یکی از فناوری های جدید در خودروهای اسپرت، توربو شارژر می باشد. اگر برای شما نحوه عملکرد توربو شارژر جای سوال است با این مطلب همراه ما باشید تا در اینباره بیشتر بدانید.
آشنایی با نحوه عملکرد توربو شارژر
توربو شارژر قطعه ای مکانیکی ترکیبی در خودرو است که از ترکیب یک توربین گازی با یک کمپرسور گازی دوار ایجاد شده است. این قطعه دارای چهار بخش اصلی می باشد که شامل توربین گازی، سیستم انتقال نیرو؛ کمپرسور گازی و سیستم پایش فشار هوا است.
توربو شارژر با هدف ساخت موتوری با عملکرد سبک تر و در عین حال قوی تر و با راندمان بالاتر طراحی شد. توربین تعبیه شده میان خروجی دود و ورودی هوا، نیروی خود را از دود خارج شده از منیفولد دود گرفته و به نوعی سبب بهینه تر شدن مصرف سوخت می گردد. عملکرد اصلی توربو شارژر به این صورت است که با استفاده از جریان و انرژی بسیار بالای دود خروجی از موتور، توربین شروع به گردش کرده و این گردش از طریق سیستم انتقال نیرو به کمپرسور هدایت می شود.
پروسه مکش، تراکم ، احتراق و تخلیه در موتورهای احتراقی سبب چرخش میل لنگ و ایجاد گشتاور و در نتیجه موجب حرکت خودرو می شود. در موتورهای احتراقی سوخت از طریق پمپ بنزین به طرف انژکتور با فشار زیاد حرکت کرده و در آنجا با پاشش در داخل محفظه احتراق، با اکسیژن موجود در هوا مخلوط می شود.
در حقیقت وجود هوا و اکسیژن موجود در آن جهت احتراق ضروری است ولی قابل ذکر است که نسبت هوا و سوخت نباید تغییر یابد. اگر هوا در سیلندر به نسبت سوخت کاهش یابد، هم قدرت و کارایی موتور کم می شود و هم آلایندگی و مصرف سوخت افزایش می یابد.
این شرایط در دورهای بالاتر موتور رخ می دهد و به بیان دیگر نسبت سوخت و هوا در دورهای کم موتور قابل کنترل می باشد ولی وقتی دور موتور بیشتر می شود، می توان مقدار سوخت ورودی به سیلندر را افزایش داد اما جبران کمبود هوا بسیار مشکل است. وجود این مشکل رویکرد طراحان و مهندسان را بر این داشت که برای جبران کمبود هوا در دورهای بالا به دنبال راهی باشند.
یکی از این راه ها که شرکت های خودروسازی برای جبران کمبود هوا در سیلندر در دورهای بالا جهت افزایش توان و قدرت بالا استفاده می کردند افزایش حجم موتور بود اما این کار با پیامدهایی از جمله افزایش مصرف سوخت و آلایندگی همراه بود. از سوی دیگر عیب دیگر این موتورها حجم بالا و راندمان کم بود.
ضمنا افزایش قیمت سوخت و ایجاد قوانین سخت گیرانه جهت جلوگیری از آلایندگی هوا سبب شد تا خودروسازان به فکر اختراع راه دیگری بیافتند. در سال ۱۸۸۵ میلادی مهندسی آلمانی به اسم گوتلیب دایملر ایده ای جهت تقویت موتورهای احتراقی مطرح نمود. او در نظر داشت که توسط یک ساختار مکانیکی هوا را فشرده و آن را به درون سیلندر خودرو تزریق کند.
بعد از طی چندین سال از طرح این ایده، آلفرد بوچی مهندس مکانیک سویسی در سال ۱۹۰۰ میلادی سیستمی به اسم توربو شارژر را ابداع کرد. قطعه ساخته شده توسط او از یک مینفولد حلزونی تشکیل شده بود که درون آن یک توربین جای گرفته و با اتصال به خروجی اگزوز و از طریق بهره گیری از گازهای آن توربین چرخیده شده و با عملی مشابه به یک کمپرسور، تراکم هوای ورودی به درون سیلندر را بالا می برد.
