6 نوع مختلف توربوشارژر (و نحوه کار آنها)
توربوشارژرها مانند سوپرشارژرها برای افزایش توان خروجی موتور احتراق داخلی با افزایش جریان هوا به موتور عمل می کنند.
اما توربوشارژر چیست؟ توربوشارژر چه زمانی اختراع شد؟ چند نوع توربوشارژر وجود دارد؟ بیایید به این سوالات و موارد دیگر پاسخ دهیم…
توربوشارژر چیست؟
توربوشارژرها نه توسط سیستم های محرک مکانیکی مانند سوپرشارژر، بلکه توسط جریان اگزوز موتور هدایت می شوند.
یک توربوشارژر از یک توربین روی یک شفت تشکیل شده است که مستقیماً به یک پروانه گریز از مرکز متصل است. گاز خروجی لوله شده به ورودی توربین باعث چرخش آن و حرکت پروانه گریز از مرکز می شود. این پروانه از نظر عملکرد مشابه پروانه های مورد استفاده در سوپرشارژرهای گریز از مرکز است.
هنگامی که نیروی موتور مورد نیاز است، سرعت موتور افزایش می‌یابد و افزایش جریان گاز خروجی باعث افزایش سرعت توربین می‌شود و سرعت پروانه را افزایش می‌دهد. این باعث افزایش جریان هوا به موتور می شود و آن را قادر می سازد تا قدرت بیشتری تولید کند.
6 نوع مختلف توربوشارژر (و نحوه کار آنها)
در حالی که یک سوپرشارژر معمولی همیشه با سرعتی کار می‌کند که مستقیماً به دور موتور (دور در دقیقه) مربوط می‌شود، توربوشارژر تمایل دارد با سرعتی مرتبط با توان خروجی موتور مطابق خواسته پای راست راننده کار کند.
قدرت بیشتر مورد نظر = جریان اگزوز بیشتر به توربو = افزایش سرعت پروانه = قدرت موتور بیشتر.
وقتی ماشین شما روی زمین هموار با سرعت ثابت حرکت می کند، تقویت کمی لازم است. توربوشارژر نسبتاً غیرفعال می شود، به نوعی در حال حرکت است و انرژی بسیار کمی مصرف می کند. این باعث افزایش مصرف سوخت می شود.
اما هنگامی که به برق نیاز دارید، برای مثال برای شتاب دادن به سطح شیب دار بزرگراه، به وفور روشن می شود. در یک سفر آزادراهی با سرعت کروز نسبتاً ثابت، خودروی شما در مقایسه با خودرویی با سوپرشارژر معمولی اقتصادی‌تر عمل می‌کند.
تاریخچه مختصر توربوشارژ
مانند توسعه سوپرشارژر، توربوشارژر نیز تقریباً به موازات توسعه موتور خودرو به زندگی تبدیل شد.
رودولف دیزل، توسعه دهنده موتور دیزل و گوتلیب دایملر هر دو در تلاش های اولیه توربوشارژ در اواخر دهه 1800 فعال بودند. اما این مهندس سوئیسی آلفرد بوچی بود که در سال 1905 اولین پتنت توربوشارژر را دریافت کرد.
تلاش‌های او منجر به اولین موتور دیزلی موفق توربوشارژ در سال 1915 شد. اما تنها در دهه 1950 بود که توربوشارژرها در تعداد زیادی برای کامیون‌های تجاری با موتور دیزلی و وسایل نقلیه خارج از جاده مورد استفاده قرار گرفتند.
مهندس جنرال الکتریک، سنفورد ماس، آزمایش موتور را در بالای قله پیکس انجام داد تا مزایای توربوشارژ برای موتورهای هواپیما در ارتفاع بالا را ثابت کند. تحت هدایت او، اولین هواپیمای توربوشارژر، یک هواپیمای دوباله لاپر، در سال 1920 آزمایش شد و در نهایت از ارتفاع 40000 پا فراتر رفت.
