توربوشارژرها
هنگامي که مردم در مورد خودروهاي مسابقه اي و يا خودروهاي ورزشي با کيفيت صحبت مي کنند ( و از آن جمله است خودروهاي فرمول يک)، خواه نا خواه صحبت از توربوشارژر هم به ميان مي آيد. رد اين توربوشارژر را همچنين مي توان در خودروهاي ديزلي بزرگ هم مشاهده کرد.
تازه گي ها مي توان خودروهاي سواري زيادي را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه اي از آنها نصب شده است.
توربوشارژر وسيله اي است که مي تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهي افزايش دهد، قدرت موتور را بسيار بالا ببرد و به همين دليل است که از چنين محبوبيت گسترده اي برخوردار است!
در اينجا قصد داريم بفهميم که توربوشارژر چگونه مي تواند بدون آنکه تغيير چنداني در وضعيت فيزيکي موتور ايجاد کند، قدرت را به مقدار بسيار زيادي افزايش دهد. هم چنين خواهيم ديد دريچه هاي خروجي، پره هاي سراميکي توربين، مجراهاي عبور گاز چگونه کارآيي سوپر شارژر را بهبود مي بخشند.
توربوشارژر چيست؟
توربوشارژر نوعي سيستم دمنده است که هوا را با فشار زياد به درون سيلندر مي دمد. همان طور که مي دانيد، هنگامي که پيستون در حالت عکسش قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور ديزلي، هوا) را به درون سيلندر مي مکد. هر چه فشار هوا بيشتر باشد مقدار مولکولهاي هوا بيشتر خواهد بود، و باتبع مخلوط هوا و سوخت بيشتري در سيلندر جاي خواهد گرفت. هر چه سوخت بيشتر باشد، قدرت ناشي از احتراق هم بيشتر خواهد بود.
بدين ترتيب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بيشتري نسبت به موتور معمولي توليد مي کند. توربوشارژر به سادگي مي تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، يعني با قدرت مساوي، خودروي مجهز به توربو شارژر از موتوري با وزن و حجم کمتر سود مي برد، در نتيجه حجم و وزن خودرو نيز کمتر مي شود و اين بدان معني است که شتاب خودروي مجهز به توربوشارژر بيشتر است و سريع تر به سرعت مناسب دست پيدا مي کند.
اما توربوشارژر قدرت لازم براي فشرده کردن هواي ورودي را از کجا تأمين مي کند؟ در نوع ابتدايي توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نياز از ميل لنگ گرفته مي شد، يعني بخشي از توان توليدي خودرو صرف فشرده سازي هواي ورودي مي شد.
ولي در نوع پيشرفته تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجي اگزوز استفاده مي شود. گازهاي خروجي اگزوز داغ هستند و مي توان از انرژي جنبشي، سرعت و فشار آنها براي چرخاندن يک توربين استفاده کرد. اين توربين هم يک پمپ هوا را مي گرداند و در نهايت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سيلندر مي فرستد. توربين نصب شده در مسير گازهاي خروجي گاه به سرعت 150 هزار دور در دقيقه مي رسد که بيش از 30 بار سريع ر از دور موتور اغلب خودروهاي امروزي است.
دماي اين توربين هم به دليل تماس با گازهاي داغ خروجي بسيار بالاست. اين دو عامل موجب مي شوند توربين از فناوري پيشرفته اي برخوردار باشد تا بتواند کارآيي و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند.
يک نگاه آماري
توربوشارژرهاي رايج مي توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کيلوپاسکال بيشتر از هواي محيط برسانند. از آنجايي که فشار هواي سطح دريا 100
کيلوپاسکال است، مشخص مي شود که توربوشارژر تقريباً 50% هواي بيشتر وارد سيلندر مي کند. بنابراين انتظار مي رود که قدرت هم تا پنجاه درصد افزايش يابد. ولي به دليل برخي تلفات، اين افزايش قدرت بين 30 تا 40 درصد خواهد بود.
يکي از دلايل اين اتلاف به اين موضوع باز مي گردد که کار مورد نياز توربوشارژر رايگان نيست. هنگامي که گاز خروجي اگزوز توربين را مي چرخاند، بدان معني است که مقاومتي در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پيستون بايد فشار بيشتري اعمال کند تا گاز تخليه شود و اين، بخشي از قدرت موتور را مصرف مي کند.
