توربوشارژر Turbocharger

توربوشارژر Turbocharger

توربو شارژر کمپرسوری است که با افزایش توان مکش هوای ورودی توسط موتور خودرو، موجب احتراق بهتر سوخت و در نتیجه افزایش قدرت موتور می‌شود. این وسیله با کمک گازهای خروجی موتور کار می‌کند و بدون اتلاف انرژی فعالیت می‌کند. این سامانه بر خلاف سوپر شارژر موجب کاهش قدرت موتور خودرو نمی‌گردد.

در واقع توربو شارژر با نیروی حاصل از گازهای خروجی موتور عمل می کند، در حالی که سوپر شارژر با استفاده از نیروی گرفته شده از میل لنگ توسط تسمه یا زنجیر کار می کند. با استفاده از توربو شارژر میزان هوای وارد شده به موتور افزایش می یابد که منجر به بهبود قدرت یا راندمان و یا هر دو خواهد شد.

معمولا از این سامانه در سیکل اتو و سیکل دیزل برای موتورهای احتراق داخلی استفاده می گردد، هر چند استفاده از آن در موتورهای احتراق خارجی نیز مفید می باشد.

 تاریخچه

توربو شارژ در سال ۱۹۰۵ میلادی توسط مهندس مکانیک سوئیسی آلفرد بوچی اختراع شد .

توربوشارژ عبارتست از نوعی کمپرسور توربینی و یک کمپرسور گریز از مرکز که توسط یک شفت که با اتصال فلانچی به آن متصل شده را می چرخاند، توربین گازی توسط پیچ به مانیفولد دود متصل می شود و گازهای خروجی از موتور باعث چرخش توربین گاز شده و به سبب آن کمپرسور که توسط یک شفت به توربین گازی متصل است شروع به چرخش نموده و هوای محیط را مکش کرده و سپس آن را متراکم و به طرف موتور می فرستد. هوای ورودی بیشتر به موتور، به معنی سوخت بیشتر به داخل موتور،و هوا و سوخت بیشتر به معنی افزایش انرژی و قدرت خروجی موتور می باشد.

یکی از مطمئن ترین راهها برای افزایش توان موتور ها، افزایش مقدار هوا و سوختی است که در سیلندرآنها می سوزد برای این منظور افزودن تعداد سیلندرها یا بزرگ کردن هر یک از سیلندرها یکی از روش هاست اما در بعضی مواقع امکان این کار وجود ندارد. یک راه برای افزایش قدرت موتور که ساده تر و با صرفه تر می باشد استفاده از توربو شارژ در موتوراست که بدون نیاز به تغییر در حجم و وزن موتور توان آن را افزایش می دهد. برای افزایش توان موتور از توربوشارژها درخودروهای پر سرعت مسابقه ای و سوپر اسپرت هاو حتی خودروهای خانوادگی استفاده می شوند.

یک توربو شارژر ازدو قسمت اصلی تشکیل شده است: توربین و کمپرسور.

 در موتور هایی که توربوشارژ نصب گردیده، پس از اینکه مخلوط سوخت و هوا در داخل سیلندر متراکم شد توسط جرقه شمع محترق شده، و این احتراق باعث آزاد شدن انرژی حاصل از سوختن مخلوط گاز می گردد،حال این گاز (دود منیفولد) پس از گذراندن این سیکل، باید سیلندر را ترک کند که این گاز خروجی فشاری حداقل معادل ۳۰ اتمسفر را دارد یعنی ۳۰ برابر فشار داخل سیلندر.این گاز حاوی مقدار قابل توجهی انرژی است که می توان از این انرژی بصورت مفید استفاده کرد ولی درموتور هایی که تنفس بصورت عادی [ بدون توربوشارژ ] است گاز خروجی وانرژی موجود توسط اگزوز به بیرون رانده می شود که این عمل برابر است با اتلاف مقدار زیادی از انرژِی کنترل نشده .

توربوشارژ دارای یک محور(شفت)مرکزی است که یک سر این محور به یک توربین متصل است که براثر برخورد گاز های خروجی با پره های این توربین ، محور شروع به چرخیدن می کند، سر دیگر این محور به یک کمپرسور متصل است که بر اثر چرخیدن هوای بیرون را با قدرت بیشتر ی مکیده و در داخل سیلندر متراکم می کند. با این روش در حدود 60 درصد بیشتر هوا وارد سیلندرهای موتور خواهد شد و بازدهی واقعی نیز بین 40% تا 50% افزایش خواهد یافت.

یکی از مزایای توربو شارژها، کمکی است که در ارتفاعات و مناطق مرتفع به موتور می کنند، موتورهای معمولی در ارتفاعات دچار کاهش شدید قدرت می شوند زیرا برای هر مکش پیستون جرم کمتری از هوا را به داخل سیلندر می کشد و حتی در صورت افزایش مقدار سوخت پاشیده شده به داخل سیلندر نیز به علت فقدان اکسیژن کافی ، احتراق کامل صورت نمی گیرد، بنابراین مساله رقیق بودن هوا موجب کم شدن قدرت موتور، در این نقاط می شود که توربو شارژها با کمپرس کردن و افزایش جرم هوای ورودی به موتور، این نقص را جبران می کنند.

