توربوشارژرها و سوپرشارژرها

هنگامی كه مردم در مورد خودروهای مسابقه‌ای و یا خودروهای ورزشی با كیفیت صحبت می‌كنند (از جمله خودروهای فرمول یك)، خواه ناخواه صحبت از توربوشارژر هم به میان می‌آید.
توربوشارژر وسیله‌ای است كه می‌تواند بدون آنكه وزن موتور را به مقدار قابل توجهی افزایش دهد، قدرت موتور را بسیار بالا ببرد و به همین دلیل است كه از چنین محبوبیت گسترده‌ای برخوردار است. در اینجا قصد داریم بفهمیم كه توربوشارژر چگونه می‌تواند بدون آنكه تغییر چندانی در وضعیت فیزیكی موتور ایجاد كند، قدرت را به مقدار بسیار زیادی افزایش دهد. همچنین خواهیم دید دریچه‌های خروجی، پره‌های سرامیكی توربین، مجراهای عبور گاز چگونه كارایی سوپر شارژر را بهبود می‌بخشند.
● توربوشارژر چیست؟
توربوشارژر نوعی سیستم دمنده است كه هوا را با فشار زیادی به درون سیلندر می‌دمد. هنگامی كه پیستون در حالت عكس قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور دیزلی، هوا) را به درون سیلندر می‌مكد. هر چه فشار هوا بیشتر باشد مقدار مولكول‌های هوا بیشتر خواهد بود و بالتبع مخلوط هوا و سوخت بیشتری در سیلندر جای خواهد گرفت. هر چه سوخت بیشتر باشد، قدرت ناشی از احتراق هم بیشتر خواهد بود.
بدین‌ترتیب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بیشتری نسبت به موتور معمولی تولید می‌كند. توربوشارژر به سادگی می‌تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، یعنی با قدرت مساوی، خودروی مجهز به توربوشارژر از موتوری با وزن و حجم كمتر سود می‌برد، در نتیجه حجم و وزن خودرو نیز كمتر می‌شود و این بدان معنی است كه شتاب خودروی مجهز به توربوشارژر بیشتر است و سریعتر به سرعت مناسب دست پیدا می‌كند.
توربوشارژر قدرت لازم برای فشرده كردن هوای ورودی را از كجا تامین می‌كند؟ در نوع ابتدایی توربوشارژر (كه سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نیاز از میل‌لنگ گرفته می‌شود، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو صرف فشرده‌سازی هوای ورودی می‌شود.
ولی در نوع پیشرفته‌تر كه همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجی اگزوز استفاده می‌شود. گازهای خروجی اگزوز داغ هستند و می‌توان از انرژی جنبشی، سرعت و فشار آنها برای چرخاندن یك توربین استفاده كرد. این توربین هم یك پمپ هوا را می‌گرداند و در نهایت، پمپ، هوا را فشرده كرده به درون سیلندر می‌فرستد. توربین نصب شده در مسیر گازهای خروجی گاه به سرعت ۱۵۰ هزار دور در دقیقه می‌رسد كه بیش از ۳۰ بار سریعتر از دور موتور اغلب خودروهای امروزی است.
دمای این توربین هم به دلیل تماس با گازهای داغ خروجی بسیار بالاست. این دو عامل موجب می‌شوند توربین از فناوری پیشرفته‌ای برخوردار باشد تا بتواند كارایی و دوام خود را تا مدت‌ها حفظ كند.
● یك نگاه آماری:
توربوشارژرهای رایج می‌توانند هوا را به فشار ۴۰ تا ۵۵ كیلوپاسكال بیشتر از هوای محیط برسانند. از آنجایی كه فشار هوای سطح دریا ۱۰۰ كیلوپاسكال است، مشخص می‌شود كه توربوشارژر تقریباً ۵۰ درصد هوای بیشتر وارد سیلندر می‌كند. بنابراین انتظار می‌رود كه قدرت هم تا ۵۰ درصد افزایش یابد. ولی به دلیل برخی تلفات، این افزایش قدرت بین ۳۰ تا ۴۰ درصد خواهد بود. یكی از دلایل این اتلاف به این موضوع باز می‌گردد كه كار مورد نیاز توربوشارژر رایگان نیست. هنگامی كه گاز خروجی اگزوز توربین را می‌چرخاند، بدان معنی است كه مقاومتی در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پیستون باید فشار بیشتری اعمال كند تا گاز تخلیه شود و این بخشی از قدرت موتور را مصرف می‌كند.