يکي ديگر از مزاياي توربوشارژر، قابليت بهبود کارکرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات، فشار هوا کمتر است و در نتيجه هواي کمتري در سيلندر وارد مي شود. خودروهاي معمولي در چنين ارتفاعاتي با کاهش قدرت مواجه مي شوند، ولي خودروهاي مجهز به توربوشارژر عليرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه مي شوند، ولي مقدار اين کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم براي فشرده کردن گاز رقيق کمتر است!
پره، ميل محور، پره
همان طور که اشاره شد، يک توربوشارژر معمولي از يک توربين، يک ميل محور (شافت) و يک کمپرسور تشکيل شده است. مجراي گاز خروجي اگزوز معمولا به گونه اي طراحي مي شود که گاز داراي بيشترين سرعت و دماي ممکن باشد. پره هاي توربين با طراحي خاص مي توانند به گردش 150 هزار دور در دقيقه دست پيدا کنند، ولي انتقال چنين گردشي به کمپرسور کار ساده اي نيست.
ميل محوري که پروانه توربين را به پره هاي کمپرسور متصل مي کند، بايد داراي پايداري بسيار بالايي باشد. اغلب ميل محورهاي معمولي در چنين سرعت بالايي منفجر مي شوند، زيرا هم دماي ميله بسيار بالا مي رود، هم اندکي ناجابه جايي و عدم تعادل در نصب ميل محور کافي است تا در اين سرعت، ميل محور به بيرون پرتاب شود.
از اين رو از ياتاقانهاي روغني براي مهار ميل محور در توربوشارژر استفاده مي شود.
در چنين ياتاقانهايي، لايه نازکي از روغن اطراف ميل محور را مي پوشاند و بدين ترتيب، هم ميل محور را خنک مي کند و هم اصطکاک هاي احتمالي را به حداقل مي رساند.
پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در مي آيد. کمپرسور همانند يک پمپ سانتريفوژ عمل مي کند، بدين ترتيب که هوا را از مرکز به گردش در مي آورد و در نهايت هواي فشرده شده را از حفره تعبيه شده در محيط خارج به بيرون ميدمد.
محدوديت هاي توربوشارژر
الف- فشار
فشار حداکثر درون سيلندر نبايد از يک مقدار مجاز بيشتر شود. هنگامي که مخلوط هوا و سوخت در سيلندر يک خودروي بنزيني متراکم مي شود، دماي آن نيز همراه با فشار افزايش خواهد يافت. فشار بيش از اندازه به ديواره هاي سيلندر، سرسيلندر و حتي پيستون و ميل لنگ موجب کاهش عمر مفيد آنها مي شود.
اما افزايش دما اثري به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصي بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت مي توانند پيش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدين ترتيب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال مي شود، که ضربه ناشي از احتراق مي تواند آسيب هاي جدي به موتور وارد آورد. از اين رو برخي با کاهش دادن نسبت تراکم سيلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه مي دارند. البته برخي ديگر سوختي با اکتان بالاتر را براي موتور پيشهاد مي دهند.
ب- زمان تأخير:
يکي از مهم ترين مشکلات توربوشارژر اين است که نمي توانند افزايش قدرت را به طور ناگهاني اعمال کنند. هنگامي که به پدال گاز فشار مي آوريد، حدودا يک ثانيه طول مي کشد تا توربين به سرعت لازم دست پيدا کند و افزايش قدرت اعمال شود. بنابراين افزايش قدرت با کمي تأخير حاصل مي شود. يکي از روش هاي کاستن اين زمان تأخير، پايين آوردن اينرسي قطعات است که معمولاً از طريق سبک کردن قطعات بدست مي آيد؛ بدين ترتيب توربين و پمپ سريع تر شتاب مي گيرند و قدرت سريع تر اعمال مي شود.
ج- اندازه توربوشارژر:
اندازه توربوشارژر هم مزايا و معايبي به همراه دارد. هر چه توربوشارژر کوچکتر باشد، زمان تأخير کمتري دارد و سريع تر قدرت را اعمال مي کند، ولي در سرعت هاي بسيار بالا که بايد حجم زيادي هوا را وارد سيلندر کند، کم توان و گاه خطرناک ظاهر مي شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ مي تواند به خوبي از عهده پمپ کردن حجم زياد هوا برآيد، ولي زمان تأخير آن بيشتر خواهد بود.
خوشبختانه راه حل هاي جالبي براي مقابله با اين مشکلات پيشنهاد شده است که به برخي از آنها اشاره مي کنيم.
