ریپورتر
10th September 2009, 12:04 PM
توربوشارژ(Turbocharger):
زماني كه مردم درباره خودروهاي مسابقه اي يا موتورهايي با بازدهي و عملكرد بالا صحبت مي كنند معمولاً بحث توربوچارجرها مطرح مي شود. توربوچارجرها همچنين در موتورهاي ديزلي بزرگ نيز استفاده مي شوند.
توربوچارجر يك كمپرسور مي باشد كه توان خروجي موتورهاي احتراق داخلي را در اثر افزايش ميزان جرم هوا و سوخت ورودي به موتور افزايش مي دهد. يكي از مزاياي بزرگ توربوچارجرها آن است كه افزايش قدرت خروجي موتور آنها در مقايسه با وزن آنها بسيار ناچيز است و اين يكي از دلايلي است كه باعث شده توربوچارجرها تا اين اندازه محبوب و معروف گردند.
توربوشارژر 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 مقدار مولکولهای هوا بیشتر خواهد بود، و باتبع مخلوط هوا و سوخت بیشتری در سیلندر جای خواهد گرفت. هر چه سوخت بیشتر باشد، قدرت ناشی از احتراق هم بیشتر خواهد بود.
نحوه عملكرد توربوچارجر:
يك توربوچارجر از يك كمپرسور و يك توربين گازي تشكيل شده است كه توربين گازي توسط پيچ به مانيفولد دود متصل مي شود و گازهاي خروجي از موتور باعث چرخش توربين گاز شده و به سبب آن كمپرسور كه توسط يك شفت به توربين گازي متصل است شروع به چرخش نموده و هواي محيط را مكش كرده و سپس آن را متراكم كرده و به طرف موتور مي فرستد و هواي ورودي بيشتر به موتور به معني سوخت بيشتر به داخل موتور و هوا و سوخت بيشتر به معني انرژي و قدرت خروجي موتور مي باشد..
http://khodroha.com/torbo-ch1.gif
سرعت چرخش توربين با توجه به استفاده توربوچارجر مي تواند متفاوت باشد و اكثراً داراي سرعتهاي چرخش بالا هستند به همين دليل بايد از ياتاقانهاي مخصوصي استفاده گردد كه بتواند نيروي حاصل از چرخش شفت را تحمل كند كه معمولاً از ياتاقانهاي سيال استفاده مي شود. در ياتاقانهاي سيال بين شفت و ياتاقان يك لايه روغن قرار دارد كه روغن فوق دو وظيفه مهم بر عهده دارد:
۱- باعث خنك شدن شفت و ساير قسمتهاي توربوچارجر مي شود
۲- باعث از بين رفتن اصطكاك بين شفت و ياتاقان هنگام چرخش مي شود
نكاتي پيرامون توربوچارجر:
۱- تقويت بيش از اندازه: اگر فشار توليدي توربوچارجر خيلي زياد باشد همان طور كه مي دانيد اين امر باعث بالا رفتن درجه حرارت هواي ورودي به موتور شده و در نتيجه سوخت قبل از آن كه توسط شمع محترق شود دچار خودسوزي شده كه به پديده فوق ضربه مي گويند كه براي جلوگيري از پديده فوق مي بايست از بنزين با درجه اكتان بالاتر استفاده نموده و يا نسبت تراكم موتور را كاهش دهيم.
