توربوشارژر و سوپرشارژر چیست؟ با سیستم‌ های پروخوران موتور آشنا شوید (بخش اول)

[ad_1]
مفیدستان:

اگر علاقه‌مند به حوزه‌ی خودرو باشید با بررسی مشخصات خودروها در طول سال‌های اخیر خواهید دریافت که پیشرانه‌ها هر روز عملکردی بهتری نسبت به گذشته دارند. بخش اعظمی از این دستاوردها مربوط به همه‌گیر شدن استفاده از سیستم‌های پرخوران (توربوشارژر و سوپرشارژر) است. در این سلسله مقالات نگاهی عمیق به یکی از مهم‌ترین فناوری‌های فعلی پیشرانه‌های بنزینی خواهیم داشت. پس همراه زومیت باشید.

با نگاهی به مشخصات خودروهای جدید که یکی از پیشرانه‌ی تنفس طبیعی و دیگری از پیشرانه‌ی توربوشارژر استفاده کند بیشتر شما را با ارزش توربوشارژر آشنا خواهد کرد. برای مثال هیوندای توسان با داشتن پیشرانه‌ای چهار سیلندر و ۲.۴ لیتری قدرتی معادل ۱۷۷ اسب بخار و گشتاور حدود ۲۲۸ نیوتون‌متر را تولید می‌کند؛ اما یک مرسدس بنز C200 با داشتن پیشرانه‌ای کوچکتر با ۱.۸ لیتر حجم قدرت و گشتاور ۱۸۴ و ۲۷۰ نیوتون متر را در اختیار راننده قرار می‌دهد؛ ضمن این که مصرف سوخت کمتری نیز دارد. اصلی‌ترین دلیل دستیابی پیشرانه‌ی مرسدس بنز به عملکرد بهتر در استفاده‌ی این خودرو از سیستم پرخوران است. با استفاده از سیستم‌های پرخوران می‌توان پیشرانه هایی کوچک‌تر، سبک‌تر و کم‌مصرف‌تر تولید کرد.  

تاریخچه‌ی توربوشارژرها

نخستین استفاده از سیستم‌های پرخوران به اوخر قرن ۱۹ باز می‌گردد؛ در سال ۱۸۸۵ گوتلیب دایملر مهندس آلمانی ایده‌ای مبنی بر استفاده از یک پمپ مکانیکی برای تزریق هوا به پیشرانه‌های احتراق داخلی داشت. اما اختراع توربوشارژر به شکلی که امروزه می‌شناسیم توسط مخترع سوئیسی، آلفرد بوشی انجام شد. البته سال‌های زیادی طول کشید تا این سیستم برای این که بتواند بصورت عمده و عملی مورد استفاده قرار گیرد. در سال ۱۹۱۸ یکی از مهندسان شرکت جنرال الکتریک به نام سانفورد الکساندر ماس اقدام به نصب سیستم توربوشارژر روی یک پیشرانه‌ی ۱۲ سیلندر کرد. این پیشرانه با نام لیبرتی دارای ۲۷ لیتر حجم بود و برای استفاده در تانک و هواپیماهای جنگ جهانی اول طراحی شده بود. الکساندر ماس این پیشرانه را برای آزمایش به کوه‌ پایکس پیک در کلرادو برد. در ارتفاع حدود ۵۵۰۰ متری از سطح دریا فشار هوا تقریبا نصف فشار هوای سطح دریا است. از لحاظ تئوری این یعنی یک پیشرانه‌ی احتراقی در چنین ارتفاعی نصف حالت عادی قدرت خواهد داشت. نتایج آزمایشات وی نشان داد که پیشرانه ی توربوشارژردار در ارتفاعات بالا افت بسیار کمتری نسبت به پیشرانه‌های اتمسفریک یا تنفس طبیعی دارند. همانطور که واضع است هر چقدر ارتفاع از سطح دریا افزایش یابد به دلیل رقیق‌تر شدن هوا میزان چگالی آن کاهش یافته و پیشرانه‌های احتراقی دچار افت توان می‌شوند.

