سوپرشارژر (Supercharger)

اگر به یاد داشته باشید، قبلاً در 1Car به بررسی سیستم توربو شارژرها پرداختیم. در این پست قصد داریم تا نحوه عملکرد سوپرشارژرها را مورد بررسی قرار دهیم.

پیش از آن که وارد بحث سوپرشارژر (Supercharger) شویم، ضروری است تا مقدماتی راجع به اصول اولیه احتراق و مراحل انجام آن بدانیم. در یک موتور احتراق داخلی چهار مرحله ای، یک مرحله به فرایند مکش هوا تخصیص داده شده است. در این مرحله برای مکش هوا سه گام وجود دارد: (1) پیستون پایین می آید، (2) خلاء ایجاد می شود، و (3) هوا تحت فشار اتمسفر وارد سیلندر می شود. هنگامی که هوا وارد موتور می شود، پس از ترکیب شدن با سوخت، مخلوط انفجار شکل می گیرد. مخلوط انفجار پس از طی یک فرایند شیمیایی که احتراق نام دارد، می تواند به انرژی جنبشی تبدیل شود. ایجاد یک جرقه در داخل پیستون کافی است تا این مخلوط منفجر شود و در پی آن انرژی قابل ملاحظه ای را آزاد کند. نیروی حاصل از این انفجار که در بخش بالایی سیلندر متمرکز شده است، پس از پرتاب پیستون به سمت پایین، نیروی محرکه ایجاد شده را به چرخ های خودرو منتقل می کند. اگر به اطلاعات بیش تری در مورد عملکرد موتور نیاز دارید، لطفاً به مطلبی که قبلاً 1Car برای شما آماده کرده است، توجه کنید.

اگرچه تزریق سوخت بیش تر به داخل سیلندر، شدت انفجار و در پی آن، قدرت موتور را افزایش می دهد، اما پمپ کردن سوخت بیش از حد به داخل سیلندر، کار چندان ساده ای نیست؛ زیرا طبق روابط شیمیایی مندرج در کتاب های درسی، به ازای هر قسمت سوخت، 14 قسمت هوا نیاز است. بنابراین، تزریق سوخت بیش تر به تزریق اکسیژن بیش تر نیاز خواهد داشت تا حدی که بتوان حداکثر راندمان را از مقدار سوخت تزریقی به دست آورد. ازاین رو، این جا است که سوپرشارژر می تواند نقش آفرینی کند و با تزریق مقدار سوخت بیش تر، راندمان بیش تری را نیز به دست آورد.

سوپرشارژر در حقیقت یک کمپرسور هوا است که برای افزایش فشار، دما، و دانسیته هوای ورودی به موتور احتراق داخلی مورد استفاده قرار می گیرد. سوپرشارژر با فشرده سازی هوا تا فشار بالاتر از فشار اتمسفر، قدرت مکش آن را بدون نیاز به ایجاد خلاء بالا می برد. این واحد، هوای بیش تری را وارد سیلندر موتور می کند. بنابراین، با وجود هوای بیش تر، سوخت بیش تری نیز به داخل سیلندر تزریق می شود و در نتیجه قدرت موتور افزایش پیدا می کند. در مقایسه با موتورهای معمولی که هوا به صورت طبیعی وارد موتور می شود، این هوای فشرده، مقدار اکسیژن بیش تری را به ازای هر سیکل احتراق در اختیار موتور قرار می دهد که از این طریق، فرایند سوخت کامل تر انجام می شود و در نتیجه، ضمن افزایش قدرت موتور، راندمان خودرو نیز بالاتر می رود. برای به حرکت در آوردن سوپرشارژر معمولاً از تسمه، چرخ دنده، یا زنجیر متصل به میل بادامک استفاده می شود و از این طریق گاز خروجی اگزوز برای به چرخش در آوردن توربین داخلی استفاده می شود. از چنین سوپرشارژری تحت عنوان توربوسوپرشارژر یا به شکل ساده تر همان توربو شارژر یاد می شود. آزمایشات نشان داده است که استفاده از سوپرشارژر به طور متوسط 46% به قدرت موتور و 31% به گشتاور اضافه می کند. گفتنی است، در مواقعی که راندمان موتور در حالت طبیعی به دلیل افت فشار هوا در داخل موتور رو به کاهش است، وجود سوپرشارژر باعث می شود تا موتور در شرایط بهینه به کار خود ادامه دهد.

برخلاف توربو شارژر که از گازهای خروجی اگزوز برای به حرکت در آوردن توربین داخلی و در نتیجه کمپرسور هوا استفاده می کند، سوپرشارژر نیروی محرکه خود را مستقیماً از میل بادامک دریافت می کند. به عبارت بهتر، برتری سوپرشارژر نسبت به توربو شارژر در این است که چون نیروی محرکه به طور مستقیم از موتور خودرو یا همان میل بادامک دریافت می شود، بنابراین ضعف افت فشار هوا که در توربو شارژر به دلیل نوسانات فشار گاز خروجی از اگزوز دیده می شود، ندارد. لازم به ذکر است، آن چه در سوپرشارژر نقش ایفا می کند، دور موتور است که همین، برای راه اندازی توربین داخلی آن کافی است. به طورکلی، بسته به چگونگی مکانیسم فشرده سازی هوا، دو نوع سوپرشارژر وجود دارد: نوع اول، که در آن حجم ثابتی از هوای فشرده در تمام دور موتورها تولید می شود و نوع دوم، که در آن با افزایش دور موتور، فشار هوا نیز افزایش می یابد.

