توربوشارژرها و سوپرشارژرها

هنگامی كه مردم در مورد خودروهای مسابقه ای و یا خودروهای ورزشی با كیفیت صحبت می كنند از جمله خودروهای فرمول یك , خواه ناخواه صحبت از توربوشارژر هم به میان می آید

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.

---