نحوه‌ی عملکرد توربوشارژرها

توربوشارژر در حقیقت یک توربین است که هوا را فشرده کرده و به داخل محفظه‌ی احتراق می‌فرستد. سوپرشارژر و توربوشارژر هر دو همین کار را انجام می‌دهند و تفاوت آن‌ها تنها در نحوه‌ی تامین نیروی مورد نیازشان است. سوپرشارژرها نیروی مورد نیاز خود را مستقیما از میل لنگ خودرو دریافت می‌کنند که  می‌تواند با استفاده از تسمه باشد، اما توربوشارژر نیروی مورد نیاز خود را از گازهای خروجی اگزوز تامین می‌کند. مزیت سوپرشارژرها در این است که چون مستقیما به میل‌لنگ متصل هستند، دیگر تاخیری در عملکرد آن‌ها وجود ندارد و از ابتدای گاز دادن راننده، وارد عمل می‌شوند. اما توربوشارژر برای چرخش نیاز به انتقال انرژی گازهای اگزوز به توربین دارد تا آن را به چرخش در بیاورند. بنابراین لازم است تا پیشرانه کمی دور گرفته تا سپس توربوشارژرها بتوانند کار خود را انجام دهند. این قضیه سبب تاخیر زمانی در عملکرد توربو ها می‌شود که اصطلاحا به آن لگ (Lag) گفته می‌شود. اما عملکرد این سیستم چگونه است؟

می‌دانیم در یک پیشرانه‌ی تنفس طبیعی (اتمسفریک) هنگامی که پیشرانه در حال مکش هوا است تنها نیرویی که هوا را به داخل سیلندر می‌کشاند، فشار اتمسفر است (دقیقا همانند پر کردن یک سرنگ). توربوشارژرها با اعمال نیروی اضافی به هوای ورودی و پمپ کردن هوای فشرده به داخل محفظه‌ی احتراق، سبب ورود اکسیژن بیشتری به سیلندر می‌شوند و پیستون در یک کورس خود می‌تواند اکسیژن بیشتری را به داخل سیلندر مکش کند و مسلم است که اکسیژن بیشتر به معنای احتراقی کامل‌تر و قدرتمند‌تر است. همین عامل سبب افزایش قدرت پیشرانه‌های توربوشارژردار است.

توربوشارژرها از دو بخش تشکیل شده‌اند که یکی توربین و دیگر کمپرسور است. گازهای خروجی از اگزوز که دارای سرعت زیادی هستند با توربین برخورد کرده و آن را به چرخش در میاورند از آنجایی که توربین و کمپرسور هم محور هستند با چرخش توربین کمپرسور نیز به چرخش درآمده و شروع به پمپ کردن هوا به داخل سیلندر‌ها می‌کند. در شکل زیر یک توربوشارژر برش خورده را مشاهده می کنید که توربین و کمپرسور آن هم محور هستند.

توربین توربوشارژر با دور بسیار بالایی گردش می‌کند که می‌تواند به ۲۰۰ هزار دور بر دقیقه نیز برسد. یکی از مهمترین عوامل مهم در عملکرد یک توربوشارژر اندازه‌ی توربین است. اگر سایز توربین بزرگ باشد می تواند بوست یا فشار هوای بیشتری را تولید کند اما ایراد آن این است که در دورهای پایین کارایی مناسبی ندارد؛ اما توربین کوچک‌تر می تواند دور بیشتری بگیرد و در دورهای پایین نیز فورا وارد عمل شده و تاخیر کمتری دارند، اما در دورهای بالا کارایی آن افت می‌کند. پس بسیار مهم است که خودروساز بر اساس نیاز و نوع پیشرانه سایز توربین مناسب را برای خودرو انتخاب کند. نوع پره‌های مورد استفاده در کمپرسور نیز از نوع گریز از مرکز است تا بتواند فشار بیشتری را تولید کند.   

