اتومبیل زیر ذره‌بین (2)

آشنایی با نحوه عملکرد و ویژگی‌های سوپرشارژر

ارشیا عباسی - یکشنبه، 25 آذر 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.

 

سوپرشارژر چیست و چگونه کار می‌کند؟
سوپرشارژر‌ها از نظر تنوع گسترده‌تر از توربوشارژر‌ها هستند. سه نوع اصلی سوپرشارژر‌ها را می‌توان انواع سانتریفیوژی، مارپیچی و نوعی موسوم به روتس دانست.
منبع تامین نیروی لازم برای کارکرد این سیستم‌ها پیشرانه خودرو است. به این معنا که سوپرشارژر از طریق یک تسمه به طور مستقیم به میل لنگ خودرو متصل است و به این ترتیب با گردش میل لنگ، سوپرشارژر نیز به کار می‌افتد. در نهایت با افزایش سرعت دوران موتور، سوپرشارژر نیز سریع‌تر کار می‌کند و هوای بیش‌تری به پیشرانه می‌فرستد که باز هم اجازه افزایش سوخت و در نتیجه توان را به پیشرانه می‌دهد. توربوشارژر‌های روتس و مارپیچی معمولا در بالاترین دور پیشرانه حدود 15 هزار دور در دقیقه دوران می‌کنند. مشابه توربوشارژرها، سوپرشارژرها نیز دارای قطعه‌ای به نام اینترکولر هستند که در واقع یک رادیاتور (مبدل حرارتی) است که می‎‌تواند دمای هوای فشرده شده را کاهش داده و سپس به داخل پیشرانه منتقل کند. پیش‌تر در  بخش آشنایی با نحوه عملکرد و ویژگی‌های توربوشارژر اشاره شد.

 

AutomobileFa Supercharger

1- سوپرشارژرهای سانتریفیوژی
این نوع از سوپرشارژرها بسیار شبیه به توربوشارژر هستند. و ساختار فیزیکی و عملکردی آن‌ها نیز با توربوشارژر شباهت بسیاری دارد. تنها تفاوت موجود بین این نوع از سوپرشارژرها با توربوشارژرها در این است که، سوپرشارژرهای سانتریفیوژی دوران خود را از طریق تسمه از میل لنگ می‌گیرند درحالی توربوشارژرها دوران خود را از طریق گازهای خروجی پیشرانه دریافت می‌کنند. توربین این سوپرشارژرها برای فراهم کردن فشار لازم نیاز دارد تا با دور بسیار بالایی (بعضا تا 7۰ هزار دور بر دقیقه) بچرخد به همین دلیل در این سوپرشارژرها جعبه دنده‌ای کار گذاشته می‌شود تا دوران ورودی افزایش پیدا کند.
فشار تولیدی سوپرشارژرهای سانتریفیوژی کاملا وابسته به دور پیشرانه است. بنابراین هرچه پیشرانه با دور بالاتری در حال دوران باشد سوپرشارژر نیز با دور بالاتری کار کرده و راندمان بیش‌تری را ارائه می‌دهد. به همین دلیل این نوع از سوپرشارژرها در دورهای پایین کارایی کمی دارند. از مزیت‌های این نوع از سوپرشارژرها می‌توان به ابعاد کوچک و فشار تولیدی بسیار بالا اشاره کرد. به همین دلیل این سوپرشارژرها بسیار مورد استقبال تیونرها قرار گرفته است.

 

Automobilefa Centrifuge Supercharger

2- سوپرشارژرهای روتس
یکی از قدیمی‌ترین نوعسوپرشارژرها را می‌توان سوپرشارژرهای روتس دانست. سوپرشارژر روتس از دو عدد روتور پره‌دار تشکیل شده است. این روتورها توسط نیروی پیشرانه به چرخش درآمده و چرخش آن‌ها سبب ورود و حبس هوا در فاصله‌ی بین پره‌ها و بدنه‌ی سوپرشارژر می‌شود و پس از فشرده‌سازی، هوای پرفشار تولیدی به سمت پیشرانه ارسال می‌شود.
از معایب این سوپرشارژرها این است که مصرف انرژی زیادی دارد به همین دلیل می‌توان تنها در زمانی که نیازی به فعال بودن آن است، از روش‌های مختلفی (به عنوان مثال استفاده از کلاچ) سوپرشارژر را وارد مدار کرد. تنها مزیت سوپرشارژر روتس قیمت ارزان آن است اما در مقابل، این نوع سوپرشارژر در دورهای بالا انرژی زیادی از پیشرانه می‌گیرد و صدای زیادی نیز تولید می‌کند.

نوع بهینه سازی شده و پیشرفته‌تری از سوپرشارژرهای روتس نیز وجود دارد که TVS نامیده می‌شود. بزرگ‌ترین تغییر این سوپرشارژرها نسبت به روتس این است که روتورهای روتس دارای 3 پره هستند ولی در نوع TVS روتورها دارای 4 پره هستند. به همین دلیل فشار خروجی بیش‌تری تولید می‌کنند. علاوه بر این، این سوپرشارژرها دارای سر و صدای کم‎‌تر و دمای کارکرد پایین‌تری نیز هستند.

 

AutomobileFa Roots and TVS Supercharger

3- سوپرشارژرهای مارپیچی
سوپرشارژرهای مارپیچی از دو مارپیچ نر و ماده تشکیل شده‌اند که با هم در تماس بوده و دوران آن‌ها، مکش، فشرده‌سازی و پمپاژ هوا به داخل پیشرانه انجام می‌شود. این نوع از سوپرشارژرها مزیت‌های فراوانی دارند. مزیت اول در این سوپرشارژرها فشار تولیدی بالا و راندمان کاری بسیار خوب آن‌ها است. علاوه بر این سوپرشارژرهای مارپیچی قدرت خود را در بازه‌ی وسیعی از دور موتور تولید می‌کنند بنابراین در دورهای پایین تا بالای پیشرانه، همواره سوپرشارژر می‌تواند راندمان را افزایش دهد. این سوپرشارژرها در کنار مزایای نام‌برده، یک عیب بزرگ دارند و آن هزینه‌ی تولید و قیمت بالای آن‌ها است.

 

AutomobileFa Spiral  Supercharger

ezgif 3 0141b4582690