در طول جنگ جهانی اول یک مهندس فرانسوی به اسم آگوست رایتو، موفق شد یک توربو شارژر درون یک موتور شرکت رنو جای دهد. این موتور قرار بود به عنوان موتور اصلی هواپیماهای جنگنده به کار گرفته شود. بعد از گذشت چندین سال از شروع فناوری توربو شارژر در صنعت هوایی، این تکنولوژی به دنیای خودروها نیز وارد شد و در دهه ۵۰ چندین کمپانی سعی کردند که از توربو در اتومبیل های خود استفاده نمایند که موفق نشدند.
نهایتا شرکت جنرال موتورز توانست برخی از ایرادهای این سیستم را رفع کرده و برای نخستین بار در سال ۱۹۶۲ خودروی مجهز به موتور توربو شارژر را معرفی نماید. در ادامه با نحوه عملکرد توربو شارژر آشنا می شوید.
کارکرد توربو شارژر
در فارسی برای توربو شارژر معادل پرخوران در نظر گرفته شده است. این فناوری با هدف طراحی موتورهایی با عملکرد سبک تر و کم حجم تر و در عین حال قدرتمند تر و با راندمان بالاتر ابداع شد. فرض کنید خودرویی در دنده ۴ درحال حرکت در یک جاده مسطح با سرعت ۷۰ کیلومتر در ساعت است. دور موتور آن حدود ۲۰۰۰ دور بر دقیقه بوده و در این حالت میل لنگ در هر ثانیه حدودا ۳۴ دور می چرخد.
با توجه به این که در مورد موتورهای چهارزمانه در حال بحث هستیم و دور میل سوپاپ نصف دور میل لنگ می باشد و به عبارتی سرعت چرخش میل سوپاپ نصف سرعت چرخش میل لنگ است از این رو سوپاپ دود در هر ثانیه حدودا ۱۷ بار باز و بسته می گردد. از آنجا که هوا در اثر خلا نسبی که به خاطر پایین رفتن پیستون در سیلندر به سیلندر وارد می شود بنابراین راندمان موتور مناسب می باشد چرا که هوا به میزان کافی وارد سیلندر می شود.
حال اگر راننده بخواهد سرعت خودرو را زیاد کند، باید پدال گاز را فشار داده و اگر دور موتور به حدود ۴۵۰۰ دور در دقیقه ازدیاد یابد، میل لنگ ۷۵ دور در ثانیه می چرخد. در این حالت سوپاپ هوا حدودا ۳۸ بار در ثانیه باز و بسته می شود. در این حالت سرعت باز و بسته شدن سوپاپ های هوا آنقدر بالا می باشد که هوا نمی تواند به اندازه کافی و به میزان مورد نیاز وارد سیلندر گردد و در این حالت راندمان موتور به شدت پایین می آید.
به بیان دیگر مشکلی که در این دور سبب کاهش کارایی موتور می شود، کاهش حجم هوای ورودی به درون سیلندر بوده و در حقیقت با افزایش فشار سوخت و افزایش زمان پاشش سوخت، سوخت بیشتری به سیلندر وارد شده ولی افزایش میزان هوای ورودی به درون سیلندر امر خیلی سخت و مشکلی است.
عملکرد سیستم توربو شارژر در واقع این کار را انجام می دهد و هوا علاوه بر این که بر اثر خلا نسبی به درون سیلندر نفوذ پیدا می کند، توسط سیستم توربو شارژر هم به درون سیلندر تزریق می گردد. قابل ذکر است این کار صرفا در دورهای بالا باید انجام شود. به بیان دیگر سیستم توربو شارژر در دورهای پایین استفاده نشده بلکه در دورهای بالا به کار گرفته می شود.
جهت متراکم نمودن هوای وارد شده به سیلندر به صرف انرژی زیادی نیاز است چرا که طبق قوانین فیزیک، متراکم کردن یک گاز امر بسیار سختی است و به انرژی بالایی نیاز دارد و برای اجرای این کار باید مقداری از گشتاور و انرژی تولید شده توسط موتور را به عملیات تراکم هوا و هدایت آن به داخل سیلندر اختصاص داد.
