توربوشارژرها و سوپرشارژرها

توربوشارژر وسیله ای است که می تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهی افزایش دهد, قدرت موتور را بسیار بالا ببرد و به همین دلیل است که از چنین محبوبیت گسترده ای برخوردار است

هنگامی که مردم در مورد خودروهای مسابقه‌ای و یا خودروهای ورزشی با کیفیت صحبت می کنند ( و از آن جمله است خودروهای فرمول یک)، خواه نا خواه صحبت از توربوشارژر هم به میان می آید.

رد این توربوشارژر را همچنین می توان در خودروهای دیزلی بزرگ هم مشاهده کرد. امروزه می‌توان خودروهای سواری زیادی را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه‌ای از آنها نصب شده است.

توربوشارژر وسیله‌ای است که می‌تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهی افزایش دهد، قدرت موتور را بسیار بالا ببرد و به همین دلیل است که از چنین محبوبیت گسترده‌ای برخوردار است! در اینجا قصد داریم بفهمیم که توربوشارژر چگونه می‌تواند بدون آنکه تغییر چندانی در وضعیت فیزیکی موتور ایجاد کند، قدرت را به مقدار بسیار زیادی افزایش دهد. همچنین خواهیم دید دریچه‌های خروجی، پره‌های سرامیکی توربین، مجراهای عبور گاز چگونه کارآیی سوپر شارژر را بهبود می بخشند.

● توربوشارژر چیست؟

توربوشارژر نوعی سیستم دمنده است که هوا را با فشار زیاد به درون سیلندر می‌دمد. هنگامی که پیستون در حالت عکس قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور دیزلی، هوا) را به درون سیلندر می‌مکد. هر چه فشار هوا بیشتر باشد مقدار مولکولهای 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.

بدین ترتیب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بیشتری نسبت به موتور معمولی تولید می‌کند. توربوشارژر به سادگی می‌تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، یعنی با قدرت مساوی، خودروی مجهز به توربو شارژر از موتوری با وزن و حجم کمتر سود می‌برد، در نتیجه حجم و وزن خودرو نیز کمتر می‌شود و این بدان معنی است که شتاب خودروی مجهز به توربوشارژر بیشتر است و سریع‌تر به سرعت مناسب دست پیدا می‌کند.

توربوشارژر قدرت لازم برای فشرده کردن هوای ورودی را از کجا تأمین می‌کند؟ در نوع ابتدایی توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نیاز از میل لنگ گرفته می‌شد، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو صرف فشرده سازی هوای ورودی می شد. ولی در نوع پیشرفته‌تر که 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 یک توربین استفاده کرد. این توربین هم یک پمپ هوا را می‌گرداند و در نهایت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سیلندر می‌فرستد. توربین نصب شده در مسیر گازهای خروجی گاه به سرعت ۱۵۰ هزار دور در دقیقه می رسد که 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 کارآیی و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند.

یک نگاه آماری: توربوشارژرهای رایج می‌توانند هوا را به فشار ۴۰ تا ۵۵ کیلوپاسکال بیشتر از هوای محیط برسانند. از آنجایی که فشار هوای سطح دریا ۱۰۰ کیلوپاسکال است، مشخص می‌شود که توربوشارژر تقریباً ۵۰ درصد هوای بیشتر وارد سیلندر می‌کند. بنابراین انتظار می‌رود که قدرت هم تا پنجاه درصد افزایش یابد. ولی به دلیل برخی تلفات، این افزایش قدرت بین ۳۰ تا ۴۰ درصد خواهد بود. یکی از دلایل این اتلاف به این موضوع باز می‌گردد که کار مورد نیاز توربوشارژر رایگان نیست. هنگامی که گاز خروجی اگزوز توربین را می‌چرخاند، 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 می‌کند.

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 می‌شود. خودروهای معمولی در چنین ارتفاعاتی با کاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی خودروهای مجهز به توربوشارژر علیرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی مقدار این کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم برای فشرده کردن گاز رقیق کمتر است!

همان طور که اشاره شد، یک توربوشارژر معمولی از یک توربین، یک میل محور (شافت) و یک کمپرسور تشکیل شده است. مجرای گاز خروجی اگزوز معمولا به گونه ای طراحی می‌شود که گاز دارای بیشترین سرعت و دمای ممکن باشد. پره‌های توربین با طراحی خاص می‌توانند به گردش ۱۵۰ هزار دور در دقیقه دست پیدا کنند، ولی انتقال چنین گردشی به کمپرسور کار ساده‌ای نیست. میل محوری که پروانه توربین را به پره‌های کمپرسور متصل می‌کند، باید دارای پایداری بسیار بالایی باشد. اغلب میل محورهای معمولی در چنین سرعت بالایی منفجر می‌شوند، زیرا هم دمای میله بسیار بالا می‌رود، هم اندکی جابه‌جایی و عدم تعادل در نصب میل محور کافی 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 نازکی از روغن اطراف میل محور را می‌پوشاند و بدین ترتیب، هم میل محور را خنک می‌کند و هم اصطکاک‌های احتمالی را به حداقل می‌رساند.

پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در می‌آید. کمپرسور همانند یک پمپ سانتریفوژ عمل می‌کند، بدین ترتیب که هوا را از مرکز به گردش در می‌آورد و در نهایت هوای فشرده شده را از حفره تعبیه شده در محیط خارج به بیرون می‌دمد.

---