- فشار: فشار حداكثر درون سيلندر نبايد از يك مقدار مجاز بيشتر شود. هنگامي كه مخلوط هوا و سوخت در سيلندر يك خودروي متراكم ميشود، دماي آن نيز همراه با فشار افزايش خواهد يافت. فشار بيش از اندازه به ديوارههاي سيلندر، سرسيلندر و حتي پيستون و ميللنگ موجب كاهش عمر مفيد آنها ميشود.
افزايش دما اثري به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصي بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت ميتوانند پيش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدينترتيب نه تنها چرخه عظيم موتور دچار اخلال ميشود، بلكه ضربه ناشي از احتراق ميتواند آسيبهاي جدي به موتور وارد آورد. از اين رو برخي با كاهش دادن نسبت تراكم سيلندر، حداكثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه ميدارند. البته برخي ديگر سوختي با اكتان بالاتر را براي موتور پيشنهاد ميكنند.
ب- زمان تأخير: يكي از مهمترين مشكلات توربوشارژر اين است كه نميتوانند افزايش قدرت را به طور ناگهاني اعمال كنند. هنگامي كه به پدال گاز فشار ميآوريد، حدوداً يك ثانيه طول ميكشد تا توربين به سرعت لازم دست پيدا كند و افزايش قدرت اعمال شود. بنابراين افزايش قدرت با كمي تاخير حاصل ميشود. يكي از روشهاي كاستن اين زمان تاخير، پايين آوردن اينرسي قطعات است كه معمولاً از طريق سبك كردن قطعات بدست ميآيد؛ بدينترتيب توربين و پمپ سريعتر شتاب ميگيرند و قدرت سريعتر اعمال ميشود.
ج- اندازه توربوشارژر: اندازه توربوشارژر هم مزايا و معايبي به همراه دارد. هر چه توربوشارژر كوچكتر باشد، زمان تاخير كمتري دارد و سريعتر قدرت را اعمال ميكند، ولي در سرعتهاي بسيار بالا كه بايد حجم زيادي هوا را وارد سيلندر كند، كمتوان و گاه خطرناك ظاهر ميشود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ ميتواند به خوبي از عهده پمپ كردن حجم زياد هوا برآيد. ولي زمان تاخير آن بيشتر خواهد بود.
خوشبختانه راهحلهاي جالبي براي مقابله با اين مشكلات پيشنهاد شده است كه به برخي از آنها اشاره ميكنيم:
- دريچه اگزوز (waste gate)
بسياري از خودروهاي توربوشارژردار از يك يا چند دريچه كمكي در مجراي اگزوز سود ميبرند كه آنها را قادر ميسازد از توربوشارژرهاي كوچك استفاده كنند. هنگامي كه سرعت خودرو بسيار بالا ميرود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزايش مييابد، اين خطر وجود دارد كه توربين با سرعت بسيار بالاتري به گردش در آيد. در اين شرايط اين دريچهها باز شده و بخشي از اگزوز بدون آنكه از توربين عبور كند، از موتور خارج ميشود. به اين ترتيب سرعت دوران توربين در سرعتهاي بالا هم در حد مجاز باقي ميماند.
- ياتاقانهاي ساچمهاي
در اين ياتاقانها، از ساچمههاي بسيار پيشرفتهاي استفاده شده كه از مواد بسيار پيشرفته و يا فناوري فرا دقيق ساخته شدهاند.
اين ياتاقانها موجب ميشوند ميل محور با اصطكاك كمتري نسبت به ياتاقانهاي روغني كه در اغلب نمونهها استفاده ميشود، به گردش در آيد؛ ضمن آنكه موجب ميشود از ميل محورهاي كوچكتر و سبكتري هم بتوان استفاده كرد. اين چنين ميل محور سريعتر شتاب ميگيرد و زمان تاخير كاهش مييابد.
- پرههاي سراميكي توربين
سراميك، دستهاي از مواد هستند كه استحكام خوبي دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبكترند. استفاده از اين پرهها به جاي پرههاي فلزي دو مزيت دارد، نخست آنكه با سبكتركردن توربين، زمان تاخير را كاهش ميدهد و دوم، چون بر همكنش با مواد خورنده درون اگزوز ندارد، شكل خود را براي مدتها حفظ ميكند و مانند پره فلزي خورده نميشود.
-خنككننده داخلي
هنگامي كه توربوشارژر هوا را فشرده ميكند، خواه ناخواه دماي هوا نيز افزايش مييابد. اين افزايش دما جداي از تاثير مخرب بر حداكثر فشار درون سيلندر، موجب ميشود مولكولهاي هوا كمتر از آن مقدار باشند كه در طراحي خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از يك خنككننده استفاده ميشود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دماي آن به مقدار قابل توجهي كاهش يابد. بدينترتيب ميتوان با اطمينان خاطر و بدون نگران بودن از پيش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداكثر ميرساند.
سوپرشارژر
سوپرشارژرها كمپرسورهايي هستند كه توان موردنياز را براي فشردن هوا از موتور ميگيرند و توربوشارژرها، همان سوپرشارژرهايي هستند كه نيروي محركه خود را از دودهاي خروجي از اگزوز ميگيرند.
سه نوع سوپرشارژر وجود دارد:
- نوع دمندهاي
- نوع گريز از مركز
- نوع مارپيچي
كه همگي آنها قدرت رانشي خود را به طريقي از ميللنگ موتور ميگيرند. بطوريكه سرعت بالاتر موتور، باعث سريعتر چرخيدن آنها ميشود.
دو نوع اول با سرعتي معادل 15000 دور در دقيقه و نوع سوم يا گريز از مركز با سرعتي معادل 40000 دور در دقيقه ميچرخد.
