اتومبیل زیر ذره‌بین (1)

آشنایی با نحوه عملکرد و ویژگی‌های توربوشارژر

ارشیا عباسی - شنبه، 19 آبان 1397

یکی از متداول‌ترین روش‌های افزایش قدرت و گشتاور پیشرانه خودرو استفاده از سیستم‌های پرخوران (توربوشارژر یا سوپرشارژر) است. به طور کلی اساس کار سیستم‌های پرخوران، فشرده کردن و تزریق هوای بیش‌تر به داخل پیشرانه برای افزایش راندمان است. به این معنی که هر دو سیستم هوا را از محیط اطراف به داخل خود می‌کشند و پس از فشرده کردن، آن را با فشار بالا به داخل سیلندر تزریق می‌کنند اما هر یک برای این منظور روش متفاوتی داشته و نسبت به هم برتری‌‌ها و نقاط ضعفی نیز دارند.

 

نقش تزریق هوای بیش‌تر در افزایش بازدهی پیشرانه چیست؟
توان پیشرانه‌های درون‌سوز از اشتعال مخلوط سوخت و هوا حاصل می‌شود. با این حساب برای افزایش توان پیشرانه می‌توان حجم بیش‌تری از سوخت را به داخل پیشرانه تزریق کرد. این روند افزایش میزان تزریق سوخت را می‌توان تا حدی ادامه داد، اما از میزان مشخصی به بعد تزریق سوخت بیش‌تر هیچ کمکی به احتراق قوی‌تر نکرده و تنها باعث هدر رفتن سوخت می‌شود،
هر ماده سوختنی برای اشتعال کامل نیاز به حجم مشخصی از هوادارد. این نسبت در مورد بنزین با توجه به اکتان آن عددی در حدود 14.7 به 1 است. یعنی 14.7 قسمت هوا و یک قسمت بنزین. به این ترتیب با تزریق سوخت بیش‌تر عملا شرایطی پیش می‌آید که امکان تامین هوای کافی برای اشتعال کامل بنزین تزریق شده به پیشرانه وجود نخواهد داشت.
در سیکل کارکرد یک پیشرانه در مرحله مکش، پیستون با حرکت به سمت پایین هوای تازه را به داخل پیشرانه می‌کشد، با هر بار مکش ، میزان مشخصی از هوا (بسته به حجم سیلندر) وارد آن می‌شود و پیشرانه در هیچ شرایطی نمی‌تواند بیش از حجم کامل خود (حجم سیلندرها) هوا را به داخل سیلندر بکشد. برای اشتعال مقدار بیش‌تر سوخت تزریق شده، نیاز است تا در همان حجم ثابت سیلندر، مقدار هوای بیش‌تری وارد شود و این یعنی باید هوای تازه به صورت متراکم و با فشار بالا وارد شود تا در حجم ثابت سیلندر، مقدار اکسیژن کافی برای احتراق حجم بیش‌تر سوخت تزریق شده تامین گردد و در این مرحله است که نقش سیستم‌های پرخوران مشخص می‌شود.
در پرخوران‌ها هوا پیش از ورود به پیشرانه فشرده می‌شود. فشرده شدن هوا به این معنی است که در حجم مشخص، میزان مولکول‌های بیشتری از گاز‌های تشکیل دهنده هوا (از جمله اکسیژن) وجود دارد. به عبارت ساده‌تر اکنون در حجم ثابت سیلندر، تعداد مولکول‌های اکسیژن بیش‌تری نسبت به قبل وجود دارد.

 

