توربو شارژ چیست؟

توربو شارژ چیست؟

توربوشارژر نوعی سیستم دمنده است که هوا را با فشار زیاد به درون سیلندر می دمد. همان طور که می دانید، هنگامی که پیستون در حالت عکسش قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور دیزلی، هوا) را به درون سیلندر می مکد. هر چه فشار هوا بیشتر باشد تراکم مولکولهای هوا بیشتر خواهد بود، و باتبع مخلوط هوا و سوخت بیشتری در سیلندر جای خواهد گرفت. هر چه سوخت بیشتر باشد و کامل تر بسوزد، قدرت ناشی از احتراق هم بیشتر خواهد بود.

مزیت توربو شارژ

موتور های مجهز به توربوشارژر قدرت بیشتری نسبت به موتور معمولی تولید می کند. توربوشارژر به سادگی می تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، یعنی با قدرت مساوی، خودروی مجهز به توربو شارژر، موتوری با وزن و حجم کمتر نسبت خودروی بدون توربو شارژر دارد، در نتیجه حجم و وزن کلی خودرو نیز کمتر می شود و این بدان معنی است که شتاب خودروی مجهز به توربوشارژر بیشتر است و سریع تر به سرعت مناسب دست پیدا می کند واین امر باعث محبوبیت بسیار زیاد توربو شارژ شده است.
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 می شود. خودروهای معمولی در چنین ارتفاعاتی با کاهش قدرت مواجه می شوند، ولی خودروهای مجهز به توربوشارژر علیرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه می شوند، ولی مقدار این کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم برای فشرده کردن گاز رقیق کمتر است.

انواع توربوشارژ

در تقسیم بندی کلی دو نوع توربوشارژ وجود دارد:
نوع اول که نوع ابتدایی توربوشارژ است و سوپرشارژ نام دارد. سوپرشارژ نیروی مورد نیاز برای فشرده کردن هوا را از میل لنگ می گیرد، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو صرف فشرده سازی هوای ورودی می شد.

نوع دوم که نوع پیشرفته تر توربوشارژ است، از فشار گاز خروجی اگزوز استفاده می شود. گازهای خروجی از اگزوز داغ هستند و می توان از انرژی جنبشی، سرعت و فشار آنها برای چرخاندن یک توربین استفاده کرد. این توربین هم یک پمپ هوا را می گرداند و در نهایت، پمپ هوا را فشرده کرده به درون سیلندر می فرستد. توربین نصب شده در مسیر گازهای خروجی گاه به سرعت 150 هزار دور در دقیقه می رسد که بیش از 30 بار سریع ر از دور موتور اغلب خودروهای امروزی است. دمای این توربین هم به دلیل تماس با گازهای داغ خروجی بسیار بالاست. این دو عامل موجب می شوند توربین از فناوری پیشرفته ای برخوردار باشد تا بتواند کارآیی و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند.

نگاه آماری:

توربوشارژرهای رایج می توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کیلوپاسکال بیشتر از هوای محیط برسانند. از آنجایی که فشار هوای سطح دریا 100 کیلوپاسکال است، مشخص می شود که توربوشارژر تقریباً 50% هوای بیشتر وارد سیلندر می کند. بنابراین انتظار می رود که قدرت هم تا پنجاه درصد افزایش یابد. ولی به دلیل برخی تلفات، این افزایش قدرت بین 30 تا 40 درصد خواهد بود.
یکی از دلایل این اتلاف به این موضوع باز می گردد که کار مورد نیاز توربوشارژر رایگان نیست. هنگامی که گاز خروجی اگزوز توربین را می چرخاند، 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 می کند.

محدودیت های توربوشارژر:

1) فشار

فشار حداکثر درون سیلندر نباید از یک مقدار مجاز بیشتر شود. هنگامی که مخلوط هوا و سوخت در سیلندر یک خودروی بنزینی متراکم می شود، دمای آن نیز همراه با فشار افزایش خواهد یافت. فشار بیش از اندازه به دیواره های سیلندر، سرسیلندر و حتی پیستون و میل لنگ موجب کاهش عمر مفید آنها می شود.
اما افزایش دما اثری به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصی بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت می توانند پیش از زدن جرقه دچار احتراق شوند (در مرحله فشرده سازی گاز در سیلندر قبل از مرحله احتراق). بدین ترتیب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال می شود، که ضربه ناشی از احتراق می تواند آسیب های جدی به موتور وارد می آورد. از این رو برخی با کاهش دادن نسبت تراکم سیلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه می دارند. البته برخی دیگر سوختی با اکتان بالاتر را برای موتور پیشهاد می دهند.