طراح سیستم توربو شارژر جهت انجام این کار از انرژی پنهان در گازهای خروجی اگزوز بهره گرفته است. به عبارتی این سیستم از انرژی گرمایی خروجی موتور استفاده کرده که از اگزوز خودرو خارج و تلف می شود. از این رو یک پره در مسیر گازهای خروجی اگزوز جای دارد و جریان خروجی اگزوز که انرژی بسیار بالایی دارد، این پره را که توربین نام دارد می چرخاند.
شفت متصل به توربین به پره دیگری به نام کمپرسور متصل می باشد که در مسیر هوای ورودی به درون موتور قرار گرفته است. در دورهای کم، انرژی موجود در گازهای خروجی و سرعت خروج گازهای سوخته شده به خاطر احتراق، بالا نیست اما با این وجود پره های توربین را چرخانده و این چرخش از طریق شفت متصل به آن به کمپرسور هدایت می شود. ولی سرعت چرخش آن در حدی نمی باشد که تغییر محسوسی در رویه ورود هوا به درون سیلندر ایجاد نماید.
در دور پایین موتور، توربین و کمپرسور چرخیده ولی عملا در افزایش راندمان حجم هوای ورودی به سیلندر تاثیری ندارند. هنگامی که دور موتور زیاد می شود، انرژی ناشی از خروج گازهای حاصل از احتراق به مقدار بی نهایتی بالا می رود. این انرژی به پره هایی که در مسیر اگزوز هستند هدایت شده و آن را سریعا تحت تاثیر می گذارد و در نتیجه سبب چرخیدن کمپرسور می گردد.
سرعت بالای کمپرسور که در مسیر هوای ورودی به پیشرانه است ، سبب فشرده شدن هوا و تزریق آن به داخل سیلندر می شود. همانگونه که پیشتر اشاره شد در دور زیاد موتور، سرعت باز و بسته شدن سوپاپ های هوا آنچنان زیاد است که در موتورهایی که توربو شارژر ندارند فرصت کمی برای ورود هوا به درون سیلندر در اثر ایجاد خلا نسبی وجود دارد.
اما در موتورهای با سیستم توربو شارژر با توجه به این که هوای فشرده در پشت سوپاپ هوا موجود است به محض باز شدن سوپاپ هوا با فشار زیادی به درون سیلندر تزریق می گردد. سیستم پاشش این موتورها مستقیم یا DGI نام داشته و بنزین با فشار زیادی به درون سیلندر وارد می شود.
مقدار فشار بنزین در ریل سوخت موتورهای بدون توربو شارژر حدودا ۳.۵ مرتبه است ولی این میزان در موتورهای مجهز به توربو شارژر حدود ۸۰ مرتبه و بالاتر می باشد. به آسانی می توان تفاوت هوای موجود در سیلندر یک موتور مجهز به توربو شارژر را با یک موتور بدون این سیستم احساس کرد.
قابل ذکر است پیشرانه های مجهز به سیستم توربو شارژر دو پمپ بنزین دارند. یکی با فشار پایین که شبیه سایر خودروها در باک بنزین حضور داشته و با برق عمل می کنند و دیگری پمپ بنزین با فشار بالا که روی پمپ نصب می شود. این پمپ مکانیکی بوده و قدرت مورد نیازش را از میل سوپاپ کسب می کند.
تفاوت توربو شارژر و سوپر شارژر
تکنولوژی توربو شارژر در همه ماشین های اسپرت به کار گرفته می شود و عملکرد توربو شارژر به این صورت است که با افزایش نیروی مکش هوای ورودی توسط موتور ماشین، سبب احتراق بهتر سوخت و در نتیجه بالارفتن قدرت پیشرانه می شود. همانطور که قبلا اشاره شد این قطعه با کمک گازهای خروجی موتور عمل کرده و بدون هدر دادن انرژی به فعالیت می پردازد.
