سوپر شارژر و توربو شارژر (1)

مقاله حاضر به توربوشارژ و توربوشارژ كردن و سوپر شارژر كردن سوموتورهاي درونسوز مي‌پردازد و اصول كار را بيان مي‌كند. توربوشارژ قابليت راندن و عملكرد خودرو را تغيير مي‌دهد و به فرايندي گفته مي‌شود كه طي آن با استفاده از انرژي گازهاي خروجي اگزوز، هوا متراكم و به داخل سيلندر هدايت مي‌شود. اجزاي اصلي يك توربوشارژ شامل توربين، كمپرسور، اينتركولر (inter cooler) يا افتركولر (after cooler) و كنترلرهاست. اولين حق امتياز اين دستگاه در سال 1905 و به نام دكتر آلفرد بوچي ثبت شده است.

خلاصه:

در موتورهاي ديزل ـ به غير از انواع كوچك آن ـ توربوشارژ يكي از اجزاي لاينفك است كه موجب افزايش نسبت توان به وزن، حجم و هزينه نهايي مي‌شود. از جمله مزاياي ديگر توربوشارژ كردن در موتورهاي ديزل، كاهش دودزايي و صداست.
در گذشته تنها موتورهاي بنزيني توربوشارژ شده، موتورهاي پيستوني هواپيما و بعد از آن خودروهاي مخصوص مسابقه بودند. با استفاده از توربوشارژ، مقدار توان توليدي موتور هواپيما در سطح دريا تا ارتفاعات بالا حفظ مي‌شود و امكان استفاده از موتور كوچكتر فراهم مي‌آيد. توان خودروهاي مسابقه نيز با توربوشارژ كردن به طور چشمگيري افزايش مي‌يابد. به عنوان مثال مي‌توان از يك موتور بنزيني با حجم CC 1500 بيش از 500 KW توان دريافت كرد. بعدها توربوشارژدر خودروهاي سواري متداول نيز به كار گرفته شد و استفاده از آن گسترش يافت؛ به طوري كه در اواخر دهه 80 ميلادي حدود 20 درصد از انواع خودروهاي اروپايي از آن بهره مي‌بردند و علت اصلي آن نيز افزايش هزينه سوخت (بنزين) بود.
يك موتور بنزيني توربوشارژ شده نسبتاً كم حجم مي‌تواند ضمن صرفه‌جويي در مصرف سوخت، توان و گشتاور بالاي يك موتور داراي مكش عادي ولي با حجم زياد را ايجاد كند. براي آشنايي هرچه بيشتر با توربوشارژ در ادامه به مفاهيم اساسي سوپرشارژ كردن، توربوشارژ كردن، خنك كردن شارژ و موتور مركب پرداخته مي‌شود.

 سوپر شارژر و توربو شارژر:

توربوشارژر وسیله‌ای است که می‌تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهی افزایش دهد، قدرت موتور را بسیار بالا ببرد و به همین دلیل است که از چنین محبوبیت گسترده‌ای برخوردار است! در اینجا قصد داریم بفهمیم که توربوشارژر چگونه می‌تواند بدون آنکه تغییر چندانی در وضعیت فیزیکی موتور ایجاد کند، قدرت را به مقدار بسیار زیادی افزایش دهد. همچنین خواهیم دید دریچه‌های خروجی، پره‌های سرامیکی توربین، مجراهای عبور گاز چگونه کارآیی سوپر شارژر را بهبود می بخشند.
رد این توربوشارژر را همچنین می توان در خودروهای دیزلی بزرگ هم مشاهده کرد. امروزه می‌توان خودروهای سواری زیادی را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه‌ای از آنها نصب شده است.
توربوشارژر وسیله‌ای است که می‌تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهی افزایش دهد، قدرت موتور را بسیار بالا ببرد و به همین دلیل است که از چنین محبوبیت گسترده‌ای برخوردار است! در اینجا قصد داریم بفهمیم که توربوشارژر چگونه می‌تواند بدون آنکه تغییر چندانی در وضعیت فیزیکی موتور ایجاد کند، قدرت را به مقدار بسیار زیادی افزایش دهد. همچنین خواهیم دید دریچه‌های خروجی، پره‌های سرامیکی توربین، مجراهای عبور گاز چگونه کارآیی سوپر شارژر را بهبود می بخشند.