نقش پره ها در کمپرسور  Housing Compressor

توربین کمپرسور دارای پره هایی مخصوص می باشد که عامل مکش هوا و متراکم کردن آن است

پره های توربین کمپرسور در توربوشارژ  با دوران کردن باعث مکش هوا به داخل توربوشارژ می شوند کمپرسور نیز هوا را از مرکز تیغه هایش به داخل کشیده و توسط پره های خود، در حین چرخش به بیرون پرتاب می کند. کمپرسور معمولا بین صافی و منیفولد هوای ورودی به موتور قراردارد پره های کمپرسور می تواند بصورت تک ، دوبل و یا دوبل متغییر باشدو لازم به ذکر است که پره های کمپرسور در توربوشارژ ها که برای ایجاد قدرت در دور های پایین طراحی می شوند معمولا دارای کمپرسور هایی با پره های نزدیک به هم و بلعکس در توربوشارژ هایی که برای حصول قدرت در دور های بالا طراحی می شوند دارای کمپرسور هایی هستند که فاصله پره های آنها از هم بیشتر است .

نقش پره ها در توربین  Hosing Turbine

پره های توربین  در برخورد با گاز های خروجی باعث دوران محور می گردد این پره ها همیشه از نوع تکی می باشند و زاویه و انحنای آنها یکسان است .

امروزه برخی از شرکت ها توربوشارژهایی ساخته اند که در آن زاویه پره ها در دور های مختلف بسته به دور موتور تغییر می کند .

Housing

  عبارت است از یک محفظه باشکل حلزونی که توربین و کمپرسور را درخود جای می دهد که هر توربوشارژ دارای دو عدد از آن میباشد.

 

در محفظه توربین ، هر چه اندازه این محفظه کوچکتر باشد فشار گاز های خروجی از  اگزوز بالا تر مانده و توربین سریع تر دور خواهد گرفت. توربو شارژ ها با محفظه کوچک برای اتومبیل های خیابانی مناسب ترند. اگر محفظه توربین بزرگتر باشد مدت زمان بیشتری طول می کشد تا توربین دور بگیرد که محفظه بعضی از مواقع تا حد سرخ شدن گرم می شود که برای خنک کردن آن ازآب یا روغن و در بعضی از هردو استفاده می شود.

فلانچ در توربوشارژ

درتوربوشارژها معمولا از چدن یا آلومینیوم آلیاژی ساخته می شود و در حد فاصل بین توربین و کمپرسور قرار گرفته و آنها را به هم مرتبط می کند

فلانچ ها را با توجه به نوع موتور و نوع توربو شارژ انتخاب می کنند و معمولا با کد های بین المللی  ساخته می شوند.

خروجی توربوشارژ Down pipe

یکی دیگر از قسمتهای مهم توربوشارژ  خروجی آن می باشد. گازهای اگزوز (دود) پس از چرخاندن توربین ، محفظه توربین را باید ترک کند که این کار از طریق این دریچه صورت می پذیرد.

 خروجی توربوشارژ با توجه به محفظه توربین، اشکال مختلفی دارد ولی می توان آن را به دودسته کلی تقسیم کرد، که عبارت است از” نوع فلانچی که به توربوشارژ پیچ می شود و نوع  کمربندی  که توسط دو عدد واشر و یک بست مخصوص به توربوشارژ متصل می شود. توربین بین منیفولد هوای خروجی وانباره اگزوز قرار می گیرد، تمامی گازهای خروجی موتور (اگزوز) از محفظه توربین می گذرد و انبساط این گازهای تحت فشار، بر پره های توربین عمل می کند و موجب حرکت دورانی آنها می شود.

این گازها پس از گذشتن از توربین وارد اتمسفر می شوند ،توربین صدای حاصل از گازهای اگزوز را نیز خفه می کند و به این ترتیب در اکثر موارد نیازی به استفاده از انباره اگزوز نیست شاید بتوان نوع توربوشارژها را با توجه به قطعات بکار رفته در آن به چند شکل تقسیم بندی کرد:

عملکرد محور مرکزی آن ممکن است بصورت یاتاقانی و یا بلبرینگی باشد. که ممکن است از نوع  متصل به محفظه توربین  یا نوع  بر روی منیفولد دود قرار داشته باشد

.نوع محفظه دار توربین و کمپرسور  ویانوع فلانچ یا رابط توربوشارژ ومنیفولد اگزوزمحور مرکزی که در واقع رابط بین توربین و کمپرسور است و با سرعت بسیار بالایی  دوران می کند باید در دو سر خود به چیزی تکیه داشته باشد ، که اکثر توربوشارژها دارای محورهای مرکزی یاتاقانی هستند ولی در توربوشارژهای گران قیمت که در موتور های پر دور استفاده می شوند دارای محور های مرکزی بلبرینگی هستند ودر مواردی بعضی ازنوع یاتاقانی هم کیفیت بالایی دارند.