مقايسه توربوشارژر و سوپرشارژر
زمان در سرويس قرار گرفتن: سوپرشارژرها بلافاصله بعد از روشن نمودن و چرخش موتور، در سرويس قرار ميگيرند و هواي فشرده را در اختيار موتور قرار ميدهند هر چند اين ميزان تقويت اوليه براي موتور، خيلي اندك است ولي به تدريج با دور گرفتن موتور افزايش مييابد و حاصل آن افزايش آرام و يكنواخت توان موتور است.
اما در مقابل توربوشارژرها نقطه ضعفي دارند كه آن را تاخير در واكنش نشان دادن مينامند. چون لختي كه توربوشارژرها در آغاز كار دارند و بايد ابتدا دودهاي خروجي داغ توليد شوند تا دور بگيرند (spool up) باعث ميشود كه مدتي طول بكشد تا هوا را براي فرستادن به موتور فشرده كنند و بنابراين تا دور موتور بالا نرفته است ميتوانند هوا را به شكل دلخواه فشرده كنند.
در حالتي كه دريچه هواي ورودي آنها باز باشد (wide open throttle =wot) معمولا يك افزايش ناگهاني در قدرت توربو شارژر پديد ميآيد. اين موضوع در دورهاي حدود rpm3000 دارند اين است كه توانهاي بالايي را نميتوان از آنها گرفت.
افت توان غير قابل اجتناب
سوپرشارژرها به علت اينكه نيروي خود را از موتور ميگيرند باعث ميشوند كه بخشي از توان توليد شده توسط موتور را مصرف كنند اين افت توان غيرقابل اجتناب ميتواند حتي از 50 اسب بخار هم تجاوز كند البته اين سوپرشارژرها بيش از آنچه انرژي مصرف ميكنند به توان موتور اضافه ميكنند. ولي توربوشارژر به علت آنكه هيچگونه انرژي را از موتور مصرف نميكنند ولي با ايجاد مانع در جريان دودهاي خروجي از موتور و افزايش فشار پس زدن سبب ميشوند از بخشي از توان موتور بطور غيرمستقيم كاسته شود. چون در اين حالت پيستون بايد انرژي بيشتري را براي بيرون راندن دودهاي خروجي از سيلندر صرف كند ولي از طرف ديگر استفاده از توربوشارژر باعث ميشود كه هواي فشرده وارد سيلندر شود و همين موضوع باعث محكم به پايين رفتن پيستون و دادن انرژي به آن ميشود كه با انرژي كه قبلاً گفته شد خنثي ميشود. به هر حال استفاده از توربوشارژر به علت اينكه تواني براي كار كردن از موتور نميگيرد و باعث بالا رفتن توان موتور ميشود معمولتر از سوپر شارژر است.
توليد حرارت:
هنگاميكه هواي ورودي خنكتر باشد متراكمتر و چگاليتر است كه بدين مفهوم است كه اكسيژن بيشتري در واحد حجم موتور ميرسد. اكسيژن بيشتر به مفهوم توان بيشتر است سوپر شارژرهاي دمندهاي از اين جهت كه توليد گرما ميكنند مطلوب نيستند اين گرماي توليد شده حاصل ناكافي بودن تراكم هواي ورودي است و از اين روي توربوشارژرها كارآيي بيشتري نسبت به سوپرشارژرها دارند.
سوپر شارژرهاي گريز از مركز ميتوانند از اين جهت بهتر از توربوشارژرها باشند و قابليت انعطاف بيشتري را از خود بروز دهند. با قرار دادن لوله هواي ورودي به موتور را گرمتر كرد. سوپر شارژرهاي گريز از مركزي كه خوب طراحي شده باشند ميتوانند اين گرما را از طريق نصب خنككننده كاهش دهند.
قابليت اطمينان:
مردم اغلب ميگويند كه سوپر شارژرها نسبت به توربوشارژرها قابليت اطمينان بيشتري دارند و اين بدان علت است كه توربو شارژرها در حرارت بالا كار ميكنند و توسط روغن روانكاري ميشوند و هرگاه قبل از خنك شد آنها موتور خودرو را خاموش كنند اين روغن در معرض حرارت قرار ميگيرد و باعث كوتاه شدن عمر كاري توربو شارژر ميشود. اما با تعمير و نگهداري و مراقبتهاي لازم از توربو شارژر ميتوان بر اين مشكل هم فائق آمد.
ميزان تقويت:
از نظر حداكثر توان مطلق توليدي استفاده از توربو شارژر امكان بالاتري براي تقويت قدرت موتور ارايه ميدهد تا استفاده از سوپر شارژر. مثلاً در تراكتورهايي كه جهت كشش مورد استفاده قرار ميگيرند، استفاده از سه توربو شارژر بصورت سري باعث ميشود كه سطح تقويت هواي ورودي فشاري معادل psi200 توليد كند!
نتيجهگيري:
توربو شارژر يا سوپر شارژر؟
اظهار نظر در مورد اينكه استفاده از كداميك (توربو شارژر يا سوپر شارژر) بهتر است كاري مشكل است. مهمترين مزيت سوپر شارژر اين است كه زمان واكنش نشان دادن آن كم است و به سرعت در سرويس قرار ميگيرد (البته غير از نوع گريز از مركز آن) و استفاده از آن هم ساده است. از آن طرف عمدهترين مزيت توربو شارژر، كارايي بالاي آن و توليد حداكثر توان است. اين ديگر بستگي به نظر خريداران خودرو دارد كه تصميم بگيرند كدام نوع را براي وسيله خود انتخاب كنند.
منبع : مجله گسترش صنعت