توربوشارژر چیست و چگونه کار می‌کند؟
برای درک بهتر از عملکرد توربوشارژر ابتدا یک پروانه (توربین) کوچک را در نظر که محور آن با یک پروانه دیگر (که ما آن را کمپرسور می‌نامیم) هم محور شده است (هر دو پروانه روی یک محور سوار شده‌اند)، به این معنی که با گردش توربین، پروانه دوم نیز به گردش در می‌آید. اگر این دو بخش را در یک محفظه بسته قرار گیرد، اساس کار توربوشارژر به دست آمده است.
در توربوشارژر وظیفه دوران پروانه توربین بر عهده گاز‌های خروجی پیشرانه است. گاز‌های خروجی اگزوز در مرحله تخلیه پیشرانه با فشار بسیار زیاد به بیرون رانده می‌شوند بنابراین سرعت و فشار بالایی دارند. این سرعت بالا به طور معمول کاربردی ندارد و گاز‌ها به مرور و با کاهش سرعت در بخش‌های مختلف اگزوز، در نهایت خارج می‌شوند اما در توربوشارژر این گاز‌ها در مسیر خود به توربین می‌رسند و آن را با سرعت بالا به گردش در می‌آورند. به دلیل هم محور بودن پروانه اول (توربین) با پروانه دوم (کمپرسور)، کمپرسور نیز با گردش توربین به گردش در می‌آید. کمپرسور با این گردش، هوا را با فشار زیاد مکش کرده و پس از فشرده کردن به داخل پیشرانه تزریق می‌کند و به این ترتیب پیشرانه به جای آن که در مرحله مکش، هوا با فشار محیط بیرون را دریافت کند هوای فشرده را در دریافت می‌کند و می‌تواند قدرت بیشتری تولید کند. سرعت گردش توربو بسیار بالاتر از دور پیشرانه است. سرعت گردش توربو بسیار بالاتر از دور موتور است و معمولا بین 75 تا 150 هزار دور در دقیقه با توجه به حجم موتور دوران می‌کند.
در بسیاری از خودروهای سنگین برای کاهش آلودگی هوا، گاز و دود خروجی از منیفولد پس از آن که توربین توربوشارژر را به حرکت در آورد به جای تخلیه به هوای محیط، از طریق مجرایی به هوای فشرده شده توسط توربوشارژر، برای تزریق مجدد به داخل سیلندر پیشرانه افزوده می‌شود. (سامانه EGR)

 

AutomobileFa Turbocharger Diagram

نقش اینترکولر در مدار سیستم توربوشارژ
اینترکولر یک عضو حیاتی در مدار سیستم‌ توربوشارژر است. وظیفه‌ی اینترکولر کاهش دمای هوای فشرده‌شده توسط توربوشارژر بوده و محل قرار‌گیری آن بعد از توربوشارژر و پیش از ورود هوای فشرده به داخل سیلندر است.
هوای فشرده شده توسط توربوشارژر دارای دمای بسیار بالایی است که این دما می‌تواند به ۱۵۰درجه سانتی‌گراد برسد. دلیل این دمای بالا مجاورت توربوشارژر با سیستم اگزوز و خروجی پیشرانه است. علاوه بر این در گازها، به دنبال افزایش فشار گاز با تراکم، دمای گاز نیز افزایش پیدا می‌کند. این افزایش دما سبب کاهش چگالی گاز شده و در نتیجه می‌تواند باعث کاهش غلظت اکسیژن موجود در آن شود. همچنین ورود هوای داغ به داخل پیشرانه و ترکیب آن با سوخت می‌تواند منجر به خود اشتعالی مخلوط سوخت و هوا پیش از جرقه زدن شمع شده و باعث ایجاد ضربه در پیشرانه می‌شود که به این پدیده اصطلاحا ناک (Knock) گفته می‌شود.

AutomobileFa intercooler

اینترکولر در یک پیشرانه مجهز به توربوشارژر

 

اینترکولر در واقع یک رادیاتور است که هوای داغ متراکم شده توسط توربوشارژر وارد آن شده و دچار کاهش دما می‌شود. اینترکولرها به طور میانگین می‌توانند تا 50 درجه سانتی گراد دمای هوای داغ ورودی را کاهش دهند. این کاهش دما می‌تواند توسط جریان آب یا هوا صورت گیرد. معمولا در اینترکولرهایی که با آب خنک می‌شوند یک مدار ثانویه نیز برای خنک کردن جریان آب نیاز است بنابراین پیچیدگی بیش‌تری نسبت به اینترکولرهای خنک شونده با هوا خواهند داشت.