- دريچه اگزوز (wastegate)
بسياري از خودروهاي توربوشارژردار از يک يا چند دريچه کمکي در مجراي اگزوز سود مي برند که آنها را قادر مي سازد از توربوشارژرهاي کوچک استفاده کنند. هنگامي که سرعت خودرو بسيار بالا مي رود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزايش مي يابد، اين خطر وجود دارد که توربين با سرعت بسيار بالاتري بگردد. از اين دريچه ها باز مي شوند و بخشي از اگزوز بدون آنکه از توربين عبور کند، از موتور خارج مي شود. اين چنين سرعت دوران توربين در سرعت هاي بالا هم در حد مجاز باقي مي ماند.
- ياتاقانهاي ساچمه اي
در اين ياتاقانها، از ساچمه هاي بسيار پيشرفته اي استفاده شده که از مواد بسيار پيشرفته و با فناوري فرا دقيق ساخته شده اند.
اين ياتاقانها موجب مي شوند ميل محور با اصطکاک کمتري نسبت به ياتاقانهاي روغني که در اغلب نمونه ها استفاده مي شود، بگردد؛ ضمن آنکه موجب مي شود بتوان از ميل محورهاي کوچکتر و سبکتري هم بتوان استفاده کرد. اين چنين ميل محور سريع تر شتاب مي گيرد و زمان تأخير کاهش مي يابد.
- پره هاي سراميکي توربين:
سراميک، دسته اي از مواد هستند که استحکام خوبي دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبک ترند. استفاده از اين پره ها به جاي پره هاي فلزي دو مزيت دارد، نخست آنکه با سبک تر کردن توربين ، زمان تأخير را کاهش مي دهد و دوم، چون بر همکنش با مواد خوزنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را براي مدت ها حفظ مي کند و مانند پره فلزي خورده نمي شود.
- خنک کننده داخلي (intercooler)
هنگامي که توربوشارژر هوا را فشرده مي کند، خواه نا خواه دماي هوا نيز افزايش مي يابد. اين افزايش دما جداي از تأثير مخرب بر حداکثر فشار درون سيلندر، موجب مي شود مولکولهاي هوا کمتر از آن مقداري باشند که در طراحي خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از يک خنک کننده استفاده مي شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دماي آن به مقدار قابل توجهي کاهش يابد. بدين ترتيب مي توان با اطمينان خاطر و بدون نگران بودن از پيش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر رساند.
تازه گي ها مي توان خودروهاي سواري زيادي را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه اي از آنها نصب شده است.
توربوشارژر وسيله اي است که مي تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهي افزايش دهد، قدرت موتور را بسيار بالا ببرد و به همين دليل است که از چنين محبوبيت گسترده اي برخوردار است!
در اينجا قصد داريم بفهميم که توربوشارژر چگونه مي تواند بدون آنکه تغيير چنداني در وضعيت فيزيکي موتور ايجاد کند، قدرت را به مقدار بسيار زيادي افزايش دهد. هم چنين خواهيم ديد دريچه هاي خروجي، پره هاي سراميکي توربين، مجراهاي عبور گاز چگونه کارآيي سوپر شارژر را بهبود مي بخشند.
توربوشارژر چيست؟
توربوشارژر نوعي سيستم دمنده است که هوا را با فشار زياد به درون سيلندر مي دمد. همان طور که مي دانيد، هنگامي که پيستون در حالت عکسش قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور ديزلي، هوا) را به درون سيلندر مي مکد. هر چه فشار هوا بيشتر باشد مقدار مولکولهاي هوا بيشتر خواهد بود، و باتبع مخلوط هوا و سوخت بيشتري در سيلندر جاي خواهد گرفت. هر چه سوخت بيشتر باشد، قدرت ناشي از احتراق هم بيشتر خواهد بود.
بدين ترتيب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بيشتري نسبت به موتور معمولي توليد مي کند. توربوشارژر به سادگي مي تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، يعني با قدرت مساوي، خودروي مجهز به توربو شارژر از موتوري با وزن و حجم کمتر سود مي برد، در نتيجه حجم و وزن خودرو نيز کمتر مي شود و اين بدان معني است که شتاب خودروي مجهز به توربوشارژر بيشتر است و سريع تر به سرعت مناسب دست پيدا مي کند.
اما توربوشارژر قدرت لازم براي فشرده کردن هواي ورودي را از کجا تأمين مي کند؟ در نوع ابتدايي توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نياز از ميل لنگ گرفته مي شد، يعني بخشي از توان توليدي خودرو صرف فشرده سازي هواي ورودي مي شد.