توربوشارژر چیست؟

توربوشارژر نوعی سیستم دمنده است که هوا را با فشار زیاد به درون سیلندر می‌دمد. هنگامی که پیستون در حالت عکس قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور دیزلی، هوا) را به درون سیلندر می‌مکد. هر چه فشار هوا بیشتر باشد مقدار مولکولهای هوا بیشتر خواهد بود، و بالتبع مخلوط هوا و سوخت بیشتری در سیلندر جای خواهد گرفت. هر چه سوخت بیشتر باشد، قدرت ناشی از احتراق هم بیشتر خواهد بود.
بدین ترتیب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بیشتری نسبت به موتور معمولی تولید می‌کند. توربوشارژر به سادگی می‌تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، یعنی با قدرت مساوی خودروی مجهز به توربو شارژر از موتوری با وزن و حجم کمتر سود می‌برد، در نتیجه حجم و وزن خودرو نیز کمتر می‌شود و این بدان معنی است که شتاب خودروی مجهز به توربوشارژر بیشتر است و سریع‌تر به سرعت مناسب دست پیدا می‌کند.

توربوشارژر قدرت لازم برای فشرده کردن هوای ورودی را از کجا تأمین می‌کند؟

در نوع ابتدایی توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نیاز از میل لنگ گرفته می‌شد، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو صرف فشرده سازی هوای ورودی می شد. ولی در نوع پیشرفته‌تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجی اگزوز استفاده می‌شود. گازهای خروجی اگزوز داغ هستند و می‌توان از انرژی جنبشی، سرعت و فشار آنها برای چرخاندن یک توربین استفاده کرد. این توربین هم یک پمپ هوا را می‌گرداند و در نهایت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سیلندر می‌فرستد. توربین نصب شده در مسیر گازهای خروجی گاه به سرعت 150 هزار دور در دقیقه می رسد که بیش از 30 بار سریع‌تر از دور موتور اغلب خودروهای امروزی است.
دمای این توربین هم به دلیل تماس با گازهای داغ خروجی بسیار بالاست. این دو عامل موجب می‌شوند توربین از فناوری پیشرفته‌ای برخوردار باشد تا بتواند کارآیی و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند.
یک نگاه آماری: توربوشارژرهای رایج می‌توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کیلوپاسکال بیشتر از هوای محیط برسانند. از آنجایی که فشار هوای سطح دریا 100 کیلوپاسکال است، مشخص می‌شود که توربوشارژر تقریباً 50 درصد هوای بیشتر وارد سیلندر می‌کند. بنابراین انتظار می‌رود که قدرت هم تا پنجاه درصد افزایش یابد. ولی به دلیل برخی تلفات، این افزایش قدرت بین 30 تا 40 درصد خواهد بود. یکی از دلایل این اتلاف به این موضوع باز می‌گردد که کار مورد نیاز توربوشارژر رایگان نیست. هنگامی که گاز خروجی اگزوز توربین را می‌چرخاند، بدان معنی است که مقاومتی در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پیستون باید فشار بیشتری اعمال کند تا گاز تخلیه شود و این، بخشی از قدرت موتور را مصرف می‌کند.
یکی دیگر از مزایای توربوشارژر، قابلیت بهبود کارکرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات، فشار هوا کمتر است و در نتیجه هوای کمتری در سیلندر وارد می‌شود. خودروهای معمولی در چنین ارتفاعاتی با کاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی خودروهای مجهز به توربوشارژر علیرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی مقدار این کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم برای فشرده کردن گاز رقیق کمتر است!
همان طور که اشاره شد، یک توربوشارژر معمولی از یک توربین، یک میل محور (شافت) و یک کمپرسور تشکیل شده است. مجرای گاز خروجی اگزوز معمولا به گونه ای طراحی می‌شود که گاز دارای بیشترین سرعت و دمای ممکن باشد. پره‌های توربین با طراحی خاص می‌توانند به گردش 150 هزار دور در دقیقه دست پیدا کنند، ولی انتقال چنین گردشی به کمپرسور کار ساده‌ای نیست. میل محوری که پروانه توربین را به پره‌های کمپرسور متصل می‌کند، باید دارای پایداری بسیار بالایی باشد. اغلب میل محورهای معمولی در چنین سرعت بالایی منفجر می‌شوند، زیرا هم دمای میله بسیار بالا می‌رود، هم اندکی جابه‌جایی و عدم تعادل در نصب میل محور کافی است تا در این سرعت، میل محور به بیرون پرتاب شود. از این رو از یاتاقانهای روغنی برای مهار میل محور در توربوشارژر استفاده می‌شود. در چنین یاتاقانهایی، لایه نازکی از روغن اطراف میل محور را می‌پوشاند و بدین ترتیب، هم میل محور را خنک می‌كند و هم اصطکاک‌های احتمالی را به حداقل می‌رساند.
پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در می‌آید. کمپرسور همانند یک پمپ سانتریفوژ عمل می‌کند، بدین ترتیب که هوا را از مرکز به گردش در می‌آورد و در نهایت هوای فشرده شده را از حفره تعبیه شده در محیط خارج به بیرون می‌دمد.