هواپیماهای نظامی قابل توجه جنگ جهانی دوم از توربوشارژرها برای انجام پروازهای فوق العاده در ارتفاع بالا استفاده می کردند. برای مثال B-17، B-29 و P-38 توربوشارژ شده بودند و صدها ماموریت را برای نیروهای متفقین انباشته کردند. بمب افکن B-36 پس از جنگ جهانی دوم همچنین دارای موتورهای رفت و برگشتی توربوشارژ بود که شش عدد از آنها بود.
در اواسط دهه 60، توربوشارژرها برای مدت کوتاهی در شورلت کورور و اولدزموبیل جت فایر ظاهر شدند. اما این برنامه ها موفقیت چشمگیری نداشتند.
در دهه 1970، توربوشارژ در چندین اتومبیل مسابقه فرمول 1 ظهور کرد و BMW یک ماشین خیابانی توربوشارژ به نام توربو 1974 2002 را معرفی کرد. سایر سازندگان اروپایی در آن دوره با توربوشارژرها آزمایش کردند، به ویژه پورشه و ساب.
- مشکلی به نام تاخیر توربو
- تاخیر بوست توربو
- توضیح ساده تاخیر توربو
نقص اصلی توربوشارژرها چیزی است که به آن تاخیر توربو می گویند. این ناشی از اینرسی قسمت های چرخان توربوشارژر است.
در هر موقعیتی که نیاز به نیرو باشد، این اینرسی در برابر شتاب توربین و پروانه مقاومت می کند و باعث تاخیر در افزایش توان مورد نظر از موتور می شود.
این رفتار به خصوص در مواقع اضطراری که نیاز به شتاب سریع است، آزاردهنده و نامطلوب است. به همین دلیل، بسیاری از خریداران خودرو از خرید خودرو با توربوشارژر اجتناب می کنند.
با استفاده از مهندسی متفکرانه، مشکلات تاخیر توربو با چندین موتور تک توربو به طور قابل توجهی به حداقل رسیده است. به عنوان مثال، موتور 2.5 لیتری در خودروهای توربو که توسط مزدا ساخته شده است، دارای یک توربو نزدیک نصب شده (بلافاصله در مجاورت درگاه های اگزوز) با ویژگی ورودی اگزوز با سطح متغیر است.
با استفاده از پورت های کوچک برای جریان اگزوز در دورهای پایین موتور، سرعت جریان تا حد زیادی افزایش می یابد و امکان افزایش سرعت توربین و افزایش بوست در دورهای پایین موتور را فراهم می کند. با افزایش سرعت موتور، پورت های محدود باز می شوند تا جریان کامل اگزوز به توربین جریان یابد. این ویژگی پاسخ توربو عالی را در سرعت های پایین ارائه می دهد که تاخیر توربو را به حداقل می رساند.
شماره 1 – تک توربو
تک توربوشارژر
مجرد طراحی e-turbo در بالا مورد بحث قرار گرفته است. این بحث نیازی به تکرار نیست، مگر اینکه توجه داشته باشیم که در بین انواع مختلف، این طرح مقرون به صرفه ترین است و اندازه آن پیکربندی آن را در فضای محدود زیر کاپوت اکثر خودروها آسان می کند.
امروزه بسیاری از خودروهای توربوشارژ از یک توربو استفاده می کنند. و ما دیدیم که چگونه یک تولید کننده به مشکل تاخیر حمله کرده و آن را حل کرده است. خودروهای تک توربو از مزدا، تویوتا، بی‌ام‌و، فولکس واگن و غیره موجود هستند.
شماره 2 – توربو دوقلو
توربوشارژر
آئودی R8 توئین توربو (اعتبار)
با پیروی از قانون اغلب مورد سوء استفاده، “اگر مقداری خوب است، بیشتر بهتر است”، توربوهای دوقلو به سادگی یک توربو دوم را به ترکیب اضافه می کنند.
در موتورهای با طراحی V (مانند V-6 و V-8)، یک توربو برای هر بانک سیلندر استفاده می شود. از آنجا که هر توربو نیمی از سیلندرهای موتور را کنترل می کند، هر کدام می توانند کوچکتر از یک توربو برای آن موتور باشند. توربوهای کوچکتر جرم چرخشی کمتری دارند و با سرعت بیشتری شتاب می گیرند و به حداقل رساندن تاخیر توربو کمک می کنند.
