مقالات خودرو : فنی : توربو شارژر (Turbocharger) (ویدئو)

توربو شارژر (Turbocharger)

ممکن است برای شما نیز این سوال پیش  آمده باشد که توربو شارژرها و سوپرشارژرها چگونه عمل می کنند. در ادامه با 1Car همراه باشید تا به بررسی مکانیزم عملکرد توربو شارژر بپردازیم. 

توربو شارژر (Turbocharger) در سال ۱۹۰۵ توسط آلفرد بوچی، یک مهندس مکانیک سوئیسی اختراع شد. توربو شارژر در واقع مکنده پرقدرت هواست که جریان هوای ورودی به موتور را فشرده می کند و باعث می  شود تا هوای بیش تری وارد سیلندرهای موتور شود. بدیهی است، هرقدر هوای بیش تری وارد سیلندرهای موتور شود، احتراق در سیلندر با حالت بهینه تری انجام می شود. ازاین رو، در هر بار انفجار، انرژی بیش تری توسط موتور تولید می شود. به طورکلی، یک موتور مجهز به سیستم توربو شارژر، انرژی بیش تری در مقایسه با یک موتور فاقد تورربوشارژر تولید می کند. توربو شارژر در حقیقت نسبت قدرت به وزن موتور را افزایش می دهد. بدین صورت که از جریان خروجی اگزوز، یک توربین را که به یک پمپ هوا متصل است، می چرخاند. توربین متصل به توربو شارژر با سرعت دورانی بیش از 150000 دور در دقیقه می چرخد که برآورد شده است این سرعت ٣٠ برابر بیش تر از دور موتور است.

توربو شارژر از دو قسمت اصلی تشکیل شده است: (1) توربین و (2) کمپرسور. همان  طورکه گفته شد، توربو شارژر به خروجی اگزوز متصل است. گازهای خروجی از اگزوز، توربین را می  چرخانند. ازآن  جاکه توربین نیز توسط یک محور به کمپرسور متصل است، کمپرسور می  چرخد و با مکش هوای بیرون، هوای فشرده شده را وارد پیستون می  کند. هرقدر حجم گاز ورودی به داخل توربین بیش  تر باشد، سرعت دورانی توربین نیز بیش  تر می  شود. در نتیجه، هوای فشرده بیش  تری نیز وارد سیلندر موتور می  شود.

پس از این که مخلوط سوخت و هوا در داخل سیلندر متراکم شد، احتراق انجام می شود و انرژی بسیار زیادی تولید می شود. این انرژی در حقیقت از فشار گاز پس از احتراق به دست آمده است که با توجه به اظهار نظر محققان، فشاری برابر با 30 اتمسفر دارد. انرژی حاصل از فشار گاز پس از احتراق را می توان به صورت مفید استفاده کرد. گفتنی است، در موتورهایی که مکش هوا به صورت معمولی و بدون حضور توربو شارژر صورت می گیرد، انرژی حاصل از فشار گاز پس از احتراق به سادگی تلف می شود، اما سیستم توربو شارژر به گونه ای طراحی شده است که از این انرژی و نیروی حاصل از آن برای چرخاندن پره های توربین استفاده می کند.