2) زمان تأخیر:

یکی از مهم ترین مشکلات توربوشارژر این است که نمی توانند افزایش قدرت را به طور ناگهانی اعمال کنند. هنگامی که به پدال گاز فشار می آورید، حدودا یک ثانیه طول می کشد تا توربین به سرعت لازم دست پیدا کند و افزایش قدرت اعمال شود. بنابراین افزایش قدرت با کمی تأخیر حاصل می شود. یکی از روش های کاستن این زمان تأخیر، پایین آوردن اینرسی (یا لختی که خاصیتی از یک جسم است که در برابر تغییر سرعت یا جهت حرکت جسم مقاومت می‌کند) قطعات است که معمولاً از طریق سبک کردن قطعات بدست می آید؛ بدین ترتیب توربین و پمپ سریع تر شتاب می گیرند و قدرت سریع تر اعمال می شود.

3) اندازه توربوشارژر:

اندازه توربوشارژر هم مزایا و معایبی به همراه دارد. هر چه توربوشارژر کوچکتر باشد، زمان تأخیر کمتری دارد و سریع تر قدرت را اعمال می کند، ولی در سرعت های بسیار بالا که باید حجم زیادی هوا را وارد سیلندر کند و نیابد دور توربین خیلی بالا رود، نمی توان از توربوشارژ کوچیک استفاده کرد. در مقابل، توربوشارژر بزرگ می تواند به خوبی از عهده پمپ کردن حجم زیاد هوا برآید، ولی زمان تأخیر آن بیشتر خواهد بود.
برای حل این مشکل از توربوشارژرهای ترتیبی یا توربوشارژرهای دوقلو استفاده می شود به گونه ای که موتورها از دو توربوشارژر با اندازه مختلف استفاده می کنند که توربوشارژر کوچکتر در دور پایین موتور فعال است تا زمان تاخیر را کاهش دهد اما توربو شارژر بزرگتر در دورهای بالاتر موتور که نیاز به تقویت و حجم بیشتری از هوا داریم فعال می شود.

مشکلات و راه حل هایی برای حل این مشکلات:

دریچه اگزو:

سیاری از توربوشارژر خودروها یک سوپاپ بایپس یا گذرگاه فرعی(Waste Gate) دارد که باعث می شود در توربوشارژرهای کوچک میزان چرخش آنها از حد مجازی تجاوز نکند. در واقع سوپاپ بایپس فشار داخل توربین گاز را حس کرده و اگر فشار آن بالا باشد سوپاپ فوق باز شده و مقداری از گاز را به خارج از محفظه توربین گاز هدایت می کند تا این که فشار به میزان مطلوبی برسد.

یاتاقانهای ساچمه ای:

در این یاتاقانها، از ساچمه های بسیار پیشرفته ای استفاده شده که از مواد بسیار پیشرفته و با فناوریبسیار دقیق ساخته شده اند. این یاتاقانها موجب می شوند میل محور با اصطکاک کمتری نسبت به یاتاقانهای روغنی که در اغلب نمونه ها استفاده می شود، بگردد؛ ضمن آنکه موجب می شود بتوان از میل محورهای کوچکتر و سبکتری هم بتوان استفاده کرد. این چنین میل محور سریع تر شتاب می گیرد و زمان تأخیر کاهش می یابد.

پره های سرامیکی توربین:

سرامیک، دسته ای از مواد هستند که استحکام خوبی دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبک ترند. استفاده از این پره ها به جای پره های فلزی دو مزیت دارد، نخست آنکه با سبک تر کردن توربین ، زمان تأخیر را کاهش می دهد و دوم، چون بر همکنش با مواد خوزنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را برای مدت ها حفظ می کند و مانند پره فلزی خورده نمی شود.

خنک کننده داخلی:

هنگامی که توربوشارژر هوا را فشرده می کند، دمای هوا نیز افزایش می یابد. این امر باعث افزایش دما می شود. جدای از تأثیر مخرب بر حداکثر فشار درون سیلندر، موجب می شود چگالی مولکولهای هوا کمتر از آن مقداری باشند که انتطار می رود. برای حل این مشکل از یک خنک کننده استفاده می شود تا بدون افت چگالی هوا به علت بالا رفتن دما هوا وارد پیستون شود.

نتیجه گیری

در کل نمی توان برتری توربوشارژر و سوپرسارژر را بر دیگری اعلام کرد و هر کدام بنابر شرایط فنّی کاربرد خود را دارد . در مسابقات” تاپ فیول” که حجم ده لیتری موتور باید تغذیه شود ، تنها سـوپـرشـارژر است که تـوان این مـیزان خـروجی را دارد و این نمونه ای بـرای درک بـیشتر تفاوت کاربـردی تـوربـوشـارژر و سوپرشارژر می باشد . در مجموع می توان گفت ، با توجهّ به این که توربوشارژرها از انرژی گـاز خروجی که بلا استفاده است ، استفاده می کنند از بازده ی بهتری برخوردار می باشند . استفاده از آن ها نیز معمول تر وکارایی آن ها بیشتر است .