توربوشارژر چیست

یکی از راه‌های دریافت توان بیشتر از موتور، افزایش مقدار حجم ترکیب هوا و سوختی است که می‌تواند وارد موتور شده و باعث فرایند احتراق گردد. یکی از راه های انجام این کار اضافه کردن تعداد سیلندرها یا بزرگتر کردن سیلندرهای موجود است. اما گاهی اوقات این تغییرات ممکن است امکان پذیر نباشند. استفاده از یک سیستم توربوشارژر می‌تواند راه ساده‌تری برای افزایش قدرت موتور باشد.

دسترسی سریع مطالب

توربوشارژر وسیله ای است که روی موتور قرار گرفته و باعث بهبود عملکرد و توان خروجی و بالا رفتن بازده موتور می شود.

این دلیلی است که اکثر خودروسازان دنیا هر روز بیشتر از توربوشارژر روی محصولات خود استفاده می کنند.

توربوشارژر چگونه کار میکند؟

یک مجموعه توربوشارژر از دو مجموعه پره که روی یک شفت مرکزی قرار گرفته اند تشکیل می شود. یکی از مجموعه پره ها تحت تاثیر انرژی گازهای خروجی از موتور (اگزوز) قرار گرفته که پره محرک یا توربین نامیده می شود. مجموعه پره دوم که پره متحرک یا کمپرسور نامیده میشود با توجه به شکل خاص پره ها و قرار گرفتن درون یک هوزینگ باعث مکش هوا از محیط اطراف و فشرده کردن آن میشود.

عمل فشرده سازی هوا و انتقال آن درون موتور در واقع باعث بالا رفتن حجم هوای ورودی به موتور می شود که طبیعتاً این موضوع همراه با درصد اختلاط سوخت و هوای بیشتر، باعث بالا رفتن توان خروجی موتور می گردد.

از طرفی فشرده شدن هوا باعث گرم شدن و انبساط هوا می گردد و این موضوع سبب کاهش راندمان موتور می گردد. در واقع هدف از استفاده توربوشارژر افزایش حجم هوای ورودی به موتور می باشد نه افزایش فشار هوای ورودی.

برای رفع این مشکل از یک سیستم اینترکولر استفاده می شود. (که چیزی شبیه رادیاتور است) هوای گرم و فشرده شده توسط اینترکولر مجدداً خنک شده و وارد محفظه احتراق موتور می گردد.

پره های توربین
هوزینگ توربین
گازهای خروجی موتور
مسیر خروجی به اگزوز
پره های کمپرسور
هوزینگ کمپرسور
شفت مرکزی
هوای فشرده شده

مزایای توربوشارژ

گاهی از توربوشارژرها به عنوان یه وسیله که افزایش توان اضافی به موتور میدهند یاد می شود زیرا برای عملکرد توربوشارژر نیازی به مصرف توان اولیه نیست (برخلاف سوپرشارژر) و توان توربوشارژر از اینرسی موجود در گازهای خروجی موتور تامین می شود نه از توان تولید شده توسط خود موتور.

همچنین موتورهای دارای توربوشارژر برخلاف موتورهای با ساختار تنفس طبیعی تحت تاثیر شرایط ارتفاع از سطح دریا (در مناطقی که مورد استفاده قرار میگیرند) و چگالی هوای موجود قرار نمی گیرند.

هنگامی که خودرو در ارتفاعات بالاتر از سطح دریا مورد استفاده قرار میگیرد، به دلیل کمتر شدن چگالی هوا و کمتر شدن درصد اکسیژن خالص موجود در هوای ورودی به موتور، دارای مقدار افت توان می گردد.

