توربوشارژ چیست؟
توربوشارژ(Turbocharge) وسیله ای است که بر روی موتور خودرو نصب می شود و برای بهبود راندمان کلی و افزایش عملکرد طراحی شده است. به همین دلیل است که بسیاری از خودروسازان خودروهای خود را به این سیستم مجهز می کنند.
توربوشارژر یا به اختصار توربو وسیله ای است که در موتورهای دیزلی استفاده می شود و در حالی که باعث کاهش آلودگی محیط زیست می شود، به افزایش عملکرد خودرو نیز کمک می کند. اجزای توربو هوای اضافی را به داخل موتور فشرده می کنند و قدرت بیشتری را ایجاد می کنند .
توربوشارژرها از زمانی که برای موتورهای هواپیما ساخته شده اند رواج یافته اند . این سیستم چندی بعد مورد بر روی موتورهای دیزلی مورد استفاده قرار گرفت و توانست نتایج مطلوبی را رقم بزند.
امروزه سیستم توربو بر روی اتومبیل‌ها، وانت‌ها و کامیون‌های سنگین با موتورهای دیزلی، نیز مورد استفاده قرار میگیرد.
توربوشارژ چگونه کار میکند؟
یک توربو از دو نیمه تشکیل شده است که توسط یک شفت به هم متصل شده اند. در یک طرف، گازهای داغ خروجی یک توربین را که به توربین دیگری متصل است می چرخانند و هوا را به داخل می مکد و آن را به داخل موتور فشرده می کند. این فشرده‌سازی همان چیزی است که به موتور قدرت و کارایی بیشتری می‌دهد، زیرا با ورود هوای بیشتری به محفظه احتراق، میتوان سوخت بیشتری برای قدرت بیشتر اضافه کرد.
یک توربو گازهای خروجی موتور را در توربین جذب می کند. سپس این گازها در کمپرسور فشرده شده و به موتور باز می گردند. این هوای سرد فشرده جدید موتور را قادر می سازد تا با سوختن موثرتر سوخت، قدرت بیشتری تولید کند.
توربوشارژرها می توانند اسب بخار و راندمان حرارتی موتور را افزایش دهند . یک موتور بدون توربوشارژ نمی تواند به اندازه یک موتور توربوشارژ از همان مقدار سوخت انرژی تولید کند.
این باعث می شود موتورهای توربوشارژ قوی تر و به صرفه تر باشند.
راهنمای گام به گام در مورد عملکرد سیستم توربو
بیایید نگاهی دقیق تر به عملکرد سیستم توربو بیندازیم. توربو دارای دو جزء اصلی توربین و کمپرسور است . فرآیند تولید توان بیشتر، در چهار بخش انجام می شود:
- جذب گازهای خروجی اگزوز
- چرخش چرخ
- تهویه گازهای اگزوز
- فشرده سازی هوا
1. گرفتن گازهای خروجی اگزوز
موتور در هنگام احتراق گازهای داغ را تولید می کند. این گازها از طریق لوله اگزوز در یک وسیله نقلیه معمولی خارج می شوند. اما در یک موتور توربوشارژ، توربو این گازها را جذب می کند.
2. چرخش چرخ
گازهای اضافی موتور باعث چرخش پره های چرخ توربین می شود. این چرخش بسته به اندازه موتور، توربو و وسیله نقلیه می تواند متفاوت باشد. متوسط توربوی خودرو می تواند تا 150000 دور در دقیقه بچرخد.
3. تهویه گازهای خروجی
اگزوز این گازها را پس از چرخش چرخ توربین آزاد می کند. گازها ابتدا باید از مبدل کاتالیزوری که داخل لوله پایین است عبور کنند. لوله اگزوز این گازها را پس از پاکسازی از مواد آلاینده خود آزاد می کند.
4. فشرده سازی هوا
چرخ توربین، کمپرسور هوا را در حین چرخش با RPM(دور بر دقیقه) بالا تغذیه می کند. کمپرسور هوای تمیز و سرد را از دریچه ورودی مکش می کند. سپس کمپرسور آن را تا 30 درصد بالاتر از فشار اتمسفر متراکم می کند. هوای متراکم غنی از اکسیژن ایجاد شده وارد محفظه احتراق می شود که به موتور کمک می کند سوخت را به طور موثرتری بسوزاند. این کارایی بهتری نسبت به موتورهای هم اندازه که توربوشارژ ندارند ارائه می دهد.
اجزای توربوشارژ
در ادامه به اجزای توربو خواهیم پرداخت که بفهمیم چگونه این اجزا با یکدیگر تعامل دارند تا قدرت بیشتری برای موتور دیزل تولید کنند؟
یک توربوشارژر فشار هوای ورودی اضافی را برای موتور فراهم می کند. این کار را با ترکیب یک چرخ کمپرسور و یک چرخ توربین از طریق یک شفت انجام می دهد . گازهای خروجی به توربین نیرو می دهند و سپس چرخ کمپرسور را تغذیه می کنند.