در حالی که تکنولوژی سوپر شارژر توسط نیروی حاصل از میل لنگ از طریق تسمه یا زنجیر عمل می کند. به عبارت دیگر ساختار موتور سوپر شارژر مشابه توربو شارژر می باشد با این فرق که در سوپر شارژ ها توربین حضور ندارد و کمپرسور، قدرتش را مستقیما توسط تسمه یا زنجیر از موتور گرفته و هوای وارد شده به سیلندر را فشرده می سازد. مزیت سوپر شارژر فقدان توربو لگ در آن است ولی به قدرت زیادی برای چرخش نیاز دارد. از این رو همواره نمی تواند نیرویی مانند توربو شارژ تولید کند.
توسط توربو شارژر میزان هوای وارد شده به موتور بالا رفته که سبب بهبود قدرت یا راندمان و یا هردو آن ها می شود. از این فناوری معمولا در چرخه های اتو و دیزل برای موتورهای احتراق داخلی استفاده می شود. البته استفاده از آن در موتور احتراق خارجی نیز مفید است.
به طور خلاصه در عملکرد سیستم توربو شارژر یک جفت توربین حضور دارند که روی یک شفت مشترک نصب هستند. یکی توربو نام داشته که به اگزوز منتقل می شود و دیگری با اسم کمپرسور به دریچه ورودی متصل می باشد. گازهای خروجی از اگزوز موجب چرخش توربین و در ادامه چرخش کمپرسور می شوند.
کمپرسور هوا را به درون پمپ هدایت کرده و هر چه هوای بیشتری وارد موتور شود همراه با حجم بیشتر سوخت، توان خروجی موتور نیز ازدیاد می یابد. برای عملکرد بهتر سیستم توربو شارژر باید در اگزوز فشار کافی موجود باشد که چرخیدن توربین ها را سبب شود. این اتفاق در دور موتور ۲۰ تا ۳۰ هزار دور در دقیقه رخ می دهد.
به فاصله ای که طول کشیده تا دور موتور افزایش یابد و توربو شارژر فعال گردد، توربو لگ گفته می شود. هنگامی که توربو چرخش را شروع می کند ناگهان قدرت زیادی تولید می گردد و در مواقعی این صدای تولید شده همانند صدای سوت موتور جت است.
خودروهای مجهز به توربو
حال که با عملکرد سیستم توربو شارژر آشنا شدید، در ادامه باید اشاره کرد که در گذشته این سیستم برای تولید قدرت بیشتر در خودروهای اسپرت به کار گرفته می شد. از موقعی که استانداردهای مرتبط با آلودگی هوا و محیط زیست بیشتر شد، اکثر خودروسازان از موتورهای کوچک همراه با توربو شارژر به جای موتور بزرگ استفاده می کنند.
توربو شارژر به یک موتور کوچک این اجازه را داده تا نیرویی که یک موتور بزرگ ایجاد می کند را ارائه دهد. ولی هنگامی که به قدرت کمتری باشد، موتور کوچک مصرف کمتری خواهد داشت. در حالت سنتی موتورهای مجهز به توربو شارژر برای سوخت به اکتان زیادی نیاز دارند.
به این ترتیب بسیاری از این موتورها که برای کاهش مصرف سوخت طراحی شده اند از تزریق مستقیم سوخت بهره می گیرند. که این امر کمک می کند تا از سوخت ارزان تر با اکتان ۸۷ هم استفاده نمایند. قابل ذکر است مسافتی که اتومبیل شما با میزان معینی از سوخت می پیماید در موتورهای توربو شارژ مختلف است.
حتی ممکن است موتور دارای توربوی کوچک به اندازه یک موتور بزرگ مصرف سوخت داشته باشد. اکثر موتورهای دیزلی از توربو شارژر بهره می گیرند. این موتورها بهره بری سوخت بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی توربو شارژ دارند. در پایان شناخت عملکرد توربو شارژر، در صورت تمایل می توانید برای آشنایی با کارکرد توربین های گازی و توربین های بادی روی لینک کلیک کنید.
منبع : آرگا