یک موتور با سیستم توربوشارژر دارای این محدودیت نمی باشد زیرا فشرده کردن هوای ورودی به محفظه احتراق موتور گاهی تا دوبرابر میزان فشار اتمسفر می باشد. (بستگی به نوع موتور و سیستم توربوشارژر دارد)

سیستم توربوشارژ همچنین باعث بهبود راندمان مصرف سوخت موتور -به نسبت توان دریافتی از موتور- می شود ولی در مورد موضوع بهره وری سوخت خودروهای دارای توربوشارژ تصور نادرستی وجود دارد. استفاده از یک سیستم توربوشارژر روی یک موتور با ساختار تنفس طبیعی باعث بهبود شرایط مصرف سوخت نمی شود بلکه در واقع چیزی که باعث بهبود شرایط مصرف انرژی بهینه می گردد کوچک سازی اندازه موتور (downsizing) و سپس استفاده از سیستم توربوشارژ روی موتور برای جبران سبک سازی وزن موتور می باشد.

در واقع هرچه نسبت توان خروجی موتور به وزن آن بیشتر باشد، راندمان موتور بالاتر است.

برای مثال یک موتور ۲.۵ لیتری ۴ سیلندر خطی با سیستم تنفس طبیعی میتواند دارای راندمان مساوی با یک موتور ۱.۴ لیتری با همان مشخصات که به علاوه سیستم توربوشارژر باشد.

موتورهای کوچک سازی شده دارای توربوشارژ دارای کارایی و بازده یکسان – و شاید بیشتر- نسبت به موتورهای تنفس طبیعی هستند و کوچک سازی و کمتر شدن حجم موتور و کمتر شدن وزن آنها حتی میتواند باعث کاهش مصرف سوخت آنها نیز بشود.

معایب توربوشارژر

موتورهای دارای سیستم توربوشارژ دارای سه ایراد اساسی نسبت به موتورهای دارای سیستم تنفس طبیعی یا دارای سیستم سوپرشارژر هستند:

مانع در برابر خروج گازهای اگزوز

یکی از نقاط ضعف سیستم توربوشارژر این واقعیت است که نیروی لازم برای چرخش توربین باید از اینرسی گازهای خروجی از سیلندر تامین گردد. وجود توربین در جریان خروجی اگزوز باعث افزایش محدودیت در سرعت خروج گازها می گردد. این بدان معنی است که در هنگام کارکرد، موتور باید در برابر فشار برگشتی (Backpressure) بیشتری از سوی اگزوز عمل کند. این موضوع باعث کمتر شدن راندمان موتور می گردد.

گرمای زیاد

به دلیل اینکه موتورهای دارای سیستم توربوشارژ از انرژی گازهای خروجی موتور برای عملکرد خود استفاده می کنند، بسیار داغ و دارای حرارت زیاد می شوند. این موضوع لزوم استفاده از مواد خاص و فرایندهای خاص تولید مجموعه توربوشارژ و به طبع آن بالا رفتن هزینه تولید را باعث میشود.

گاهی اوقات به دلیل شرایط کاری خاص موتور، حرارت مجموعه توربوشارژ ممکن است بسیار بالا رفته و باعث اسیب به خود توربوشارژ یا قطعات جانبی دیگر شود. (البته این یک موضوع همیشگی نیست)

این موضوع هنگامی میتواند رخ دهد که کارکرد موتور به مدت تقریباً طولانی در شرایط مرزی حداکثری و تحت فشار کاری بالا اتفاق بیفتد.

به همین دلیل است که خودروهای اسپرت دارای سیستم توربوشارژ دارای دریچه هایی روی درب موتور یا اطراف بدنه هستند که جریان هوا را برای خنک کردن مجموعه موتور و توربوشارژرعبور دهند.

پدیده ای به نام واماندگی توربین (turbo lag)

در شرایط شتاب گیری خودرو، از زمانی که پدال گاز فشرده می شود تا زمانی که قدرت مورد نیاز از موتور جهت شتاب گیری دریافت گردد تاخیر زمانی وجود خواهد داشت. این پدیده به دلیل تاخیر در دریافت هوای ورودی توسط توربوشارژ و فشرده سازی و ارسال هوای فشرده به داخل سیلندر بوجود می اید.