یكی دیگر از مزایای توربوشارژر، قابلیت بهبود كاركرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات، فشار هوا كمتر است و در نتیجه هوای كمتری در سیلندر وارد می‌شود. خودروهای معمولی در چنین ارتفاعاتی با كاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی خودروهای مجهز به توربوشارژر علیرغم آنكه با كاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی مقدار این كاهش به مراتب كمتر است؛ چرا كه كار لازم برای فشرده كردن گاز رقیق كمتر است!
همانطور كه اشاره شد، یك توربوشارژر معمولی از یك توربین، یك میل محور (شافت) و یك كمپرسور تشكیل شده است. مجرای گاز خروجی اگزوز معمولا به گونه‌ای طراحی می‌شود كه گاز دارای بیشترین سرعت و دمای ممكن باشد. پره‌های توربین با طراحی خاص می‌توانند به گردش ۱۵۰ هزار دور در دقیقه دست پیدا كنند، ولی انتقال چنین گردشی به كمپرسور كار ساده‌ای نیست. میل محوری كه پروانه توربین را به پره‌های كمپرسور متصل می‌كند، باید دارای پایداری بسیار بالایی باشد. اغلب میل محورهای معمولی در چنین سرعت بالایی منفجر می‌شوند، زیرا هم دمای میله بسیار بالا می‌رود، هم اندكی جابه‌جایی و عدم تعادل در نصب میل محور كافی است تا در این سرعت، میل محور به بیرون پرتاب شود. از این رو از یاتاقان‌های روغنی برای مهار میل محور در توربوشارژر استفاده می‌شود. در چنین یاتاقان‌هایی، لایه نازكی از روغن اطراف میل محور را می‌پوشاند و بدین‌ترتیب، هم میل محور را خنك می‌كند و هم اصطكاك‌های احتمالی را به حداقل می‌رساند.
پس از انتقال قدرت به كمپرسور، پره كمپرسور به گردش درمی‌آید. كمپرسور همانند یك پمپ سانتریفوژ عمل می‌كند، بدین ترتیب كه هوا را از مركز به گردش درمی‌آورد و در نهایت هوای فشرده شده را از حفره تعبیه شده در محیط خارج بیرون می‌دمد.
● محدودیت‌های توربوشارژر
الف) فشار:
فشار حداكثر درون سیلندر نباید از یك مقدار مجاز بیشتر شود. هنگامی كه مخلوط هوا و سوخت در سیلندر یك خودروی متراكم می‌شود، دمای آن نیز همراه با فشار افزایش خواهد یافت. فشار بیش از اندازه به دیواره‌های سیلندر، سرسیلندر و حتی پیستون و میل‌لنگ موجب كاهش عمر مفید آنها می‌شود.
افزایش دما اثری به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصی بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت می‌توانند پیش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدین‌ترتیب نه تنها چرخه عظیم موتور دچار اخلال می‌شود، بلكه ضربه ناشی از احتراق می‌تواند آسیب‌های جدی به موتور وارد آورد. از این رو برخی با كاهش دادن نسبت تراكم سیلندر، حداكثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه می‌دارند. البته برخی دیگر سوختی با اكتان بالاتر را برای موتور پیشنهاد می‌كنند.
ب) زمان تأخیر:
یكی از مهمترین مشكلات توربوشارژر این است كه نمی‌توانند افزایش قدرت را به طور ناگهانی اعمال كنند. هنگامی كه به پدال گاز فشار می‌آورید، حدوداً یك ثانیه طول می‌كشد تا توربین به سرعت لازم دست پیدا كند و افزایش قدرت اعمال شود. بنابراین افزایش قدرت با كمی تاخیر حاصل می‌شود. یكی از روش‌های كاستن این زمان تاخیر، پایین آوردن اینرسی قطعات است كه معمولاً از طریق سبك كردن قطعات بدست می‌آید؛ بدین‌ترتیب توربین و پمپ سریعتر شتاب می‌گیرند و قدرت سریعتر اعمال می‌شود.ج) اندازه توربوشارژر:
اندازه توربوشارژر هم مزایا و معایبی به همراه دارد. هر چه توربوشارژر كوچكتر باشد، زمان تاخیر كمتری دارد و سریعتر قدرت را اعمال می‌كند، ولی در سرعت‌های بسیار بالا كه باید حجم زیادی هوا را وارد سیلندر كند، كم‌توان و گاه خطرناك ظاهر می‌شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ می‌تواند به خوبی از عهده پمپ كردن حجم زیاد هوا برآید. ولی زمان تاخیر آن بیشتر خواهد بود.