با این حال، طراحی و نصب دو توربو پیچیده تر از یک راه اندازی توربو است. لوله‌کشی پیچیده‌تر، اینترکولر اضافی و کنترل‌های پیچیده‌تر سیستم هم وزن و هم هزینه این سیستم را در مقابل توربو تکی افزایش می‌دهد. محدودیت‌های فضا نیز با توربوهای دوقلو به چالش کشیده می‌شوند.
چندین خودرو که امروزه دارای توربو دوقلو هستند عبارتند از آئودی R8، آلفارومئو کوادریفوگلیو، مازراتی گیبلی و نیسان GT-R.
شماره 3 – توربو اسکرول دوقلو
توربو اسکرول دوقلو
توربو دوقلو در تویوتا GR سوپرا 2021
توربوشارژر دوقلو دارای یک محفظه پروانه با ورودی برای هر یک از دو سیلندر جفت شده است. هر قسمت ورودی و پروانه مربوطه می تواند کوچکتر از آن چیزی باشد که در یک توربو معمولی وجود دارد.
سپس جریان اگزوز که به هر بخش پروانه هدایت می‌شود با سرعت بالاتری وارد می‌شود که باعث می‌شود در هنگام نیاز به نیرو، شتاب توربوی سریع‌تر شود. پیچیدگی سیستم دوباره برای جداسازی و انتقال جریان های اگزوز دو سیلندر مستقل به محفظه پروانه مورد نیاز است.
اسکرول پروانه و طراحی محفظه هر دو پیچیده تر هستند. پیچیدگی اضافه شده در اینجا هزینه و وزن کلی سیستم را افزایش می دهد. نیاز به فضای سیستم نیز بیشتر است. این نوع توربو معمولاً به موتورهای چهار سیلندر خطی یا V-6 محدود می شود.
توربوهای دوقلو اسکرول را می توان در تویوتا سوپرا GR 2.0 و 3.0 لیتری امروزی یافت.
شماره 4 – توربو هندسه متغیر (VGT)
VTG توربو متحرک
توربو هندسه متغیر مجموعه ای از پره های هندسی قابل تنظیم در ورودی توربین را در خود جای داده است. این پره‌ها که توسط PCM موتور (ماژول کنترل پیشرانه) کنترل می‌شوند، ناحیه ورودی توربو را تنظیم می‌کنند و آن ناحیه را در دور موتور پایین کوچک می‌کنند.
در دور موتور بالا پره ها باز می شوند تا سطح ورودی اگزوز افزایش یابد. این امر سرعت بهینه خروجی اگزوز به پروانه را برای هر دو دور موتور پایین و بالا امکان پذیر می کند و در نتیجه تاخیر توربو را به حداقل می رساند.
افزایش پیچیدگی و هزینه برای این سیستم دو نقطه ضعف اصلی است، اما با طراحی VGT تنها جریمه کوچکی برای اندازه و وزن وجود دارد.
برخی از مدل‌های پورشه از توربوهای هندسی متغیر استفاده می‌کردند، از جمله 911 توربو در سال 2007 و مدل‌های Boxster و Cayman S.
شماره 5 – توربو پیمایش دوقلو متغیر
توربو اسکرول دوقلو متغیر
این پیکربندی از مزایای ورودی پیمایش دوقلو برخوردار است اما رویکرد متفاوتی به هندسه متغیر دارد.
ویژگی هندسه متغیر در لوله کشی گاز اگزوز قرار دارد. جریان اگزوز به هر اسکرول توسط یک پره قابل تنظیم کنترل می شود. در سرعت های پایین موتور، این پره تمام جریان را فقط به یکی از دو پورت ورودی اسکرول هدایت می کند. این باعث می شود جریان کم با سرعت بیشتری وارد پروانه شود و سرعت پروانه را افزایش دهد.