محدودیت های توربوشارژر

الف- فشار: فشار حداکثر درون سیلندر نباید از یک مقدار مجاز بیشتر شود. هنگامی که مخلوط هوا و سوخت در سیلندر یک خودروی بنزینی متراکم می شود، دمای آن نیز همراه با فشار افزایش خواهد یافت. فشار بیش از اندازه به دیواره های سیلندر، سرسیلندر و حتی پیستون و میل لنگ موجب کاهش عمر مفید آنها می‌شود.
افزایش دما اثری به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصی بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت می‌توانند پیش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدین ترتیب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال می‌شود، بلکه ضربه ناشی از احتراق می‌تواند آسیب‌های جدی به موتور وارد آورد. از این رو برخی با کاهش دادن نسبت تراکم سیلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه می‌دارند. البته برخی دیگر سوختی با اکتان بالاتر را برای موتور پیشنهاد می‌كنند.
ب- زمان تأخیر: یکی از مهم‌ترین مشکلات توربوشارژر این است که نمی‌توانند افزایش قدرت را به طور ناگهانی اعمال کنند. هنگامی که به پدال گاز فشار می‌آورید، حدوداً یک ثانیه طول می‌کشد تا توربین به سرعت لازم دست پیدا کند و افزایش قدرت اعمال شود. بنابراین افزایش قدرت با کمی تأخیر حاصل می‌شود. یکی از روش‌های کاستن این زمان تأخیر، پایین آوردن اینرسی قطعات است که معمولاً از طریق سبک کردن قطعات بدست می‌آید؛ بدین ترتیب توربین و پمپ سریع تر شتاب می‌گیرند و قدرت سریع تر اعمال می شود.
ج- اندازه توربوشارژر: اندازه توربوشارژر هم مزایا و معایبی به همراه دارد. هر چه توربوشارژر کوچکتر باشد، زمان تأخیر کمتری دارد و سریع تر قدرت را اعمال می‌کند، ولی در سرعت های بسیار بالا که باید حجم زیادی هوا را وارد سیلندر کند، کم توان و گاه خطرناک ظاهر می‌شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ می‌تواند به خوبی از عهده پمپ کردن حجم زیاد هوا برآید، ولی زمان تأخیر آن بیشتر خواهد بود
خوشبختانه راه‌حل‌های جالبی برای مقابله با این مشکلات پیشنهاد شده است که به برخی از آنها اشاره می‌کنیم:
- دریچه اگزوز (wastegate)
بسیاری از خودروهای توربوشارژردار از یک یا چند دریچه کمکی در مجرای اگزوز سود می‌برند که آنها را قادر می‌سازد از توربوشارژرهای کوچک استفاده کنند. هنگامی که سرعت خودرو بسیار بالا می‌رود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزایش می‌یابد، این خطر وجود دارد که توربین با سرعت بسیار بالاتری بگردد. از این شرایط این دریچه‌ها باز شده و بخشی از اگزوز بدون آنکه از توربین عبور کند، از موتور خارج می‌شود. به این ترتیب سرعت دوران توربین در سرعت‌های بالا هم در حد مجاز باقی می‌ماند.
- یاتاقانهای ساچمه‌ای
در این یاتاقانها، از ساچمه‌های بسیار پیشرفته‌ای استفاده شده که از مواد بسیار پیشرفته و با فناوری فرا دقیق ساخته شده‌اند.
این یاتاقانها موجب می‌شوند میل محور با اصطکاک کمتری نسبت به یاتاقانهای روغنی که در اغلب نمونه‌ها استفاده می‌شود، بگردد؛ ضمن آنکه موجب می شود از میل محورهای کوچکتر و سبکتری هم بتوان استفاده کرد. این چنین میل محور سریع‌تر شتاب می‌گیرد و زمان تأخیر کاهش می‌یابد.
- پره‌های سرامیکی توربین
سرامیک، دسته‌ای از مواد هستند که استحکام خوبی دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبک‌ترند. استفاده از این پره‌ها به جای پره‌های فلزی دو مزیت دارد، نخست آنکه با سبک‌تر کردن توربین، زمان تأخیر را کاهش می‌دهد و دوم، چون بر همکنش با مواد خورنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را برای مدت‌ها حفظ می‌کند و مانند پره فلزی خورده نمی‌شود.
- خنک کننده داخلی
هنگامی که توربوشارژر هوا را فشرده می‌کند، خواه نا خواه دمای هوا نیز افزایش می‌یابد. این افزایش دما جدای از تأثیر مخرب بر حداکثر فشار درون سیلندر، موجب می‌شود مولکولهای هوا کمتر از آن مقداری باشند که در طراحی خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از یک خنک کننده استفاده می‌شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دمای آن به مقدار قابل توجهی کاهش یابد. بدین ترتیب می‌توان با اطمینان خاطر و بدون نگران بودن از پیش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر رساند.