خوشبختانه راه‌حل‌های جالبی برای مقابله با این مشكلات پیشنهاد شده است كه به برخی از آنها اشاره می‌كنیم:
▪ دریچه اگزوز (waste gate)
بسیاری از خودروهای توربوشارژردار از یك یا چند دریچه كمكی در مجرای اگزوز سود می‌برند كه آنها را قادر می‌سازد از توربوشارژرهای كوچك استفاده كنند. هنگامی كه سرعت خودرو بسیار بالا می‌رود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزایش می‌یابد، این خطر وجود دارد كه توربین با سرعت بسیار بالاتری به گردش در آید. در این شرایط این دریچه‌ها باز شده و بخشی از اگزوز بدون آنكه از توربین عبور كند، از موتور خارج می‌شود. به این ترتیب سرعت دوران توربین در سرعت‌های بالا هم در حد مجاز باقی می‌ماند.
▪ یاتاقان‌های ساچمه‌ای
در این یاتاقان‌ها، از ساچمه‌های بسیار پیشرفته‌ای استفاده شده كه از مواد بسیار پیشرفته و یا فناوری فرا دقیق ساخته شده‌اند.
این یاتاقان‌ها موجب می‌شوند میل محور با اصطكاك كمتری نسبت به یاتاقان‌های روغنی كه در اغلب نمونه‌ها استفاده می‌شود، به گردش در آید؛ ضمن آنكه موجب می‌شود از میل محورهای كوچكتر و سبك‌تری هم بتوان استفاده كرد. این چنین میل محور سریع‌تر شتاب می‌گیرد و زمان تاخیر كاهش می‌یابد.
▪ پره‌های سرامیكی توربین
سرامیك، دسته‌ای از مواد هستند كه استحكام خوبی دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبك‌ترند. استفاده از این پره‌ها به جای پره‌های فلزی دو مزیت دارد، نخست آنكه با سبكتركردن توربین، زمان تاخیر را كاهش می‌دهد و دوم، چون بر هم‌كنش با مواد خورنده درون اگزوز ندارد، شكل خود را برای مدتها حفظ می‌كند و مانند پره فلزی خورده نمی‌شود.
▪ خنك‌كننده داخلی
هنگامی كه توربوشارژر هوا را فشرده می‌كند، خواه ناخواه دمای هوا نیز افزایش می‌یابد. این افزایش دما جدای از تاثیر مخرب بر حداكثر فشار درون سیلندر، موجب می‌شود مولكول‌های هوا كمتر از آن مقدار باشند كه در طراحی خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از یك خنك‌كننده استفاده می‌شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دمای آن به مقدار قابل توجهی كاهش یابد. بدین‌ترتیب می‌توان با اطمینان خاطر و بدون نگران بودن از پیش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداكثر می‌رساند.
● سوپرشارژر
سوپرشارژرها كمپرسورهایی هستند كه توان موردنیاز را برای فشردن هوا از موتور می‌گیرند و توربوشارژرها، همان سوپرشارژرهایی هستند كه نیروی محركه خود را از دودهای خروجی از اگزوز می‌گیرند.
سه نوع سوپرشارژر وجود دارد:
۱) نوع دمنده‌ای
۲) نوع گریز از مركز
۳) نوع مارپیچی
كه همگی آنها قدرت رانشی خود را به طریقی از میل‌لنگ موتور می‌گیرند. بطوریكه سرعت بالاتر موتور، باعث سریعتر چرخیدن آنها می‌شود.
دو نوع اول با سرعتی معادل ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه و نوع سوم یا گریز از مركز با سرعتی معادل ۴۰۰۰۰ دور در دقیقه می‌چرخد.
● مقایسه توربوشارژر و سوپرشارژر
▪ زمان در سرویس قرار گرفتن:
سوپرشارژرها بلافاصله بعد از روشن نمودن و چرخش موتور، در سرویس قرار می‌گیرند و هوای فشرده را در اختیار موتور قرار می‌دهند هر چند این میزان تقویت اولیه برای موتور، خیلی اندك است ولی به تدریج با دور گرفتن موتور افزایش می‌یابد و حاصل آن افزایش آرام و یكنواخت توان موتور است.