بیشتر توربوشارژرهای مربوط به خودرو از کمپرسورهای جریان شعاعی و چرخ های توربین استفاده می کنند. چرخ های توربین جریان محوری نادرتر هستند زیرا فقط برای موتورهای دیزلی با سرعت پایین مناسب هستند.
هوزینگ مرکزی
یک سیستم بلبرینگ از محفظه مرکزی پشتیبانی می کند. محفظه مرکزی شفتی را نگه می دارد که توربین و کمپرسور را به هم متصل می کند. همچنین به عنوان مجموعه چرخ شفت یا مجموعه چرخشی شناخته می شود .
مجموعه چرخشی محفظه مرکزی (CHRA) به مجموعه شفت چرخ اشاره دارد. معمولاً از چدن خاکستری یا آلومینیوم ساخته می شود.
مهر و موم به جلوگیری از ورود روغن به کمپرسور و توربین کمک می کند. برخی از توربوشارژرها دارای مسیرهای خنک کننده در CHRA هستند . آنها برای دمای بالای گازهای خروجی مانند موتورهای احتراق داخلی استفاده می شوند.
سیستم بلبرینگ
سیستم بلبرینگ یک توربو حرکت شعاعی و محوری شفت و چرخ ها را کنترل می کند . یکی دیگر از عملکردهای کلیدی که سیستم بلبرینگ انجام می دهد، به حداقل رساندن تلفات اصطکاک است.
سیستم های بلبرینگ به دلیل بهره وری سوخت موتور و تأثیر آنها بر اصطکاک توربوشارژر بسیار محبوب هستند.
یاتاقان ها در یک توربوشارژر معمولاً در حالت آویزان قرار می گیرند. رایج ترین موقعیت بین چرخ های توربین و کمپرسور است.
توربو به لطف طراحی روتور انعطاف پذیر، از سرعت های اول و دوم خود عبور می کند. این باعث می شود که آن را به موقعیت های دینامیکی روتور، از جمله چرخش و لرزش سنکرون، حساس کند.
مهر و موم
هر دو انتهای محفظه بلبرینگ دارای مهر و موم هستند. با توجه به نیاز به حداقل تلفات اصطکاکی، حرکات نسبتاً قابل توجه شفت ناشی از فاصله یاتاقان و شیب فشار نامطلوب در برخی شرایط. این مهر و موم یک مشکل طراحی چالش برانگیز است.
هدف از آب بندی ها جلوگیری از ورود هوای ورودی و گاز خروجی به داخل محفظه مرکزی است . فشار در میل لنگ موتور و سیستم های ورودی و اگزوز اغلب بیشتر از محفظه مرکزی توربو است.
هنگامی که فشار کمتر از فشار در ورودی و اگزوز است، محفظه مرکزی را می‌بندد. این مهر و موم ها راه اصلی برای جلوگیری از نشت روغن به سیستم های اگزوز و هوا نیستند. روش هایی مانند چرخاندن فلنجرها و منحرف کننده های روغن به جلوگیری از رسیدن روغن به مهر و موم ها کمک می کند.
مهر و موم معمولی توربوشارژ معمولاً از نوع رینگ پیستون است. این مهر و موم ها با مهر و موم های لب نرم متفاوت هستند. آب بند لب نرم معمولا در سرعت ها و دماهای پایین تر استفاده می شود.
مهر و موم توربو یک حلقه فلزی است و در طول چرخش شفت ثابت می ماند. در صورت چرخش دیفرانسیل فشار، آب‌بندهای شفت توربو نشت روغن را متوقف نمی‌کنند. این زمانی است که فشار در محفظه مرکزی از سیستم ورودی یا خروجی بیشتر شود.
مزایای توربوشارژ
علاوه بر قدرت اضافی، گاهی اوقات به توربوشارژرها به عنوان دستگاه هایی گفته می شود که “قدرت رایگان” را ارائه می دهند، زیرا برخلاف سوپرشارژر ها، برای به حرکت درآوردن آن به نیروی موتور نیازی ندارد. گازهای داغ و در حال انبساط که از موتور خارج می‌شوند، نیروی یک توربوشارژر را تامین میکنند، بنابراین هیچ تخلیه‌ای از نیروی خالص موتور وجود ندارد. موتورهای توربوشارژ نیز مانند موتورهای معمولی، هنگامی که در ارتفاعات بالاتر می روند تحت تأثیر قرار نمی گیرند. هرچه یک موتور معمولی از ارتفاع بالاتری بالا برود، به دلیل نازک شدن جو، دریافت اکسیژن برای آن سخت تر می شود. یک توربوشارژر این مشکل را حل می کند زیرا اکسیژن را به داخل محفظه احتراق موتور می فرستد، گاهی اوقات با فشار 2 برابر جو.