۲- پس افت (Lag): يكي از مشكلات توربوچارجر آن مي باشد كه توربوچارجرها نمي توانند يك قدرت فوري را زماني كه شما پدال گاز را فشار مي دهيد، ايجاد نمايند و مدت زماني طول مي كشد تا توربين گاز چرخيده و هواي متراكم شده را به داخل موتور بفرستد. به همين خاطر شما در اول حركت خودروي خود احساس يك حركت ناگهاني به طرف جلو مي كنيد. دليل اين موضوع نيروي اينرسي (واماندگي) قسمت چرخنده توربين گاز مي باشد. اما مي توانيم با تمهيداتي نيروي اينرسي را كاهش داده تا توربين گاز بتواند در مدت زمان كوتاهي شتاب گرفته و ديگر پديده پس افت ايجاد نشود، كه در زير به مواردي اشاره مي كنيم:
الف) استفاده از توربوچارجرهاي كوچك به جاي توربوچارجرهاي بزرگ: يكي از راههاي كه مي توانيم نيروي اينرسي توربين گاز را كاهش دهيم آن است كه از توربوچارجرهاي كوچك استفاده نمائيم زيرا توربوچارجرهاي كوچك سريعتر شتاب گرفته و در دور پائين موتور تقويت بهتري ايجاد مي نمايند اما نمي توانند تقويت بيشتري را در دورهاي بالاي موتور كه ما نياز به وارد نمودن حجم بيشتري از هوا به موتور هستيم را توليد كنند و نيابد دور توربين گاز در آنها خيلي بالا رود
در جاهائي كه ما نياز به شتاب بالا در توربين گاز و مقدار بيشتري از هواي ورودي به موتور داريم مي توانيم از دو توربو چارجر كوچك كه به صورت مجزا از يكديگر مي باشند، استفاده نمائيم كه شركتهاي خودروسازي همچون تويوتا، آئودي، مزدا اين نوع توربوچارجر را در برخي از توليدات خود به كار برده اند. به توربوچارجرهاي فوق توربوچارجرهاي دوقلونيز مي گويند
ب) استفاده از توربين گاز با پره هاي سراميكي: همان طور كه مي دانيد توربين گاز با پره هاي سراميكي سبكتر از توربين گاز با پره هاي فولادي هستند در نتيجه اين امر باعث مي شود كه توربين گاز سريعتر شتاب گرفته و نيروي اينرسي كاهش يابد.
http://khodroha.com/torbo-ch2.jpg
ج) استفاده از ياتاقانهاي توپي (Ball Bearing) به جاي ياتاقانهاي سيالي: برخي از توربوچارجرها از ياتاقانهاي توپي به جاي ياتاقانهاي سيالي استفاده مي كنند كه ياتاقانهاي فوق بسيار دقيق و از مواد پيشرفته و خاصي ساخته شده اند تا بتوانند سرعت و حرارت شفت را كنترل نمايند. ياتاقانهاي توپي باعث مي شوند كه شفت با اصطكاك كمتري بچرخد و همچنين اين نوع ياتاقانها به ما اجازه مي دهد تا از شفتهاي كوچكتر و سبكتر استفاده نمائيم كه امر فوق باعث مي شود تا توربين گاز با شتاب بيشتري چرخيده و نيروي اينرسي آن كاهش يابد.
د) استفاده از توربوچارجرهاي ترتيبي (Sequential Turbocharger): برخي از موتورها از دو توربوچارجر با اندازه مختلف استفاده مي كنند كه توربوچارجر كوچكتر در دور پائين موتور تا پس افت را كاهش دهد استفاده دارد اما توربو چارجر بزرگتر در دورهاي بالاتر موتور كه نياز به تقويت و حجم بيشتري از هوا داريم كاربرد دارد. اين نوع توربوچارجر در ب.ام.و سري 5 مدل 535d استفاده شده است.
http://khodroha.com/torbo-ch3.jpg
مكانيزم كنترل توربين گاز
بسياري از توربوچارجر خودروها يك سوپاپ بايپس يا گذرگاه فرعي دارد كه باعث مي شود در توربوچارجرهاي كوچك ميزان چرخش آنها از حد مجازي تجاوز نكند. در واقع سوپاپ بايپس فشار داخل توربين گاز را حس كرده و اگر فشار آن بالا باشد سوپاپ فوق باز شده و مقداري از گاز را به خارج از محفظه توربين گاز هدايت مي كند تا اين كه فشار به ميزان مطلوبي برسد.
http://khodroha.com/torbo-ch4.jpg
كولر داخلي
همان طور كه مي دانيد زماني كه هوا فشرده مي شود آن گرم شده و منبسط مي شود اما هدف از استفاده توربوچارجرها افزايش ميزان چگالي ورودي به موتور (تعداد بيشتري از مولكولهاي هوا) مي باشد. به همين خاطر از كولرهاي داخي استفاده مي كنند تا هواي فشرده خروجي از كمپرسور را خنكتر كند تا ميزان چگالي آن افزايش يابد.
http://khodroha.com/coler.jpg
بدین ترتیب موتور 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 از موتوری با وزن و حجم کمتر سود می برد، در نتیجه حجم و وزن 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
اما توربوشارژر قدرت لازم برای فشرده کردن هوای ورودی را از کجا تأمین می کند؟ در نوع ابتدایی توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نیاز از میل لنگ گرفته می شد، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو صرف فشرده سازی هوای ورودی می شد.
ولی در نوع پیشرفته تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجی اگزوز استفاده می شود. گازهای خروجی 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.
یک 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.