ولي در نوع پيشرفته تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجي اگزوز استفاده مي شود. گازهاي خروجي اگزوز داغ هستند و مي توان از انرژي جنبشي، سرعت و فشار آنها براي چرخاندن يک توربين استفاده کرد. اين توربين هم يک پمپ هوا را مي گرداند و در نهايت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سيلندر مي فرستد. توربين نصب شده در مسير گازهاي خروجي گاه به سرعت 150 هزار دور در دقيقه مي رسد که بيش از 30 بار سريع ر از دور موتور اغلب خودروهاي امروزي است.
دماي اين توربين هم به دليل تماس با گازهاي داغ خروجي بسيار بالاست. اين دو عامل موجب مي شوند توربين از فناوري پيشرفته اي برخوردار باشد تا بتواند کارآيي و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند.
يک نگاه آماري
توربوشارژرهاي رايج مي توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کيلوپاسکال بيشتر از هواي محيط برسانند. از آنجايي که فشار هواي سطح دريا 100
کيلوپاسکال است، مشخص مي شود که توربوشارژر تقريباً 50% هواي بيشتر وارد سيلندر مي کند. بنابراين انتظار مي رود که قدرت هم تا پنجاه درصد افزايش يابد. ولي به دليل برخي تلفات، اين افزايش قدرت بين 30 تا 40 درصد خواهد بود.
يکي از دلايل اين اتلاف به اين موضوع باز مي گردد که کار مورد نياز توربوشارژر رايگان نيست. هنگامي که گاز خروجي اگزوز توربين را مي چرخاند، بدان معني است که مقاومتي در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پيستون بايد فشار بيشتري اعمال کند تا گاز تخليه شود و اين، بخشي از قدرت موتور را مصرف مي کند.
يکي ديگر از مزاياي توربوشارژر، قابليت بهبود کارکرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات، فشار هوا کمتر است و در نتيجه هواي کمتري در سيلندر وارد مي شود. خودروهاي معمولي در چنين ارتفاعاتي با کاهش قدرت مواجه مي شوند، ولي خودروهاي مجهز به توربوشارژر عليرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه مي شوند، ولي مقدار اين کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم براي فشرده کردن گاز رقيق کمتر است!
پره، ميل محور، پره
همان طور که اشاره شد، يک توربوشارژر معمولي از يک توربين، يک ميل محور (شافت) و يک کمپرسور تشکيل شده است. مجراي گاز خروجي اگزوز معمولا به گونه اي طراحي مي شود که گاز داراي بيشترين سرعت و دماي ممکن باشد. پره هاي توربين با طراحي خاص مي توانند به گردش 150 هزار دور در دقيقه دست پيدا کنند، ولي انتقال چنين گردشي به کمپرسور کار ساده اي نيست.
ميل محوري که پروانه توربين را به پره هاي کمپرسور متصل مي کند، بايد داراي پايداري بسيار بالايي باشد. اغلب ميل محورهاي معمولي در چنين سرعت بالايي منفجر مي شوند، زيرا هم دماي ميله بسيار بالا مي رود، هم اندکي ناجابه جايي و عدم تعادل در نصب ميل محور کافي است تا در اين سرعت، ميل محور به بيرون پرتاب شود.
از اين رو از ياتاقانهاي روغني براي مهار ميل محور در توربوشارژر استفاده مي شود.
در چنين ياتاقانهايي، لايه نازکي از روغن اطراف ميل محور را مي پوشاند و بدين ترتيب، هم ميل محور را خنک مي کند و هم اصطکاک هاي احتمالي را به حداقل مي رساند.
پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در مي آيد. کمپرسور همانند يک پمپ سانتريفوژ عمل مي کند، بدين ترتيب که هوا را از مرکز به گردش در مي آورد و در نهايت هواي فشرده شده را از حفره تعبيه شده در محيط خارج به بيرون ميدمد.
محدوديت هاي توربوشارژر
الف- فشار
فشار حداکثر درون سيلندر نبايد از يک مقدار مجاز بيشتر شود. هنگامي که مخلوط هوا و سوخت در سيلندر يک خودروي بنزيني متراکم مي شود، دماي آن نيز همراه با فشار افزايش خواهد يافت. فشار بيش از اندازه به ديواره هاي سيلندر، سرسيلندر و حتي پيستون و ميل لنگ موجب کاهش عمر مفيد آنها مي شود.