توربوشارژرها راندمان سوخت خودرو را نیز بهبود می‌بخشند، اما در مورد خودروهای توربوشارژ و بهره‌وری سوخت، تصور نادرستی وجود دارد. استفاده از یک موتور معمولی و ضربه زدن به توربوشارژر روی آن باعث بهبود راندمان سوخت نخواهد شد. راهی که سازندگان با استفاده از توربوشارژ بهره وری سوخت را بهبود می بخشند، کاهش سایز موتور و سپس توربوشارژ کردن آن است. به عنوان مثال، یک موتور 4 سیلندر خطی 2.5 لیتری معمولی را انتخاب کنید و حجم آن را به 1.4 لیتر کاهش دهید و سپس آن را توربوشارژ کنید. موتور کوچکتر توربوشارژ هنوز همان ارقام عملکردی (یا کمی بهتر) را دارد اما به دلیل جابجایی کوچکتر، سوخت کمتری نیز مصرف می کند.
علاوه بر این موارد موتورهای توربو مزایای دیگری نیز دارند که به بررسی آن ها میپردازیم:
عملکرد تقویت شده
موتورهای توربو دیزل در مقایسه با موتورهای هم سایز بدون توربو توان خروجی بالاتری دارند .
راندمان سوخت
موتورهای دیزلی به تنهایی نسبت به موتورهای بنزینی مصرف سوخت بیشتری دارند. یک توربوشارژر این ضریب راندمان را افزایش می دهد.
گشتاور خروجی بهبود یافته
افزایش چگالی و فشار هوا در سیلندر سوخت بیشتری را تزریق می کند . این امر باعث گشتاور و قدرت بیشتر می شود.
ظرفیت بکسل بیشتر
موتورهای دیزلی می توانند وزن بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی بکشند و توربو این را تقویت می کند. موتورهای توربوشارژ به ماشین آلات کشاورزی کمک می کنند تا بارهای زیاد را حمل کنند و سفرهای خارج از جاده را انجام دهند.
سازگار با محیط زیست
موتورهای کوچکتر گازهای سبز کمتری تولید می کنند. سازندگان می توانند موتورهایی با اندازه کوچکتر با قدرت و عملکرد عالی ایجاد کنند. این به دلیل کارایی است که توربوشارژرها ارائه می دهند . آنها این کار را در حالی انجام می دهند که ردپای محیطی وسیله نقلیه را کاهش می دهند.
معایب توربوشارژ
توربوشارژها در مقایسه با موتورهای تنفس معمولی یا سوپرشارژ دو نقطه ضعف اصلی دارند.
گرما
از آنجایی که یک توربو از گازهای داغ اگزوز نیرو می گیرد، بسیار داغ می شود. گاهی اوقات تحت شرایط خاص موتور، خود توربوشارژر می تواند شروع به قرمز شدن کند، اما البته این در شرایط رانندگی روزمره اتفاق نمی افتد. این زمانی اتفاق می‌افتد که موتور برای مدت زمان مورد استفاده قرار بگیرد و تحت فشار باشد. به همین دلیل است که برخی از خودروهای اسپورت توربوشارژ را می بینید که دریچه هایی در کاپوت یا پایین آن دارند، به این دلیل است که سعی میکنند هوا را از داخل محفظه موتور عبور دهند و همه چیز را خنک نگه دارند.
تاخیر توربو
یکی دیگر از معایب بزرگ توربوشارژر چیزی به نام تاخیر توربو است. تحت شرایط خاصی، هر زمان که پای خود را روی دریچه گاز می گذارید، بین زمان تقاضای نیرو از موتور و لحظه ای که واقعاً آن را احساس می کنید، تاخیر وجود دارد. این تاخیر توربو است. هنگامی که دور موتور پایین است، گازهای خروجی زیادی از توربوشارژر عبور نمی کند، بنابراین وقتی از موتور تقاضای نیرو می کنید، توربین توربوشارژر به زمان نیاز دارد تا با سرعت مطلوب شروع به چرخش کند. اثرات این را می توان با کاهش دنده به دنده کمتر کاهش داد، اما رانندگان مشتاق هنوز هم گاهی اوقات می توانند متوجه تاخیر تقسیم در پاسخ شوند.
استفاده از توربو در حودروهای سنگین
از کامیون های موجود در کشور که دارای موتور توربو هستند میتوان به کشنده تک محور فردا دیزل، کشنده جفت محور فردا دیزل، کشنده امپاور، کشنده فوتون H5 و … اشاره کرد.