اینتر کولر

اینترکولر از آن دسته تکنولوژی‌هایی است که امروز تقریبا به عضوی جداناپذیر از سیستم‌های توربوشارژر تبدیل شده است. وظیفه‌ی اینترکولر کاهش دمای هوای فشرده شده توسط توربوشارژر است و محل قرار‌گیری این قطعه بین توربوشارژر و سیلندر است. هوایی که توسط سیستم توربو فشرده شده و به داخل سیلندر فرستاده می شوند، دارای دمای بسیار بالایی در حدود ۱۲۰ تا ۱۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد هستند. دمای بالای این هوا دو دلیل عمده دارد، یکی اینکه که سیستم توربو فشار هوا را افزایش می‌دهد و افزایش فشار همواره افزایش دما را نیز به دنبال خود دارد. دوم این که توربین، با گازهای اگزوز که دمای بسیار بالایی دارند در تماس است و این سبب افزایش دمای توربین می‌شود. چون توربوشارژر مجموعه‌‌ای بسیار جمع و جور است، در نتیجه حرارت از سمت توربین به سمت کمپرسور نیز انتقال یافته و باعث گرم شدن آن سمت توربوشارژر نیز می‌شود.

گرم بودن هوا از چند منظر برای پیشرانه‌ی خودرو مناسب نیست. یکی این که با افزایش دما چگالی (دانسیته) آن کاهش پیدا می‌کند که به معنای افت عملکرد پیشرانه است و دوم اینکه دمای بالا می‌تواند سبب افزایش دمای مخلوط هوا و سوخت نیز بشود که خود سبب پدیده‌های مخربی نظیر انفجار زود هنگام نیز می‌شود. در انفجار زود هنگام (که با نام‌های Knock یا Pre-ignition نیز شناخته می‌شود) دمای مخلوط هوا و سوخت آنقدر افزایش پیدا کند که پیش از جرقه زنی شمع‌ها، مشتعل می‌شود. این انفجار خارج از کنترل و زودهنگام نه تنها افت توان پیشرانه را به همراه دارد بلکه می تواند آثار مخربی نیز روی آن بگذارد. همچنین افزایش بیش از حد دمای پیشرانه نیز می‌تواند تاثیرات منفی روی قطعات بگذارد و عمر کاری ‌آن‌ها را کاهش دهد. برای حل این مشکلات خودورسازان اقدام به نصب اینترکولر در مدار توربو می کنند. اینترکولر قطعه‌ای است همانند رادیاتور که هوای گرم از داخل آن گذشته تا دمای آن کاهش پیدا کند. اینترکولر ها معمولا می‌توانند دمای هوای ورودی به سیلندر را تا ۴۰ الی ۶۰ درجه‌ی سانتی گراد کاهش دهند. کاهش دما نیز به دو صورت می‌تواند باشد: با استفاده از هوا یا آب. اینترکولرهایی که با هوا خنک می شوند دارای ساختار ساده‌تری هستند اما انواع خنک شونده با مایع نیاز به یک رادیاتور دوم دارند تا آب را نیز خنک کنند. در شکل زیر یک مدار توربوشارژر مجهز به اینترکولر خنک شونده با آب نشان داده شده است.

 در برخی منابع به اینترکولر افترکولر نیز گفته می‌شود که هر دو یک معنی را می‌رساند. یکی از مسائل مهم در اینترکولرها چک کردن آن‌ها از لحاظ وجود نشتی است، چرا که در صورت بروز نشتی در اینترکولر فشار هوای مانیفولد هوا کاهش پیدا کرده و در نتیجه قدرت پیشرانه نیز کاهش محسوسی پیدا می کند. این کاهش قدرت بخصوص در پیشرانه‌های دیزلی بسیار محسوس و قابل لمس است. به همین دلیل سرویس مجموعه‌ی توربوشارژر در خودروهای سنگین دیزلی از اهمیت بالایی برخوردار است. مورد دیگر که در رابطه با اینترکولرها وجود دارد، این است که در صورتی که خودرویی به سیستم EGR یا بازگردانی گازهای اگزوز مجهز باشد، اینترکولر این خودروها باید در فواصل مشخص از وجود ذرات کربنی نیز پاکسازی شود. سیستم EGR بخشی از دود خروجی از پیشرانه را به مانیفولد هوا باز می گرداند و با اینکار سبب کاهش آلایندگی پیشرانه می‌شود. در خودروهایی که به این سیستم مجهزند به مرور زمان ممکن است مقداری از ذرات دود در مجراهای اینترکولر باقی مانده و کارایی آن را کاهش دهند که سرویس اینترکولر را اجتناب ناپذیر می‌کند. در شکل زیر می‌توانید یک مدار توربوشارژر را مشاهده کنید. به مدار EGR نیز که بخشی از دود را به مجرای ورودی هوا باز می گرداند دقت کنید.