هنگامی که سرعت خودرو کم است (دورهای پایین موتور)، سرعت گازهای خروجی از موتور -گذرنده از توربوشارژ- نیز کم است و هنگامی که راننده نیاز به حداکثر قدرت موتور دارد توربوشارژ نیاز به زمان برای ارائه حداکثر راندمان خود را دارد. (به دلیل سرعت کم چرخش پره های توربین).

این تاخیر و ایراد سیستم توربوشارژر میتواند بصورت استفاده از دنده معکوس کمتر شود ولی به هر حال رانندگان حساس به هر حال متوجه این پدیده تاخیر زمانی سیستم توربوشارژ می شوند.

برخی از موتورها از دو سیستم توربوشارژر با اندازه های مختلف استفاده می کنند. سیستم کوچکتر خیلی سریع به سرعت کارکرد میرسد و باعث کاهش تاخیر عملکرد توربین می شود، در حالی که سیستم بزرگ‌تر در سرعت‌های بالاتر موتور برای تقویت بیشتر کار میکند.

نکاتی که شما باید در مورد سیتم توربوشارژر بدانید:

۱- سیستم توربوشارژر یک وسیله مکانیکی است که به عنوان یک سیستم اجباری برای فشرده سازی جریان هوای ورودی به موتور استفاده می شود. این سیستم توان خروجی موتور را بدون افزایش اندازه یا تعداد سیلندرها و در نتیجه وزن موتور افزایش می دهد.

۲- در زمان های قدیم از سیستم توربوشارژر برای حفظ توان خودروهایی که در تپه نوردی رقابت می کردند -به منظور جبران افت قدرت در ارتفاعات بالاتر به دلیل کمبود اکسیژن- استفاده می شد.

۳- محفظه توربین به منیفولد اگزوز و یک کمپرسور به منیفولد هوای ورودی موتور متصل است. هر دو توربین و کمپرسور روی یک شفت مشترک قرار دارند و همزمان میچرخند.

۴- یک توربوشارژر در درجه اول مقدار هوایی را که همراه با سوخت وارد موتور می شود افزایش می دهد تا مخلوط سوخت هوا را به طور موثرتری دارای حجم بیشتر شده و در نتیجه موتور قدرت بیشتری تولید نماید.

۵- کمپرسور از سرعت گازهای خروجی موتور برای فشرده کردن هوای ورودی به موتور استفاده می کند.

۶- هرچه درصد اکسیژن موجود در هوا بیشتر باشد، فرآیند احتراق و در نتیجه توان خروجی موتور بهتر خواهد بود.

۷- توربین در سیستم توربوشارژر تا سرعت ۱۵۰۰۰۰ دور در دقیقه می‌چرخد، این سرعت حدود ۳۰ برابر سریع‌تر از سرعت موتور خودروهاست.

۸- تاخیر توربو – یک توربوشارژر برای کارکرد با حداکثر بازده خود، نیاز به چرخش در دور مشخصی دارد تا فشار مورد نیاز را تولید کند و این در دورهای پایین‌تر موتور امکان‌پذیر نیست، زیرا سرعت گازهای خروجی برای چرخاندن پره توربین کافی نیست. بنابراین پس از رسیدن موتور به دور مشخصی، توربوشارژر وارد مدار می شود و می توان افزایش قدرت موتور را احساس کرد. به این تاخیر در عملکرد سیستم توربوشارژر لگ توربین می گویند.

۹- Waste Gate

Waste Gate دریچه ای است که به گازهای خروجی اضافی اجازه می دهد تا پره های توربین را دور بزنند. این امر به ویژه در توربوشارژرهایی از نوع شکل ثابت پره بسیار ضروری است تا سطح Boost توربین را جهت خرابی توربوشارژر کنترل کند.

۱۰- اینترکولر- عمل فشرده سازی هوا توسط سیستم توربوشارژ باعثگرم و منبسط شدن هوا می گردد و هدف از کاربرد سیستم توربوشارژ و بدست آوردن قدرت بیشتر موتور، این است که تعداد ملکولهای بیشتری از هوا وارد محفظه احتراق شوند نه لزوماً هوای گرم و منبسط شده.