 سوپرشارژرها انواع مختلفی دارند که از جمله مهم ترین آن ها می توان به روتز (Roots)، دوپیچی (Twin-Screw)، و سانتریفیوژی (Centrifugal) اشاره کرد. اختلاف اصلی در این نوع سوپرشارژرها صرفاً در چگونگی تزریق هوای فشرده به داخل منیفولد موتور خودرو است. در سوپرشارژرهای روتز و دوپیچی، از لب های گیراندازنده (Meshing Lobes) برای هدایت جریان هوا به داخل موتور استفاده شده است، درحالی که وظیفه این کار در سوپرشارژرهای سانتریفیوژی بر عهده یک پروانه (Impeller) است. اگرچه همه این سوپرشارژرها هوای فشرده تأمین می کنند، اما عملکرد و راندمان آن ها با هم فرق می کند. طبق آن چه در منابع آمده است، این نوع سوپرشارژرها بسته به این که چه کاربردی از آن ها انتظار خواهید داشت، در اندازه های مختلفی موجود هستند؛ مثلاً اندازه سوپرشارژری که برای افزایش راندمان و بهبود عملکرد موتور ماشین معمولی به کار می رود با آن چه برای خودروهای مسابقه ای مورد استفاده قرار می گیرد، متفاوت است. در ادامه، به اختصار به چگونگی عملکرد هر یک از این موارد پرداخته می شود.

سوپرشارژر روتز (Roots)

در این نوع سوپرشارژر، به محض این که لب های گیراندازنده می چرخند، هوای محبوس در بین لب ها از سمت ورودی به سمت خروجی هدایت می شوند. در این مرحله، به قدری هوا وارد منیفولد می شود که در آن جا در اثر ایجاد تراکم، فشار مثبت شکل بگیرد. در حقیقت، سوپرشارژرهای روتز همان دمنده هوا هستند و گاهی اوقات در لفظ عامه، به چنین سوپرشارژرهایی، دمنده نیز گفته می شود. بر اساس آن چه در مراجع گفته شده است، از آن جا که این سوپرشارژرها اندازه بزرگی دارند، اغلب آن ها را روی موتور خودرو قرار می دهند و به همین دلیل است که کاپوت برخی خودروهای عضلانی یا همان ماسل کار ها از وسط برآمدگی دارد. از جمله معایبی که در مورد این نوع سوپرشارژرها گفته شده است می توان به سنگینی آن و ناپیوسته بودن جریان هوای فشرده به داخل منیفولد هوا اشاره کرد.

سوپرشارژر دوپیچی (Twin-Screw)

در این نوع سوپرشارژر، از یک روتور مخروطی یا حلزونی شکل برای هدایت هوا از سمت ورودی به سمت خروجی استفاده شده است. بدین صورت که هوا در فضای حاصل از لب های گیراندازه حلزونی شکل در داخل درپوش موتور محبوس و فشرده می شود. مزیت این نوع سوپرشارژرها در این است که هرچه از سمت ورودی به سمت خروجی حرکت می کنیم، حجم فضای روتور برای هوا کاهش می یابد و در نتیجه هوا در فضای کوچک تری فشرده می شود که این به نوبه خود، راندمان سوپرشارژر را بالا می برد. بدیهی است، بالا رفتن کارایی سوپرشارژر در افزایش کارکرد موتور نیز تأثر مثبت خواهد داشت. گفتنی است، سوپرشارژرهای دوپیچی به دلیل دقیق تر بودن فرایند ساخت آن ها، گران قیمت تر هستند.

سوپرشارژر سانتریفیوژی (Centrifugal)

در این نوع سوپرشارژر، از یک پروانه مخصوص که نقش هدایت جریان هوا به داخل موتور را دارد، استفاده شده است. این قطعه در دور موتورهای بسیار بالا یعنی 50,000 تا 60,000 دور بر دقیقه، هوا را به داخل کمپرسور می مکد و این هوا در اثر نیروی گریز از مرکز به صورت شعاعی، به بیرون پخش می شود.

اگرچه پروانه، هوا را در سرعت های بسیار بالا به بیرون هدایت می کند، اما فشار نقطه ای آن کم است. ازاین رو، به کمک یک پخش کننده (Diffuser) به شکل مجموعه ای از پره های ثابت پیرامون پروانه، هوای با سرعت بالا و فشار کم به هوای با سرعت کم و فشار بالا تبدیل می شود. بدین صورت که پس از برخورد هوا با پره ها و کاهش سرعت مولکول های آن، فشار هوا افزایش می یابد. لازم به ذکر است، این نوع سوپرشارژرها جزء کارامدترین و پرکاربردترین سیستم ها به شمار می روند و علاوه بر این  که سبک و کوچک هستند، به جای روی موتور، در جلوی موتور متصل می شوند. در شکل زیر اجزای این سوپرشارژر به خوبی نشان داده شده است.

در خاتمه، در فیلم (دانلود) زیر چگونگی عملکرد سوپرشارژر سانتریفیوژی به خوبی به نمایش گذاشته شده است. از شما دعوت می شود حتماً این فیلم را تماشا کنید تا درک کاملی از این سیستم به دست آورید. 1Car هم چنان از دریافت دیدگاه های شما استقبال می کند. با ما همراه باشید.

لینک دانلود ویدئو