سیستم EGR البته در خودروهای سواری خیلی معمول نیست& اما اکثر خودروهای سنگین به این سیستم مجهز هستند. یکی از موارد دیگری که هنگام کار با اینترکولر باید به آن دقت کرد ظرافت پره‌های این قطعه است. باید مراقب بود تا اجسام و ابزار به پره‌های اینترکولر برخورد نکنند همچنین در حال تمیز کردن موتور با دستگاه کارواش نیز فشار زیاد آب کارواش می‌تواند باعث خم شدن پره‌های اینترکولر شود پس باید مراقب بود تا به هیچ عنوان آب را مستقیما به پره‌های رادیاتور اینترکولر برخورد نکند. اینترکولر را باید در جایی نصب کرد که در معرض جریان هوا باشد تا بتواند تبادل حرارتی بهتری داشته باشد، به همین خاطر معمولا آن را در مقابل رادیاتور اصلی خودرو و در جلوی پیشرانه نصب می‌کنند. در شکل زیر می‌توانید یک نمونه از محل قرار گیری اینترکولر را مشاهده کنید.

سوپاپ Blow off

این قطعه که اختصارا با نام BOV شناخته می شود یک سوپاپ اطمینان است و هنگامی که فشار توربوشارژر بیش از حد نیاز باشد، باز می شود تا فشار اضافی را از سیستم تخلیه کند. هنگامی که یک پیشرانه‌ی توربوشارژردار در حال کارکردن با دور بالا است، حجم زیادی از هوا حجم زیادی از هوا با فشار بالا در سیستم توربو و مجرای هوای پیشرانه در حال حرکت است، زمانی که راننده پا را از روی پدال گاز بر می‌دارد دریچه‌ی گاز بسته شده و انتقال هوا به داخل سیلندرها متوقف می‌شود. این در حالی است که توربوشارژر دقیقا در لحظه‌ی رهاسازی پدال گاز از مدار خارج نمی‌شود در نتیجه بخشی از فشار تولیدی توسط توربو پشت دریچه‌ی گاز باقی می‌ماند. این فشار اضافی آنقدر زیاد هست که بتواند به مجموعه‌ی توربو و حتی دریچه‌ی گاز آسیب بزند. هم‌چنین ممکن است این فشار به داخل سیستم توربو برگردد و کاهش سرعت غیرعادی و کنترل نشده‌ی توربین را سبب شود که این قضیه می‌تواند آسیب‌های جدی را برای سیستم توربوشارژر به همراه داشته باشد. فعالسازی سوپاپ Blow Off معمولا توسط یک مکانیزم وکیومی انجام می‌کیرد. شکل زیر یک نمونه از سوپاپ BOV را نمایش می‌دهد.

فشار اضافی که توسط این سوپاپ تخلیه می‌شود معمولا در اتمسفر رها می‌گردد اما در برخی مدل ها ممکن است دوباره به مانیفولد هوا برگشت داده شود.