در این مواقع استفاده از یک سیستم اینترکولر برای خنک کردن مجدد هوای فشرده شده ورودی به موتور ضروریست.

پیشرفت سیستم توربوشارژر

در سالهای اخیر بهینه سازی هایی جهت پیشرفت سیستم توربوشارژر انجام شده است مانند:

۱- توربوشارژرهای هندسه متغیر یا VGT

۲- توربوشارژرهای چند مرحله ای

۳- توربوشارژرهای اسکرول دوگانه

۴- توربوشارژرها با موتور الکتریکی

انواع توربوشارژرها

سینگل توربو :

توربوشارژرهای ساده (تکی) دارای تنوع زیادی هستند. متفاوت بودن اندازه کمپرسور و توربین ها منجر به دریافت ویژگی ها و مشخصات زیادی در توربوشارژ میشود.

توربوهای بزرگ قدرت زیادی را تولید می کنند ولی توربوهای کوچکتر سرعت بیشتر و صدای کمتری تولید می کنند.

مزایا:

هزینه های مقرون به صرفه.
ساده ترین گزینه های توربو شارژ برای نصب.
امکان استفاده از موتورهای تنفس طبیعی کوچکتر برای تولید قدرت هم اندازه موتورهای تنفس طبیعی بزرگتر، که اغلب می تواند وزن کلی را کاهش دهد.

معایب:

توربوهای تکی معمولاً محدوده RPM موثر نسبتاً محدودی دارند. این موضوع باعث محدودیت در مشخصات طراحی مشخصات فنی موتور میگردد.

Twin-Turbo:

مانند توربوشارژرهای تکی، هنگام استفاده از دو توربوشارژر، گزینه های زیادی برای طراحی وجود دارد. می‌توان از یک توربوشارژر برای دورهای پایین و از توربوشارژر بزرگ‌تر برای دورهای بالا استفاده کرد. حتی می توانید دو توربو با اندازه مشابه داشته باشید که یکی در دور پایین و هر دو در دورهای بالاتر استفاده می شود.

مزایا:

برای توربوهای دوقلوی موازی در موتورهای V شکل، مزایا بسیار شبیه به تنظیمات توربوی تکی است.
برای توربوهای متوالی یا استفاده از یک توربو در RPM پایین و هر دو در RPM بالا، این امکان را برای منحنی گشتاور موتور بسیار گسترده تر فراهم می کند.

معایب:

هزینه و پیچیدگی زیاد به دلیل دوبرابر شدن اجزای سیستم توربوشارژ.
روشهای سبکتر و کارآمدتری برای دستیابی به نتایج مشابه وجود دارد.

Twin-Scroll Turbo:

در این مدل یک توربو از گازهای خروجی تغذیه می‌شود که جهت چرخاندن پره‌های توربین هدایت می‌شوند و هوا را وارد موتور می‌کنند. بطور مثال در یک خودروی چهار سیلندر، می‌توانید سیلندرهای اول و چهارم را برای یک اسکرول و سیلندرهای دو و سه را با اسکرول دوم در نظر بگیرید. این بدان معنی است که همپوشانی پالس کمتر و تاخیر کمتری در پرخورانی موتور وجود دارد.

مزایا:

انرژی بیشتری به توربین اگزوز فرستاده می شود و این یعنی قدرت بیشتر برای موتور.
بر اساس طرح‌های مختلف اسکرول، دامنه وسیع‌تر RPM و افزایش مؤثرتر پرخورانی موتور امکان‌پذیر است.
همپوشانی بیشتر سوپاپ ها (valve overlapping)بدون ایجاد مانع در مسیر خروج گازها از سیلندر امکان پذیر است و این یعنی انعطاف پذیری در تنظیم بیشتر موتور. (Fine tunning)

معایب:

به طراحی موتور و طراحی اگزوز خاص و پیچیده نیازمند هستند.
هزینه و پیچیدگی بیشتر ساخت در مقابل توربوهای تکی.