AutomobileFa with water exchanger

 

سوپاپ Blow off و وست‌گیت (wastegate)
سوپاپ Blow off یک سوپاپ اطمینان است. زمانی که یک پیشرانه‌ی توربوشارژر در حال کار کردن در دورهای بسیار بالا است، هوا با فشار زیاد در مجاری پیشرانه در حال حرکت است، زمانی که راننده پا را از روی پدال گاز برمی‌دارد، دریچه‌ی گاز بسته و انتقال هوا به داخل سیلندرها متوقف می‌شود. اما توربوشارژر دقیقا در لحظه‌ی رها کردن پدال گاز از مدار خارج نمی‌شود، در نتیجه بخشی از فشار تولیدی توسط توربوشارژر پشت دریچه‌ی گاز باقی می‌ماند. این فشار به قدری زیاد هست که می‌تواند به مجموعه‌ی توربوشارژر و دریچه‌ی گاز آسیب بزند. علاوه بر این امکان دارد این فشار به داخل سیستم توربو برگشته و آسیب‌های جدی را به همراه داشته باشد. سوپاپ Blow off موجب تخلیه این فشار اضافی خواهد شد.

 

AutomobileFa Blow off valve
  تصویری از سوپاپ Blow Off

 

وست‌گیت: یک دریچه در سمت توربین توربوشارژر است در صورتی که میزان گازهای خروجی اگزوز فراتر از نیاز توربوشارژر باشد، سوپاپ وست‌گیت فعال می‌شود و میزان اضافی گازها را از طریق یک مجرای جداگانه به سیستم اگزوز فرستاده می‌شود.

 

AutomobileFa Wastegate

تصویری از سوپاپ وست‌گیت

 

سیستم توربو دوگانه(تویین توربو) و سیستم توربو دو مجرایی (تویین پاور)
بسیاری از شرکت‌های خودروسازی برای افزایش بازدهی توربوشارژها و همچنین کاهش تاخیر (لگ) آن‌ها و همچنین به دلیل محدودیت‌هایی که شکل و اندازه پیشرانه برای آن‌ها ایجاد می‌‎کرد، به استفاده از سامانه تویین توربو یا توربو دوگانه روی آوردند. به عنوان مثال در یک پیشرانه تخت یا Vشکل، استفاده از یک توربوشارژر کار دشواری است. زیرا منیفولد خروجی پیشرانه در دو طرف آن قرار گرفته است و این امر محدودیت‌هایی را نظیر استفاده از لوله‌های بلندتر و افزایش وزن پیشرانه در استفاده از یک توربوشارژر ایجاد می‌کند. در این شرایط برای هر بلوک پیشرانه، از یک توربوشارژر کوچک‌تر استفاده می‌شود که از منیفولد خروجی همان بلوک تغذیه می‌کند. به این سیستم تویین توربو یا توربو دوگانه گفته می‌شود.

 

AutomobileFa Twin turbo

 تصویری از پیشرانه تویین توربو

 

نوع دیگری از توربوشارژرها نیز که به توربوشارژرهای دو مرحله‌ای معروف هستند در پیشرانه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. عملکرد این توربوشارژرها به این گونه است که در دورهای پایین تنها توربوشارژرهای کم فشار در مدار فعال بوده و با افزایش دور، توربوشارژر دوم وارد مدار خواهد شد.
توربوشارژرهای موسوم به دو مجرایی که اصطلاحا به آن‌ها تویین پاور نیز گفته می‌شود، دارای راندمان بسیار بالا و تاخیر کم هستند. در این توربوشارژرها دو مجرای مجزا برای ورود گازهای خروجی از پیشرانه تعیبه شده است. به عنوان مثال در یک پیشرانه 4 سیلندر، گازهای خروجی از منفیولد سیلندرهای 1 و4 از طریق یک مجرا و گازهای خروجی از سیلندرهای 2 و 3 از مجرای دیگری وارد توربوشارژر خواهند شد. از آنجایی که خروجی گاز هر 4 سیلندر پیشرانه در یک زمان اتفاق نمی‌افتد، این سامانه می‌تواند به کاهش تاخیر توربوشارژر کمک شایانی کند. در سیستم تویین پاور، گاز موجود در یکی از مجراها با قسمت بیرونی پروانه توربین برخورد کرده و موجب فعال شدن توربوشارژر در دورهای پایین می‌شود و گاز موجود در مجرای دوم سبب افزایش دور توربوشارژر در دورهای بالاتر پیشرانه خواهد شد. شرکت ب‌ام‌و آلمان در استفاده از این نوع توربوشارژر زبان‌زد است.

 

AutomobileFa Twin Power

تویین پاور ( توربو دو مجرایی)
.

 

ezgif 3 0141b4582690