.
http://khodroha.com/torbo5.jpg
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
زماني كه مردم درباره خودروهاي مسابقه اي يا موتورهايي با بازدهي و عملكرد بالا صحبت مي كنند معمولاً بحث توربوچارجرها مطرح مي شود. توربوچارجرها همچنين در موتورهاي ديزلي بزرگ نيز استفاده مي شوند.
توربوچارجر يك كمپرسور مي باشد كه توان خروجي موتورهاي احتراق داخلي را در اثر افزايش ميزان جرم هوا و سوخت ورودي به موتور افزايش مي دهد. يكي از مزاياي بزرگ توربوچارجرها آن است كه افزايش قدرت خروجي موتور آنها در مقايسه با وزن آنها بسيار ناچيز است و اين يكي از دلايلي است كه باعث شده توربوچارجرها تا اين اندازه محبوب و معروف گردند.
توربوشارژر 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 مقدار مولکولهای هوا بیشتر خواهد بود، و باتبع مخلوط هوا و سوخت بیشتری در سیلندر جای خواهد گرفت. هر چه سوخت بیشتر باشد، قدرت ناشی از احتراق هم بیشتر خواهد بود.
نحوه عملكرد توربوچارجر:
يك توربوچارجر از يك كمپرسور و يك توربين گازي تشكيل شده است كه توربين گازي توسط پيچ به مانيفولد دود متصل مي شود و گازهاي خروجي از موتور باعث چرخش توربين گاز شده و به سبب آن كمپرسور كه توسط يك شفت به توربين گازي متصل است شروع به چرخش نموده و هواي محيط را مكش كرده و سپس آن را متراكم كرده و به طرف موتور مي فرستد و هواي ورودي بيشتر به موتور به معني سوخت بيشتر به داخل موتور و هوا و سوخت بيشتر به معني انرژي و قدرت خروجي موتور مي باشد..
http://khodroha.com/torbo-ch1.gif
سرعت چرخش توربين با توجه به استفاده توربوچارجر مي تواند متفاوت باشد و اكثراً داراي سرعتهاي چرخش بالا هستند به همين دليل بايد از ياتاقانهاي مخصوصي استفاده گردد كه بتواند نيروي حاصل از چرخش شفت را تحمل كند كه معمولاً از ياتاقانهاي سيال استفاده مي شود. در ياتاقانهاي سيال بين شفت و ياتاقان يك لايه روغن قرار دارد كه روغن فوق دو وظيفه مهم بر عهده دارد:
۱- باعث خنك شدن شفت و ساير قسمتهاي توربوچارجر مي شود
۲- باعث از بين رفتن اصطكاك بين شفت و ياتاقان هنگام چرخش مي شود
نكاتي پيرامون توربوچارجر:
۱- تقويت بيش از اندازه: اگر فشار توليدي توربوچارجر خيلي زياد باشد همان طور كه مي دانيد اين امر باعث بالا رفتن درجه حرارت هواي ورودي به موتور شده و در نتيجه سوخت قبل از آن كه توسط شمع محترق شود دچار خودسوزي شده كه به پديده فوق ضربه مي گويند كه براي جلوگيري از پديده فوق مي بايست از بنزين با درجه اكتان بالاتر استفاده نموده و يا نسبت تراكم موتور را كاهش دهيم.