اما افزايش دما اثري به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصي بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت مي توانند پيش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدين ترتيب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال مي شود، که ضربه ناشي از احتراق مي تواند آسيب هاي جدي به موتور وارد آورد. از اين رو برخي با کاهش دادن نسبت تراکم سيلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه مي دارند. البته برخي ديگر سوختي با اکتان بالاتر را براي موتور پيشهاد مي دهند.
ب- زمان تأخير:
يکي از مهم ترين مشکلات توربوشارژر اين است که نمي توانند افزايش قدرت را به طور ناگهاني اعمال کنند. هنگامي که به پدال گاز فشار مي آوريد، حدودا يک ثانيه طول مي کشد تا توربين به سرعت لازم دست پيدا کند و افزايش قدرت اعمال شود. بنابراين افزايش قدرت با کمي تأخير حاصل مي شود. يکي از روش هاي کاستن اين زمان تأخير، پايين آوردن اينرسي قطعات است که معمولاً از طريق سبک کردن قطعات بدست مي آيد؛ بدين ترتيب توربين و پمپ سريع تر شتاب مي گيرند و قدرت سريع تر اعمال مي شود.
ج- اندازه توربوشارژر:
اندازه توربوشارژر هم مزايا و معايبي به همراه دارد. هر چه توربوشارژر کوچکتر باشد، زمان تأخير کمتري دارد و سريع تر قدرت را اعمال مي کند، ولي در سرعت هاي بسيار بالا که بايد حجم زيادي هوا را وارد سيلندر کند، کم توان و گاه خطرناک ظاهر مي شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ مي تواند به خوبي از عهده پمپ کردن حجم زياد هوا برآيد، ولي زمان تأخير آن بيشتر خواهد بود.
خوشبختانه راه حل هاي جالبي براي مقابله با اين مشکلات پيشنهاد شده است که به برخي از آنها اشاره مي کنيم.
- دريچه اگزوز (wastegate)
بسياري از خودروهاي توربوشارژردار از يک يا چند دريچه کمکي در مجراي اگزوز سود مي برند که آنها را قادر مي سازد از توربوشارژرهاي کوچک استفاده کنند. هنگامي که سرعت خودرو بسيار بالا مي رود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزايش مي يابد، اين خطر وجود دارد که توربين با سرعت بسيار بالاتري بگردد. از اين دريچه ها باز مي شوند و بخشي از اگزوز بدون آنکه از توربين عبور کند، از موتور خارج مي شود. اين چنين سرعت دوران توربين در سرعت هاي بالا هم در حد مجاز باقي مي ماند.
- ياتاقانهاي ساچمه اي
در اين ياتاقانها، از ساچمه هاي بسيار پيشرفته اي استفاده شده که از مواد بسيار پيشرفته و با فناوري فرا دقيق ساخته شده اند.
اين ياتاقانها موجب مي شوند ميل محور با اصطکاک کمتري نسبت به ياتاقانهاي روغني که در اغلب نمونه ها استفاده مي شود، بگردد؛ ضمن آنکه موجب مي شود بتوان از ميل محورهاي کوچکتر و سبکتري هم بتوان استفاده کرد. اين چنين ميل محور سريع تر شتاب مي گيرد و زمان تأخير کاهش مي يابد.
- پره هاي سراميکي توربين:
سراميک، دسته اي از مواد هستند که استحکام خوبي دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبک ترند. استفاده از اين پره ها به جاي پره هاي فلزي دو مزيت دارد، نخست آنکه با سبک تر کردن توربين ، زمان تأخير را کاهش مي دهد و دوم، چون بر همکنش با مواد خوزنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را براي مدت ها حفظ مي کند و مانند پره فلزي خورده نمي شود.
- خنک کننده داخلي (intercooler)
هنگامي که توربوشارژر هوا را فشرده مي کند، خواه نا خواه دماي هوا نيز افزايش مي يابد. اين افزايش دما جداي از تأثير مخرب بر حداکثر فشار درون سيلندر، موجب مي شود مولکولهاي هوا کمتر از آن مقداري باشند که در طراحي خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از يک خنک کننده استفاده مي شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دماي آن به مقدار قابل توجهي کاهش يابد. بدين ترتيب مي توان با اطمينان خاطر و بدون نگران بودن از پيش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر رساند.
+ نوشته شده در سه شنبه ششم اسفند 1387ساعت 23:59 توسط سيد محمد قاسمي
|