سوپر شارژر

سوپر شارژرها كمپرسورهایی هستند كه توان مورد نیاز خود را برای فشردن هوا از موتور می‌گیرند . و توربو شارژر ها، همان سوپر شارژر هایی هستند كه نیروی محركه خود را از دودهای خروجی از اگزوز می‌گیرند .
سه نوع سوپر شارژر وجود دارد :
• نوع دمنده ای
• نوع گریز از مركز
• نوع مارپیچی
كه همگی آنها قدرت رانشی خود را بطریقی از میل لنگ موتور می‌گیرند بطوریكه سرعت بالاتر موتور ، باعث سریع‌تر چرخیدن آنها می‌شود
دو نوع اول با سرعتی معادل 15000 دور در دقیقه و نوع سوم یا گریز از مركز با سرعتی معادل 40000 دور در دقیقه می‌چرخد .

مقایسه توربو شارژر و سوپر شارژر

زمان در سرویس قرار گرفتن : سوپرشارژرها بلافاصله بعد از روشن نمودن و چرخش موتور، در سرویس قرار می‌گیرند و هوای فشرده را در اختیار موتور قرار می‌دهند هر چند این میزان تقویت اولیه برای موتور، خیلی اندك است ولی بتدریج با دور گرفتن موتور افزایش می‌یابد و حاصل آن افزایش آرام و یكنواخت توان موتور است .
اما در مقابل توربو شارژر ها نقطه ضعفی دارند كه آن را تاخیر در واكنش نشان دادن می‌نامند. چون لختی كه توربو شارژرها در آغاز كار دارند و باید ابتدا دودهای خروجی داغ تولید شوند تا دور بگیرند (spool up) باعث می‌شود كه مدتی طول بكشد تا هوا را برای فرستادن به موتور فشرده كنند و بنابراین تا دور موتور بالا نرفته است نمی‌توانند هوا را به شكل دلخواه فشرده كنند.
در حالتی كه دریچه هوای ورودی آنها باز باشد (wide open throttle =wot) معمولا یك افزایش ناگهانی در قدرت توربو شارژر پدید می‌آید. این موضوع در دورهای حدود rpm 3000 صورت می‌گیرد و در این حالت اگر شما خودرویی را كه توربو شارژر دارد رانده باشید، ضربه‌هایی را كه وارد می‌شود حس خواهید كرد.
البته این امكان وجود دارد كه توربو شارژرها را در اندازه‌ای ساخت كه واكنش اولیه آنها سریع‌تر باشد . مثلاً موتور های دیزلی وجود دارد كه توربو شارژرهای آنان به اندازه‌ای كوچك است كه دور آن به 2000-1700 دور در دقیقه می‌رسد. عیب عمده‌ای كه این نوع توربوشارژرها دارند این است كه توانهای بالایی را نمی‌توان از آنها گرفت.