توربوهای هندسه متغیر Variable Geometry Turbocharger (VGT)

توربوهای هندسه متغیر (VGT) راه حل گران قیمت و پیچیده ای است که به ویژه در موتورهای دیزلی رایج است. یک سیستم VGT دارای حلقه‌ای از پره‌های آیرودینامیکی شکل در محفظه توربین است که می‌تواند نسبت مساحت به شعاع خود را برای مطابقت با دورهای مختلف موتور تغییر دهد. در دورهای پایین، نسبت مساحت به شعاع فشار و سرعت بیشتری ایجاد می‌کند تا توربو را به‌طور مؤثرتری به‌ حرکت درآورد. در دورهای بالاتر، این نسبت افزایش می یابد تا هوای بیشتری وارد شود. در نتیجه دامنه افزایش دور بیشتر و تاخیر توربین کمتر است.

مزایا:

دارای منحنی گشتاور پهن و مسطح هستند.

یعنی ضریب تاثیر توربو در محدوده بیشتری از RPM موتور قرار دارد.

با یک مجموعه پره توربین محجدوده وسیع تری از عملکرد توربین را ارائه می دهد.

معایب:

معمولاً فقط در موتورهای دیزلی که سرعت گازهای خروجی کمتر است استفاده می شود تا پره ها در اثر حرارت آسیب نبینند.
برای موتورهای بنزینی، به دلیل لزوم استفاده از فلزات گرانبها خیلی مرسوم نیستند.

توربوهای اسکرول دوگانه متغیر

توربوی متغییر اسکرول دوگانه از ترکیب یک توربوی هندسه متغیر و یک توربوی اسکرول تشکیل شده است. بنابراین در دورهای کم، یکی از اسکرول‌ها کاملاً بسته می‌شود و تمام جریان هوا را به دیگری وارد می‌کند. با افزایش سرعت، دریچه ای باز می شود تا هوا به اسکرول دیگر اجازه ورود پیدا کند (این یک فرآیند کاملاً متغیر است، به این معنی که دریچه به تدریج باز می شود)، در این حالت عملکردی را از یک توربوی تکی به دست می آورید که معمولاً فقط از راه اندازی توربوی دوقلو می توانید به دست آورید.

مزایا :

به طور قابل توجهی ارزان تر (در تئوری) از توربوهای هندسه متغیر هستند بنابراین در بسیاری از موتورهای بنزینی استفاده میشوند.
دارای منحنی گشتاور مناسب و مسطح در تئوری هستند.
بسته به انتخاب جنس در طراحی، در مقابل توربوهای هندسه متغیر قوی تر هستند.

معایب:

هزینه و پیچیدگی بیشتر تولید در مقابل استفاده از یک توربو یا اسکرول دوقلو ساده.

توربوشارژرهای الکتریکی:

توربوهای الکتریکی اخیراً معرفی شده اند. این توربوها از نیروی تولید شده موتور برای عملکرد خود استفاده نمیکنند و بنابراین بار اضافی روی موتور وارد نمیکنند. همچنین به دلیل تنظیمات الکتریکی ایرادات ناشی از واماندگی توربین در آنها بهبود یافته است.

مزایا:

با اتصال مستقیم یک موتور الکتریکی به کمپرسور، ایراد تاخیر توربو و گازهای خروجی ناکافی را می توان بوسیله به حرکت درآوردن کمپرسور با نیروی الکتریکی رفع نمود.
با اتصال یک موتور الکتریکی به توربین اگزوز، انرژی تلف شده را می توان بازیافت کرد.
محدوده RPM موثر بسیار گسترده با گشتاور یکنواخت در سراسر محدوده عملکرد توربین.

معایب:

هزینه و پیچیدگی زیاد به دلیل اضافه شدن یک موتور الکتریکی و کنترلرهای آن و خنک نگه داشتن آن.

پیچیدگی شکل مجموعه و وزن.

دسترسی سرریع مرتبط: