توربوشارژر چگونه کار می کند؟
وقتی مردم درباره اتومبیل های مسابقه یا اتومبیل های ورزشی با سرعت بالا صحبت می کنند، موضوع توربوشارژر (Turbocharger) مطرح می شود. توربوشارژرها در موتورهای دیزل بزرگ هم وجود دارند. یک توربوشارژر بطور عمده قدرت موتور را زیاد می کند که مزیت بزرگی است.
در این مقاله، شما می توانید با موضوع اینکه چگونه توربوشارژر قدرت خروجی موتور را افزایش می دهد و پره های سرامیکی و یاطاقان های ساچمه ای چگونه به توربوشارژر کمک می کنند تا وظیفه اش را بهتر انجام دهد، آشنا شوید.
اصول کار
راه قطعی برای بدست آوردن قدرت بیشتر از موتور، افزایش مقدار هوا و سوختی است که می سوزد. یک راه برای انجام این کار اضافه کردن یا بزرگتر کردن سیلندرها است. بعضی مواقع این تغییرات شدنی نیست و بهتر است از یک توربوشارژر کمک گرفته شود.
توربوشارژرها یک نوع سیستم مکش هوا هستند که جریان هوای ورودی به موتور را فشرده می کنند. مزیت این سیستم این است که به موتور اجازه می دهد هوای بیشتری به سیلندر وارد کند. هوای بیشتر به معنی سوخت بیشتر است، بنابراین انرژی افزون تری از هر انفجار بدست می آید. یک موتور با توربوشارژر در کل قدرت بالاتری از یک موتور مشابه بدون توربوشارژر دارد؛ یعنی توربوشارژر نسبت قدرت به وزن موتور را افزایش می دهد.
برای رسیدن به این تقویت فشار، توربوشارژر از جریان خروجی اگزوز برای چرخاندن یک توربین استفاده می کند که خود توربین یک پمپ هوا را می چرخاند. توربین در توربوشارژر با سرعتی بالغ بر 150 هزار دور در دقیقه می چرخد که 30 برابر سریع تر از دور موتور است.
مکان توربوشارژر در خودرو
توربوشارژرها با فشرده کردن هوا، به موتور اجازه می دهند سوخت و هوای بیشتری بسوزاند. فشار نسبی ایجاد شده توسط توربوشارژر بین 6 تا 8 پوند بر اینچ مربع است. از آنجایی که فشار جو در سطح دریا حدود 14 پوند بر اینچ مربع است، پس می توانید بفهمید که حدود 50 درصد هوای بیشتری وارد موتور می شود. بنابراین می توان انتظار داشت 50 درصد قدرت بیشتری بدست آید، اما توربوشارژرها کاملاً ایده آل نیستند و بین 30 تا 40 درصد بهبود در قدرت موتور مشاهده می شود.
یکی از دلایل ناکارآمدی این است که انرژی چرخاندن توربین از اگزوز گرفته می شود و وجود یک توربین در اگزوز مقاومت در برابر خروج دود را افزایش می دهد و این یعنی در مرحله خروج دود، موتور باید دود را با فشار بیشتری خارج کند که در نتیجه بخشی از قدرت سیلندری که در مرحله انفجار قرار دارد کاسته می شود.
توربوشارژرها در ارتفاعات که چگالی هوا کم است، به موتور کمک می کنند. موتورهای معمولی در ارتفاعات که جرم کمتری از هوا را دریافت می کنند، با کاهش قدرت مواجه می شوند. یک موتور با توربوشارژر ممکن است با کاهش قدرت روبرو شود، اما این کاهش قدرت خیلی کمتر است چون هوای رقیق تر، راحت تر پمپ می شود.
خودروهای قدیمی با کاربراتور به صورت خودکار مقدار سوخت را افزایش می دهند تا مناسب افزایش هوای ورودی شود. خودروهای مدرن با سیستم سوخت رسانی انژکتوری نیز این کار را انجام می دهند. سیستم انژکتور بر مبنای سنسورهای اکسیژن در اگزوز کار می کنند تا تعیین کنند که نسبت سوخت و هوا درست است یا نه؟
بنابراین در این سیستم نیز اگر توربوشارژر اضافه شود، مقدار سوخت ورودی خودبخود افزایش می یابد.
اگر یک توربوشارژر با فشار بالا به یک خودروی انژکتوری اضافه شود، ممکن است کنترل کننده انژکتور اجازه ورود سوخت زیاد را ندهد و یا پمپ بنزین و تزریق کننده ها توانایی رساندن این مقدار سوخت را نداشته باشند. در این حالت باید تغییرات دیگری اجرا شود تا بتوان از توربوشارژر استفاده کرد.
نحوه کار توربوشارژر
توربوشارژر به خروجی اگزوز موتور متصل می شود. گازهای خروجی از سیلندر، توربین را می چرخانند و هرچه گازهای بیشتری خارج شود توربین سریع تر می چرخد. این توربین توسط یک محور به کمپرسور که بین فیلتر هوا و لوله های ورودی هوا واقع شده، متصل است. این کمپرسور هوا را به سیلندرها پمپ می کند. کمپرسور یک پمپ از نوع گریز از مرکز است که هوا را از مرکز پره ها می کشد و به بیرون پمپ می کند. برای رسیدن به سرعت 150 هزار دور در دقیقه، محور توربین باید به دقت طراحی شود. اکثر یاطاقان ها در این سرعت خراب می شوند، به همین دلیل بیشتر توربوشارژرها از یاطاقان های مایع استفاده می کنند. این نوع یاطاقان ها، محور را روی لایه نازکی از روغن نگه می دارد که بطور پیوسته به دور محور پمپ می شود. یاطاقان مایع دو مزیت دارد:
- اینکه محور و سایر قسمت های توربوشارژر را خنک نگه می دارد.
- اینکه محور، با اصطکاک کمی می چرخد.
تقویت فشار بیش از اندازه
با هوای فشرده ای که توسط توربوشارژر به سیلندر پمپ می شود و فشرده شدن بیشتر توسط حرکت پیستون، خطر ضربه زدن موتور وجود دارد. چون وقتی شما هوا را فشرده می کنید، دمای آن افزایش می یابد. این دما ممکن است آنقدر افزایش یابد که سوخت قبل از جرقه زدن شمع ها و در زمان نامناسب بسوزد که این باعث کوبش موتور می شود. خودروهای دارای توربوشارژر اغلب باید از سوختی با درجه اکتان بالاتر استفاده کنند تا موتور ضربه نزند. اگر فشار واقعاً بالا باشد باید نسبت تراکم موتور کاهش یابد تا کوبش نداشته باشد.
ملاحظات طراحی
یکی از مشکلات اصلی توربوشارژرها این است که وقتی پدال گاز را فشار می دهید، بلافاصله قدرت موتور تقویت نمی شود و چند ثانیه ای طول می کشد تا توربین به سرعت مورد نظر برسد و همین موضوع عامل تاخیر می شود. در ضمن وقتی توربوشارژر حرکت کرد، شتاب ناگهانی در خودرو ایجاد می شود.
یک راه برای کم کردن تاخیر توربوشارژر، کم کردن اینرسی دورانی اجزای چرخنده آن از راه کم کردن وزن آن است. این کار باعث می شود توربین و کمپرسور سریع تر سرعت بگیرند و زودتر تقویت کنند. راه دیگر برای کاهش اینرسی، کوچکتر کردن توربوشارژر است.
یک توربوشارژر کوچکتر، زودتر و در دورهای پایین تر موتور عمل تقویت را انجام می دهد، اما نمی تواند در دورهای بالاتر موتور که حجم زیادی از هوا به موتور می رود، تقویت زیادی انجام دهد. همچنین خطر چرخش بسیار سریع در دورهای بالاتر موتور که گازهای خروجی زیادی از توربین می گذرد، نیز وجود دارد.
یک توربوشارژر بزرگ می تواند در دور موتورهای بالا تقویت زیادی انجام دهد، اما به خاطر زمان زیادی که برای شتاب گرفتن توربین و کمپرسور سنگین تر آن لازم است، تاخیر زیادی دارد. خوشبختانه چندین ایده برای غلبه بر این چالش وجود دارد.
بیشتر توربوشارژرها یک دریچه هدر دارند که اجازه می دهد از توربوشارژرهای کوچکتری برای کاهش تاخیر استفاده شود. در حالی که نمی گذارد در دور موتورهای بالا، خیلی سریع بچرخد. دریچه هدر، سوپاپی است که اجازه می دهد گازهای اگزوز از گذرگاه جنبی و از کنار پره های توربین عبور کند.