افت توان غیر قابل اجتناب

سوپرشارژرها بعلت اینكه نیروی خود را از موتور می‌گیرند باعث می‌شوند كه بخشی از توان تولید شده توسط موتور را مصرف كنند این افت توان غیر قابل اجتناب می‌تواند حتی از 50 اسب بخار هم تجاوز كند البته این سوپر شارژرها بیش از آنچه انرژی مصرف می‌كنند به توان موتور اضافه می‌كنند . ولی توربو شارژرها بعلت اینكه هیچگونه انرژی را از موتور مصرف نمی‌كنند ولی با ایجاد مانع در جریان دودهای خروجی از موتور و افزایش فشار پس زدن سبب می‌شوند بخشی از توان موتور بطور غیر مستقیم كاسته شود . چون در این حالت پیستون باید انرژی بیشتری را برای بیرون راندن دودهای خروجی از سیلندر صرف كند ولی از طرف دیگر استفاده از توربو شارژر باعث می‌شود كه هوای فشرده با فشار وارد سیلندر شود و همین موضوع باعث محكم به پائین رفتن پیستون و دادن انرژی به آن می شود كه با انرژی كه قبلاً گفته شد خنثی می‌شود. بهر حال استفاده از توربو شارژر بعلت اینكه توانی برای كار كردن از موتور نمی‌گیرد و باعث بالا رفتن توان موتور می‌شود معمول تر از سوپر شارژر است.

تولید حرارت

هنگامیكه هوای ورودی خنك‌تر باشد متراكم‌تر و چگال‌تر است كه بدین مفهوم است كه اكسیژن بیشتری در واحد حجم به موتور می‌رسد . اكسیژن بیشتر به مفهوم توان بیشتر است سوپر شارژرهای دمنده‌ای از این جهت كه تولید گرما می‌كنند مطلوب نیستند این گرمای تولید شده حاصل ناكافی بودن تراكم هوای ورودی است و از این روی توربوشارژرها كارآیی بیشتری نسبت به سوپر شارژرها دارند .
سوپر شارژرهای گریز از مركز می‌توانند از این جهت بهتر از توربو شارژرها باشند و قابلیت انعطاف بیشتری را از خود بروز دهند. با قرار دادن لوله هوای ورودی به موتور در نزدیكی دودهای خروجی می‌توان هوای ورودی به موتور را گرمتر كرد . سوپر شارژرهای گریز از مركزی كه خوب طراحی شده باشند می‌توانند این گرما را از طریق نصب خنك كننده كاهش دهند .

قابلیت اطمینان

مردم اغلب می‌گویند كه سوپر شارژرها نسبت به توربو شارژرها قابلیت اطمینان بیشتری دارند و این بدان علت است كه توربو شارژرها در حرارت بالا كار می‌كنند و توسط روغن روانكاری می‌شوند و هر گاه قبل از خنك شدن آنها موتور خودرو را خاموش كنند این روغن در معرض حرارت قرار می‌گیرد و باعث كوتاه شدن عمر كاری توربو شارژر می‌شود. اما با تعمیر و نگهداری و مراقبت‌های لازم از توربو شارژر می توان بر این مشكل هم فائق آمد.

میزان تقویت

از نظر حداكثر توان مطلق تولیدی استفاده از توربو شارژر امكان بالاتری برای تقویت قدرت موتور ارائه می‌دهد تا استفاده از سوپر شارژر . مثلاً در تراكتورهایی كه جهت كشش مورد استفاده قرار می‌گیرند، استفاده از سه توربو شارژر بصورت سری باعث می‌شود كه سطح تقویت هوای ورودی فشاری معادل psi 200 تولید كند !