برای حصول احتراق بهتر و کامل تر و در نتیجه کسب راندمان بالاتر، باید هوای بیش تری را وارد سیلندر موتور کرد. این هوا باید به صورت فشرده و خشک به دورن سیلندر موتور فرستاده شود. حال اگر خنک کاری هوای ورودی به داخل سیلندر موتور به خوبی صورت نگیرد، نتیجه عکس می گیریم؛ زیرا با افزایش فشار و سرعت دوران، دما افزایش می یابد. افزایش دما نیز باعث عدم تراکم مولکول های هوا می شود و در نتیجه نسبت مناسبی از هوا وارد سیلندر موتور نخواهد شد. به عبارت دیگر، هرچه دما بیش تر شود، تراکم هوا کاهش خواهد یافت. هوایی که توسط توربوشارژ، فشرده و وارد سیلندر می شود، بسیار گرم است. این هوا پس از ورود به سیلندر و فشرده شدن توسط پیستون، باز هم گرم تر می شود. مشکل اساسی در این مرحله این است که حال اگر سوخت به داخل سیلندر پاشیده شود، پیش از وقوع احتراق توسط جرقه شمع، این عمل توسط هوای داغ ورودی انجام می شود که به آن احتراق زودرس یا خودسوزی می گویند. این پدیده با بد کار کردن موتور همراه است که به اصطلاح به آن لگد زدن موتور نیز گفته می شود. برای جلوگیری از وقوع چنین پدیده ای، استفاده از سیستم خنک کننده الزامی است. ازاین رو باید هوا را تا حد امکان خنک کرد. بدین منظور از یک نوع رادیاتور که معمولاً از جنس آلومینیوم است، استفاده شده است. هوایی که توسط توربوشارژ متراکم می شود، از این سیستم خنک کننده عبور می کند و دمای آن تا حد مطلوب کاهش می یابد. سپس هوای متراکم و خنک، وارد سیلندر می شود و پدیده احتراق به طور کامل و بهینه صورت می گیرد.

کمپرسور پره های مخصوصی دارد که در واقع وظیفه مکش هوا و متراکم کردن آن را به عهده دارد. این پره ها با دوران کردن، هوا را به داخل توربو شارژر می مکند و هوا از مرکز تیغه ها وارد توربو شارژر می شوند. سپس هوا توسط کمپرسور متراکم می شود و با فشار بسیار زیاد به خارج کمپرسور هدایت می شود.

/uploads/How TurboCharger Works-2.flv

پره های توربین در برخورد با گاز اگزوز به چرخش در می آیند و در این مرحله توربو شروع به چرخش می کند. چرخش توربین سبب به چرخش کمپرسور می شود و بدین طریق سیستم فعال می گردد. توربین و کمپرسور در یک محفظه حلزونی شکل قرار دارند. هر چه اندازه این محفظه کوچک تر باشد، فشار گازهای خروجی از اگزوز بالاتر است و حرکت دورانی توربین سریع تر خواهد شد. هرچه محفظه توربین بزرگ تر باشد، مدت زمان بیش تری نیاز است تا حرکت دورانی توربین به حداکثر دور برسد. گاهی محفظه ها تا حد سرخ شدن گرم می شود که برای خنک کردن آن ها از آب، روغن، یا ترکیبی از هر دو استفاده می شود. یکی دیگر از قسمت های مهم توربو شارژر، خروجی آن است. دود اگزوز پس از چرخاندن توربین باید از محفظه توربین خارج شود که این کار از طریق این دریچه صورت می گیرد. خروجی توربو شارژر با توجه به محفظه توربین، انواع مختلفی دارد که می توان آن را به دو دسته کلی تقسیم کرد: (1) نوع فلانچی که به توربوشارژ پیچ می شود و (2) نوع  کمربندی که توسط دو عدد واشر و یک بست مخصوص به توربوشارژ متصل می گردد.

جهت تنظیم فشار داخلی توربوشارژ و جلوگیری از افزایش بیش از حد آن، از یک سوپاپ استفاده شده است. بسیاری از توربو شارژرها یک سوپاپ بایپس (Bypass) یا گذرگاه فرعی دارند که باعث می شود در توربوشارژهای کوچک، میزان چرخش آن ها از حد مجازی تجاوز نکند. در واقع سوپاپ بایپس، فشار داخل توربین هوا را کنترل می کند و اگر فشار بالاتر ازحد مجاز رفت، سوپاپ باز می شود و مقداری از هوا به خارج از محفظه توربین، هدایت می شود. از این طریق، فشار همواره در سطح مطلوبی باقی می ماند.