محور های بلبرینگی دارای استقامت بالایی هستند بلبرینگ هایی که در این محور ها بکار گرفته می شوند چون از فزات آلیاژ ی ساخته می شوند، در مقابل حرارت و سایش بسیار مقاوم بوده و سریع تر از نوع یاتاقانی دور می گیرند.

مکانیزم کنترل فشار در توربین Waste Gate

برای اینکه فشار داخلی توربوشارژ با توجه به کاربرد آن تنظیم شده و از حد مجاز بالاتر نرود، این سوپاپ  طراحی شده است.بسیاری از توربوشارژ خودروها یک سوپاپ بایپس یا گذرگاه فرعی دارد که باعث می شود

در توربوشارژهای کوچک میزان چرخش آنها از حد مجازی تجاوز نکند. در واقع سوپاپ بایپس فشار داخل توربین هوا را حبس کرده و اگر فشار آن بالاتر ازحد مجاز باشد .سوپاپ فوق باز شده و مقداری از سیال را به خارج از محفظه توربین گاز هدایت می کند تا اینکه فشار به میزان مطلوبی برسد .
 

پس افت  Lag

یکی از مشکلات توربوشارژ این است که، توربوشارژها نمی توانند یک قدرت فوری را زمانی که شما پدال گاز را فشار می دهید، ایجاد نمایند و مدت زمانی را نیاز دارند تا توربین را چرخانده و هوای متراکم شده را به داخل موتور بفرستد، به همین خاطر شما در ابتدای حرکت خودروی خود، احساس یک حرکت ناگهانی به طرف جلو می کنید دلیل این موضوع نیروی اینرسی (واماندگی) قسمت چرخنده توربین گاز می باشد، اما می توانیم با تمهیداتی نیروی اینرسی را کاهش داده تا توربین بتواند در مدت زمان کوتاهی شتاب گرفته و دیگر پدیده پس افت  ایجاد نشود، که به مواردی اشاره می کنیم:

 استفاده از توربوشارژهای کوچک به جای توربوشارژهای بزرگ

یکی از راههای که می توانیم نیروی اینرسی توربین را کاهش دهیم آن است که از توربوشارژهای کوچک استفاده نمائیم زیرا توربوشارژهای کوچک سریعتر شتاب گرفته و در دور پائین موتور تقویت بهتری ایجاد می نمایند اما نمی توانند تقویت بیشتری را در دورهای بالای موتور که ما نیاز به وارد نمودن حجم بیشتری از هوا به موتور هستیم را تولید کنیم و نباید دور توربین در آنها خیلی بالا رود، در جاهائی که ما نیاز به شتاب بالا در توربین و مقدار بیشتری از هوای ورودی به موتور را داریم می توانیم از دو توربوشارژ کوچک که به صورت مجزا از یکدیگر می باشند،استفاده نمائیم که به این نوع توربوشارژها، توربوشارژهای دوقلو نیز می گویند، که شرکتهای خودروسازی همچون  این نوع توربوشارژ را در برخی از تولیدات خود به کار برده اند.

 استفاده از توربین گاز با پره های سرامیکی

همان طور که می دانید توربین گاز با پره های سرامیکی سبکتر از توربین گاز با پره های فولادی آلیاژی هستند در نتیجه این امر باعث می شود که توربین سریعتر شتاب گرفته و نیروی اینرسی کاهش یابد.

 استفاده از یاتاقانهای توپی  به جای یاتاقانهای سیالی

برخی از توربوشارژها از یاتاقانهای توپی به جای یاتاقانهای سیالی استفاده می کنند که یاتاقانهای فوق بسیار دقیق و از مواد پیشرفته و خاصی ساخته شده اند تا بتوانند سرعت و حرارت شفت را کنترل نمایند. یاتاقانهای توپی باعث می شوند که شفت با اصطکاک کمتری بچرخد و همچنین این نوع یاتاقانها به ما اجازه می دهد تا از شفتهای کوچکتر و سبکتر استفاده نمائیم که امر فوق باعث می شود تا توربین با شتاب بیشتری چرخیده و نیروی اینرسی آن کاهش یابد.

 استفاده از توربوشارژهای ترتیبی

برخی از موتورها، از دو توربوشارژ با اندازه مختلف استفاده می کنند که توربوشارژ کوچکتر در دور پائین موتوراستفاده می شود تا پس افت را کاهش دهد و توربوشارژ بزرگتر در دورهای بالاتر موتور که نیاز به تقویت و حجم بیشتری از هوا داریم کاربرد دارد.