نتیجه گیری : توربو شارژر یا سوپر شارژر ؟

اظهار نظر در مورد اینكه استفاده از كدامیك (توربو شارژر یا سوپر شارژر) بهتر است كاری مشكل است .
مهم‌ترین مزیت سوپر شارژر این است كه زمان واكنش نشان دادن آن كم است و به سرعت در سرویس قرار می‌گیرد (البته غیر از نوع گریز از مركز آن ) و استفاده از آن هم ساده است.
از آن طرف عمده‌ترین مزیت توربو شارژر ، كارایی بالای آن و تولید حداكثر توان است .
این دیگر بستگی به نظر خریداران خودرو دارد كه تصمیم بگیرند كدام نوع را برای وسیله خود انتخاب كنند

توربو شارژر چيست؟ (تو ضيح كامل)

یکی از مطمئن ترین راهها برای افزایش توان موتور ها، افزایش مقدار هوا و سوختی است که در سیلندرآنها می سوزد.برای این منظور افزودن تعداد سیلندرها یا بزرگ کردن هر یک از سیلندرها یکی از روش هاست اما در بعضی مواقع امکان این کار وجود ندارد. یک راه برای افزایش قدرت موتور که ساده تر و با صرفه تر نیز هست استفاده از توربو شارژردر موتوراست که بدون نیاز به تغییر در حجم و وزن موتورتوان آن را افزایش می دهد.درخودروهای پر سرعت مسابقه ای و سوپر اسپرت حتی خودروهای خانوادگی و سدان های پر قدرت نیز برای افزایش توان موتور از توربوشارژر استفاده می شود.

همه چيز درباره توربو شارژر

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.

ساختار توربو شارژر:

یک توربو شارژر از 2 قسمت اصلی تشکیل شده است: توربین و کمپرسور(که توسط یک شفت به هم متصل اند).برای آشنایی با توربو شارژر، ابتدا باید واژه سوپر شارژر را تعریف کرد.سوپر شارژر یعنی تغذیه موتور با هوای از پیش کمپرس شده.یعنی هوای محیط مکیده و کمپرس شده و سپس به موتور فرستاده می شود.کمپرسور به طرق مختلفی به حرکت در می آیداز جمله از طریق چرخ دنده که در این حالت سوپرشارژر مکانیکی نامیده می شود. روش دیگر به حرکت در آوردن کمپرسور استفاده از انرژی ذخیره شده در گازهای اگزوز حاصل از احتراق در موتور است که در این حالت به آن توربو شارژر می گویند.
پس توربو شارژر در حقیقت توربینی است که بوسیله گازهای اگزوز به حرکت در آمده و یک کمپرسور گریز از مرکز را که توسط یک شفت به آن وصل شده است را می چرخاند.کمپرسور نیز هوا را از مرکز تیغه هایش به داخل کشیده و توسط پره های خود، در حین چرخش به بیرون پرتاب می کند.کمپرسور معمولا بین صافی و منیفولد هوای ورودی به موتور قراردارد.در حالی که توربین بین منیفولد هوای خروجی وانباره اگزوز قرار می گیرد.تمامی گازهای خروجی موتور (گازهای اگزوز) از محفظه توربین می گذرد و انبساط این گازهای تحت فشار بر پره های توربین عمل می کند و موجب حرکت دورانی آنها می شود. این گازها پس از گذشتن از توربین وارد اتمسفر می شوند.توربین صدای حاصل از گازهای اگزوز را نیز خفه می کند و به این ترتیب در اکثر موارد نیازی به استفاده از انباره اگزوز نیست.
به طور معمول توربو شارژها فشار هوا را به اندازه 6 تا 8psi فشرده تر می کنند.از آنجا که فشار معمولی اتمسفر 14.7 psi در سطح دریاست با این روش حدودا 50 درصد بیشتر هوا وارد موتور خواهد شد و افزایش بازدهی واقعی نیز بین 30تا 40 درصد است.
یکی از مزایای توربو شارژرها کمکی است که در ارتفاعات و مناطق مرتفع به موتور می کنند.موتورهای معمولی در ارتفاعات دچار کاهش شدید قدرت می شوند. زیرا برای هر مکش پیستون جرم کمتری از هوا را به داخل سیلندر می کشد و حتی در صورت افزایش مقدار سوخت پاشیدهشده به داخل سیلندر نیز به علت فقدان اکسیژن کافی ، احتراق کامل صورت نمی گیرد.بنابراین مساله رقیق بودن هوا موجب کم شدن قدرت موتور در این نقاط می شود که توربو شارژرها با کمپرس کردن و افزایش جرم هوای ورودی به موتور، این نقیصه را جبران می کنند
پس افت (Lag): یکی از مشکلات توربوشارژر ها می باشد که توربوشارژرها نمی توانند یک قدرت فوری را زمانی که شما پدال گاز را فشار می دهید، ...