اما در مقابل توربوشارژرها نقطه ضعفی دارند كه آن را تاخیر در واكنش نشان دادن می‌نامند. چون لختی كه توربوشارژرها در آغاز كار دارند و باید ابتدا دودهای خروجی داغ تولید شوند تا دور بگیرند (spool up) باعث می‌شود كه مدتی طول بكشد تا هوا را برای فرستادن به موتور فشرده كنند و بنابراین تا دور موتور بالا نرفته است می‌توانند هوا را به شكل دلخواه فشرده كنند.
در حالتی كه دریچه هوای ورودی آنها باز باشد (wide open throttle =wot) معمولا یك افزایش ناگهانی در قدرت توربو شارژر پدید می‌آید. این موضوع در دورهای حدود rpm۳۰۰۰ دارند این است كه توان‌های بالایی را نمی‌توان از آنها گرفت.
▪ افت توان غیر قابل اجتناب
سوپرشارژرها به علت اینكه نیروی خود را از موتور می‌گیرند باعث می‌شوند كه بخشی از توان تولید شده توسط موتور را مصرف كنند این افت توان غیرقابل اجتناب می‌تواند حتی از ۵۰ اسب بخار هم تجاوز كند البته این سوپرشارژرها بیش از آنچه انرژی مصرف می‌كنند به توان موتور اضافه می‌كنند. ولی توربوشارژر به علت آنكه هیچگونه انرژی را از موتور مصرف نمی‌كنند ولی با ایجاد مانع در جریان دودهای خروجی از موتور و افزایش فشار پس زدن سبب می‌شوند از بخشی از توان موتور بطور غیرمستقیم كاسته شود. چون در این حالت پیستون باید انرژی بیشتری را برای بیرون راندن دودهای خروجی از سیلندر صرف كند ولی از طرف دیگر استفاده از توربوشارژر باعث می‌شود كه هوای فشرده وارد سیلندر شود و همین موضوع باعث محكم به پایین رفتن پیستون و دادن انرژی به آن می‌شود كه با انرژی كه قبلاً گفته شد خنثی می‌شود. به‌ هر حال استفاده از توربوشارژر به علت اینكه توانی برای كار كردن از موتور نمی‌گیرد و باعث بالا رفتن توان موتور می‌شود معمول‌تر از سوپر شارژر است.
▪ تولید حرارت:
هنگامیكه هوای ورودی خنك‌تر باشد متراكم‌تر و چگالی‌تر است كه بدین مفهوم است كه اكسیژن بیشتری در واحد حجم موتور می‌رسد. اكسیژن بیشتر به مفهوم توان بیشتر است سوپر شارژرهای دمنده‌ای از این جهت كه تولید گرما می‌كنند مطلوب نیستند این گرمای تولید شده حاصل ناكافی بودن تراكم هوای ورودی است و از این روی توربوشارژرها كارآیی بیشتری نسبت به سوپرشارژرها دارند.
سوپر شارژرهای گریز از مركز می‌توانند از این جهت بهتر از توربوشارژرها باشند و قابلیت انعطاف بیشتری را از خود بروز دهند. با قرار دادن لوله هوای ورودی به موتور را گرم‌تر كرد. سوپر شارژرهای گریز از مركزی كه خوب طراحی شده باشند می‌توانند این گرما را از طریق نصب مشكل هم فائق آمد.
▪ میزان تقویت:
از نظر حداكثر توان مطلق تولیدی استفاده از توربو شارژر امكان بالاتری برای تقویت قدرت موتور ارایه می‌دهد تا استفاده از سوپر شارژر. مثلاً در تراكتورهایی كه جهت كشش مورد استفاده قرار می‌گیرند، استفاده از سه توربو شارژر بصورت سری باعث می‌شود كه سطح تقویت هوای ورودی فشاری معادل psi۲۰۰ تولید كند!
● نتیجه‌گیری:
▪ توربو شارژر یا سوپر شارژر؟
اظهار نظر در مورد اینكه استفاده از كدامیك (توربو شارژر یا سوپر شارژر) بهتر است كاری مشكل است. مهمترین مزیت سوپر شارژر این است كه زمان واكنش نشان دادن آن كم است و به سرعت در سرویس قرار می‌گیرد (البته غیر از نوع گریز از مركز آن) و استفاده از آن هم ساده است. از آن طرف عمده‌ترین مزیت توربو شارژر، كارایی بالای آن و تولید حداكثر توان است. این دیگر بستگی به نظر خریداران خودرو دارد كه تصمیم بگیرند كدام نوع را برای وسیله خود انتخاب كنند.

منبع : carx1