دریچه هدر، فشار را حس می کند و اگر فشار خیلی زیاد شود که نشانه چرخش زیاد توربین است، مقداری از گازهای اگزوز را از کنار پره های توربین خارج می کند تا سرعت چرخش کمتر شود.
بعضی توربوشارژرها نیز از یاطاقان های ساچمه ای به جای یاطاقان های روغنی استفاده می کنند، اما اینها یاطاقان های ساچمه ای معمولی نیستند، بلکه یاطاقان های فوق دقیقی هستند که از مواد پیشرفته ای ساخته شده اند تا در سرعت و دمای زیاد توربوشارژر کار کنند. این یاطاقان ها به محور توربین اجازه می دهند با اصطکاک کمتری نسبت به یاطاقان های روغنی بچرخند، همچنین اجازه می دهند از محور کوچکتر و سبک تری استفاده شود که این نیز باعث کاهش تاخیر می شود.
پره های سرامیکی توربین نیز از پره های فولادی سبک تر هستند که این باز هم باعث می شود توربین زودتر شتاب گرفته و زمان تاخیر کمتر شود.
بعضی موتورهای ماشین های مسابقه ای از دو توربوشارژر در دو اندازه مختلف استفاده می کنند. توربوشارژر کوچکتر زودتر می چرخد و تاخیر را کم می کند. در حالی که توربوشارژر بزرگتر در دورهای بالاتر و برای تقویت فشار بیشتری بکار می آیند. طبق قوانین فیزیکی وقتی هوا فشرده شود، گرم می شود و وقتی گرم شود، منبسط می شود. بنابراین بخشی از تقویت فشار توربوشارژر ناشی از گرم شدن هوا قبل از ورود به موتور است. برای افزایش قدرت موتور باید مولکول های بیشتری وارد سیلندر شوند نه لزوماً فشار بیشتر. یک سرد کننده میانی یا خنک کننده هوا، جزئی اضافی است که بعضی مواقع شبیه رادیاتور عمل می کند و هوا را از بین خود عبور می دهد. خنک کننده میانی، قدرت موتور را افزایش می دهد، زیرا هوای فشرده خارج شده از کمپرسور را پیش از ورود به موتور خنک می کند. این بدان معنی است که خنک کننده میانی هوای خنک تری را وارد موتور می کند که چگال تر بوده و مولکول های بیشتری نسبت به هوای گرم دارد.
تفاوت میان سوپرشارژر و توربوشارژر
اجازه بدهید ابتدا از شباهت ها شروع کنیم. هر دوی این سیستم ها از نوع القاء اجباری هستند. آنها جریان هوا را فشرده می کنند و سپس به داخل موتور می فرستند. مزیت فشرده کردن هوا این است که موتور مقدار بیشتری هوا را وارد سیلندر می کند. وارد شدن هوای بیشتر هم به معنای سوخت بیشتر در سیلندر است. بنابراین شما قدرت بالا نیز در هر انفجار از هر سیلندر بدست می آورید. وجود توربو یا سوپرشارژر در موتور باعث تولید نیروی بیشتری نسبت به حالتی می شود که موتور بدون شارژر است.
تفاوت اساسی بین توربو و سوپرشارژر در محل تامین انرژی آنها است؛ همان انرژی که باعث فشرده شدن هوا می شود. انرژی مورد نیاز توربوشارژرها به کمک گازهای خروجی اگزوز تامین می شود. این گازها با سرعت و فشاری که دارند، توربین را به حرکت در می آورند. در نتیجه توربین هم کمپرسور را به حرکت در می آورد که باعث فشرده کردن هوا می شود. در حالی که در سوپرشارژر تامین انرژی از طریق یک تسمه که به موتور متصل است، انجام می شود. مانند پمپ آب (واتر پمپ) و ژنراتور دینام که در موتور خودرو به همین صورت انرژی خود را بدست می آورند.
توربوشارژرها کارآیی بالاتری نسبت به سوپرشارژرها دارند؛ زیرا از انرژی تلف شده و گازهای خروجی برای تامین انرژی خود استفاده می کنند. البته هزینه ساخت سوپرشارژرها کمتر و نصب آنها راحت تر است.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «توربوشارژر چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