۲- پس افت (Lag): يكي از مشكلات توربوچارجر آن مي باشد كه توربوچارجرها نمي توانند يك قدرت فوري را زماني كه شما پدال گاز را فشار مي دهيد، ايجاد نمايند و مدت زماني طول مي كشد تا توربين گاز چرخيده و هواي متراكم شده را به داخل موتور بفرستد. به همين خاطر شما در اول حركت خودروي خود احساس يك حركت ناگهاني به طرف جلو مي كنيد. دليل اين موضوع نيروي اينرسي (واماندگي) قسمت چرخنده توربين گاز مي باشد. اما مي توانيم با تمهيداتي نيروي اينرسي را كاهش داده تا توربين گاز بتواند در مدت زمان كوتاهي شتاب گرفته و ديگر پديده پس افت ايجاد نشود، كه در زير به مواردي اشاره مي كنيم:
الف) استفاده از توربوچارجرهاي كوچك به جاي توربوچارجرهاي بزرگ: يكي از راههاي كه مي توانيم نيروي اينرسي توربين گاز را كاهش دهيم آن است كه از توربوچارجرهاي كوچك استفاده نمائيم زيرا توربوچارجرهاي كوچك سريعتر شتاب گرفته و در دور پائين موتور تقويت بهتري ايجاد مي نمايند اما نمي توانند تقويت بيشتري را در دورهاي بالاي موتور كه ما نياز به وارد نمودن حجم بيشتري از هوا به موتور هستيم را توليد كنند و نيابد دور توربين گاز در آنها خيلي بالا رود
در جاهائي كه ما نياز به شتاب بالا در توربين گاز و مقدار بيشتري از هواي ورودي به موتور داريم مي توانيم از دو توربو چارجر كوچك كه به صورت مجزا از يكديگر مي باشند، استفاده نمائيم كه شركتهاي خودروسازي همچون تويوتا، آئودي، مزدا اين نوع توربوچارجر را در برخي از توليدات خود به كار برده اند. به توربوچارجرهاي فوق توربوچارجرهاي دوقلونيز مي گويند
ب) استفاده از توربين گاز با پره هاي سراميكي: همان طور كه مي دانيد توربين گاز با پره هاي سراميكي سبكتر از توربين گاز با پره هاي فولادي هستند در نتيجه اين امر باعث مي شود كه توربين گاز سريعتر شتاب گرفته و نيروي اينرسي كاهش يابد.
http://khodroha.com/torbo-ch2.jpg
ج) استفاده از ياتاقانهاي توپي (Ball Bearing) به جاي ياتاقانهاي سيالي: برخي از توربوچارجرها از ياتاقانهاي توپي به جاي ياتاقانهاي سيالي استفاده مي كنند كه ياتاقانهاي فوق بسيار دقيق و از مواد پيشرفته و خاصي ساخته شده اند تا بتوانند سرعت و حرارت شفت را كنترل نمايند. ياتاقانهاي توپي باعث مي شوند كه شفت با اصطكاك كمتري بچرخد و همچنين اين نوع ياتاقانها به ما اجازه مي دهد تا از شفتهاي كوچكتر و سبكتر استفاده نمائيم كه امر فوق باعث مي شود تا توربين گاز با شتاب بيشتري چرخيده و نيروي اينرسي آن كاهش يابد.
د) استفاده از توربوچارجرهاي ترتيبي (Sequential Turbocharger): برخي از موتورها از دو توربوچارجر با اندازه مختلف استفاده مي كنند كه توربوچارجر كوچكتر در دور پائين موتور تا پس افت را كاهش دهد استفاده دارد اما توربو چارجر بزرگتر در دورهاي بالاتر موتور كه نياز به تقويت و حجم بيشتري از هوا داريم كاربرد دارد. اين نوع توربوچارجر در ب.ام.و سري 5 مدل 535d استفاده شده است.
http://khodroha.com/torbo-ch3.jpg
مكانيزم كنترل توربين گاز
بسياري از توربوچارجر خودروها يك سوپاپ بايپس يا گذرگاه فرعي دارد كه باعث مي شود در توربوچارجرهاي كوچك ميزان چرخش آنها از حد مجازي تجاوز نكند. در واقع سوپاپ بايپس فشار داخل توربين گاز را حس كرده و اگر فشار آن بالا باشد سوپاپ فوق باز شده و مقداري از گاز را به خارج از محفظه توربين گاز هدايت مي كند تا اين كه فشار به ميزان مطلوبي برسد.
http://khodroha.com/torbo-ch4.jpg
كولر داخلي
همان طور كه مي دانيد زماني كه هوا فشرده مي شود آن گرم شده و منبسط مي شود اما هدف از استفاده توربوچارجرها افزايش ميزان چگالي ورودي به موتور (تعداد بيشتري از مولكولهاي هوا) مي باشد. به همين خاطر از كولرهاي داخي استفاده مي كنند تا هواي فشرده خروجي از كمپرسور را خنكتر كند تا ميزان چگالي آن افزايش يابد.
http://khodroha.com/coler.jpg
بدین ترتیب موتور 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 از موتوری با وزن و حجم کمتر سود می برد، در نتیجه حجم و وزن 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
اما توربوشارژر قدرت لازم برای فشرده کردن هوای ورودی را از کجا تأمین می کند؟ در نوع ابتدایی توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نیاز از میل لنگ گرفته می شد، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو صرف فشرده سازی هوای ورودی می شد.
ولی در نوع پیشرفته تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجی اگزوز استفاده می شود. گازهای خروجی 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.
یک 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.
.
http://khodroha.com/torbo5.jpg
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