Wastegate

وست گیت یک دریچه در سمت توربین توربوشارژر است که وظیفه‌ی آن تنظیم فشار تولیدی توسط توربو از طریق کنترل میزان دود ورودی به سیستم است. در صورتی که میزان گازهای اگزوز فراتر از نیاز سیستم توربو باشد سوپاپ وست گیت فعال شده و میزان اضافی گازها را از طریق یک مجرای جداگانه به سیستم اگزوز می‌فرستد. در حقیقت باید گفت که سیستم توربوشارژر از تمامی گازهای خروجی از پیشرانه استفاده نمی‌کند، بلکه تنها از مقداری که لازم دارد استفاده کرده و مابقی گازها بدون اینکه برخوردی با توربین داشته باشند از طریق خروجی‌های اگزوز دفع می‌شوند. عملکرد این سیستم نیز می‌تواند به شکل وکیومی و یا با استفاده از سولونوید یا بصورت الکترونیکی باشد. در شکل زیر سوپاپ وست گیت را مشاهده می‌کنید که در بدنه‌ی توربوشارژر کار گذاشته شده است.

نگهداری از خودروهای دارای سیستم توربوشارژر 

توربوشارژر‌ها قدرت و گشتاور بیشتر را در کنار مصرف سوخت کمتر در اختیار شما قرار می‌دهند. اما این قابلیت‌ها هزینه‌هایی نیز به جز قیمت بیشتر پیشرانه دارد که همان مساله‌ی سرویس و نگهداری توربوشارژر‌ها است. خودروی مجهز به توربوشارژر نیاز به توجه بیشتری نسبت به یک خودروی معمولی دارد. با توجه به دمای بالاتر این پیشرانه‌ها و همچنین قدرت بالاترشان نیاز است تا حتما از روغن موتور مرغوب در این خودروها استفاده کنید. روغن موتور مرغوب و اصلی برای یک خودروی توربوشارژر بسیار حیاتی است چون خود سیستم توبوشارژر نیز با روغن موتور، روغن‌کاری می‌شود و با توجه به دقت بالای اجزای توربوشارژرها باید حتما روغن مرغوب به کار گرفته شود. دمای بالاتر پیشرانه‌های مجهز به توربوشارژر نیز عاملی است که با توجه به آن باید همواره مراقب سطح روغن اینگونه پیشرانه‌ها بود تا اگر از میزان روغن کاسته شده باش، دوباره روغن را به موتور اضافه کرد. همچنین فیلتر روغن نیز باید همیشه در زمان تعیین شده توسط کمپانی و با هر بار تعویض روغن، تعویض شود و کوچک‌ترین اغماضی در خصوص آن می‌تواند خرابی پیشرانه‌ی خودرو و مجموعه‌ی توربوشارژر را به دنبال داشته باشد. 

در مبحث رانندگی نیز خودروی توربوشارژردار نیاز به دقت و رعایت بیشتری دارد. برای مثال هنگامی که پیشرانه گرم است و مدت زمانی را با خودرو رانندگی کرده‌اید، در صورت توقف نباید فورا پیشرانه را خاموش کنید، بلکه باید حدود سه الی چهار دقیقه صبر کرد تا دمای پیشرانه‌ به حالت عادی برگردد و سپس خودرو را خاموش کرد. اگر هنگام گرم بودن پیشرانه، آن را ناگهان خاموش کنید اینکار سبب متوقف شدن اویل پمپ (پمپ روغن) خودرو می‌شود و در نتیجه روغن کاری توربو نیز متوقف می‌شود. با توجه به دمای بسیار بالای توربوشارژر وقتی روغن در این مجراهای بسیار داغ از حرکت باز می‌ایستد سوخته و تبدیل به روغن سوخته می‌شود. سوختن روغن می‌تواند به مرور باعث جرم گرفتگی مجراها شده و در عملیات روغنکاری اختلال ایجاد کند.

برای آشنایی بیشتر با این بخش از خودروهای مدرن امروزی، قویا پیشنهاد می‌کنیم، مقالات زیر را نیز مطالعه کنید.

این مطلب در ۱۱ بهمن ۹۵ بروزرسانی شد.

[ad_2]
لینک منبع
بازنشر: مفیدستان

عبارات مرتبط با این موضوع
توربوشارژر و سوپرشارژر چیست؟ با سیستم‌ های پروخوران موتور آشنا شوید بخش اول توربوشارژر و سوپرشارژر چیست؟ با سیستم‌ های پروخوران موتور آشنا شوید بخش اول