با افزایش RPM موتور و افزایش جریان اگزوز، پره متغیر باز می شود تا جریان بیشتری به ورودی اسکرول دوم وارد شود. در سرعت های بالا موتور جریان کامل به هر دو ورودی اسکرول دوقلو هدایت می شود.
پیچیدگی، هزینه و وزن برای این نوع سیستم افزایش می یابد. به همین دلیل این سطح از پیچیدگی فقط در وسایل نقلیه ای استفاده می شود که قیمت خرید بالاتری دارند.
شماره 6 – توربو با کمک الکتریکی
توربو برقی
سوپرشارژرهای برقی در مقاله ذکر شده در بالا مورد بحث قرار گرفتند. به همین ترتیب، یک موتور الکتریکی نیز می تواند برای هر یک از تنظیمات توربو فوق اعمال شود.
این موتور که توسط PCM کنترل می‌شود، برای افزایش سرعت توربو در صورت لزوم عمل می‌کند و زمانی که سرعت موتور و جریان اگزوز کم است، افزایش می‌دهد. این به طور موثر تاخیر توربو را از بین می برد.
موتور الکتریکی مورد استفاده برای این کاربرد باید طرحی باشد که بتواند دماهای بسیار بالای همراه با توربوشارژر را تحمل کند. و در اینجا نیز افزایش هزینه، وزن و پیچیدگی از معایب این سیستم است.
دوام موتور و توربو
خودروهای توربوشارژ اولیه از مشکلات دوام موتور رنج می بردند. شایان ذکر است، سوپاپ‌های اگزوز و صندلی‌های سوپاپ به دلیل دمای بالا ناشی از جریان اگزوز دچار سوختگی و شکست زودرس شدند.
مسئله اینجاست که اگزوز مانند موتورهای غیر توربو آزادانه از طریق سیستم توربوشارژر جریان نمی یابد. محدودیت جریان اگزوز دمای هوا را به شدت افزایش می دهد
اجزای موتور تاخیری توسعه مواد صندلی سوپاپ بهبود یافته و سوپاپ های خنک شونده با سدیم تا حد زیادی این ضعف خاص در این موتورها را کاهش داده است.
دوام توربوشارژر نیز به دلیل کمبود یاتاقان‌های شفت توربو محدود بود. در درجه اول، دمای بالا در داخل یک توربو باعث شد که روغن‌های موجود در آن زمان رسوبات کربنی سخت (به نام کک) در یاتاقان‌های محور توربین تشکیل دهند. عملکرد ضعیف به دلیل این مشکل منجر به نیاز به حذف و تعمیر مکرر توربو شد.
توسعه توربوشارژر توسعه روان کننده هایی را تشویق کرد که بتوانند دماهای بالاتر را تحمل کنند. به ویژه، روغن‌های موتور مصنوعی به همراه استفاده تقریباً جهانی امروزی از خنک‌کننده‌های روغن موتور، با این چالش مواجه شده‌اند و به حل مشکلات دوام یاتاقان شفت توربو کمک می‌کنند.
تلفیق تزریق مستقیم سوخت به موتورهای خودرو نیز به تکامل توربو کمک زیادی کرده است. برخی از مدل‌های خودروهای توربوشارژ امروزی آنقدر پیشرفته هستند که می‌توانند با سوخت معمولی با اکتان پایین کاملاً خوب عمل کنند در حالی که فقط مقدار متوسطی از گشتاور و اسب بخار را قربانی می‌کنند. زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها نیز به بهبود عملکرد و راندمان سوخت برای این موتورها افزوده است.
امروزه تقریباً هر خودروسازی یک یا چند مدل خودرو با یک و اغلب دو توربوشارژر به فروش می رساند. مزایای آن ساده است. این خودروها را می‌توان با موتورهای کوچکتر در محدوده 1.5 تا 3.0 لیتر ساخت که سبک‌تر و کارآمدتر از موتورهای بزرگ‌تر هستند اما به دلیل مزایای توربوشارژ از نظر قدرت برابر هستند.
تردیدی وجود ندارد که توربوشارژر اینجا بماند و در بسیاری از موتورهای خودروهای آینده نیز دیده شود.
مطالب مرتبط :