توربوشارژر:

زمانی که مردم درباره خودروهای مسابقه ای یا موتورهایی با بازدهی و عملکرد بالا صحبت می کنند معمولاً بحث توربوشارژرها مطرح می شود. توربوشارژرها همچنین در موتورهای دیزلی بزرگ نیز استفاده می شوند.
توربوشارژر یک کمپرسور می باشد که توان خروجی موتورهای احتراق داخلی را در اثر افزایش میزان جرم هوا و سوخت ورودی به موتور افزایش می دهد. یکی از مزایای بزرگ توربوشارژرها آن است که افزایش قدرت خروجی موتور آنها در مقایسه با وزن آنها بسیار ناچیز است و این یکی از دلایلی است که باعث شده توربوشارژرها تا این اندازه محبوب و معروف گردند.

نحوه عملکرد توربوشارژر:

یک توربوشارژر از یک کمپرسور گریز از مرکز و یک توربین گازی تشکیل شده است که توربین گازی توسط پیچ به مانیفولد دود متصل می شود و گازهای خروجی از موتور باعث چرخش توربین گاز شده و به سبب آن کمپرسور که توسط یک شفت به توربین گازی متصل است شروع به چرخش نموده و هوای محیط را مکش کرده و سپس آن را متراکم کرده و به طرف موتور می فرستد و هوای ورودی بیشتر به موتور به معنی سوخت بیشتر به داخل موتور و هوا و سوخت بیشتر به معنی انرژی و قدرت خروجی موتور می باشد. سرعت چرخش توربین با توجه به استفاده توربوشاررژ می تواند متفاوت باشد و اکثراً دارای سرعتهای چرخش بالا هستند به همین دلیل باید از یاتاقانهای مخصوصی استفاده گردد که بتواند نیروی حاصل از چرخش شقت را تحمل کند که معمولاً از یاتاقانهای سیال (fluid bearing) استفاده می شود. در یاتاقانهای سیال بین شفت و یاتاقان یک لایه روغن قرار دارد که روغن فوق دو وظیفه مهم بر عهده دارد:
۱- باعث خنک شدن شفت و سایر قسمتهای توربوشارژر می شود
۲- باعث از بین رفتن اصطکاک بین شفت و یاتاقان هنگام چرخش می شود.

نکاتی در مورد طراحی یک توربوشارژر:

۱- تقویت بیش از اندازه: اگر فشار تولیدی توربوشارژر خیلی زیاد باشد همان طور که می دانید این امر باعث بالا رفتن درجه حرارت هوای ورودی به موتور شده و در نتیجه سوخت قبل از آن که توسط شمع محترق شود دچار خودسوزی شده که به پدیده فوق ضربه (Knocking) می گویند که برای جلوگیری از پدیده فوق می بایست از بنزین با درجه اکتان بالاتر استفاده نموده و یا نسبت تراکم موتور را کاهش دهیم.
۲- پس افت (Lag): یکی از مشکلات توربوشارژر آن می باشد که توربوشارژرها نمی توانند یک قدرت فوری را زمانی که شما پدال گاز را فشار می دهید، ایجاد نمایند و مدت زمانی طول می کشد تا توربین گاز چرخیده و هوای متراکم شده را به داخل موتور بفرستد. به همین خاطر شما در اول حرکت خودروی خود احساس یک حرکت ناگهانی به طرف جلو می کنید. دلیل این موضوع نیروی اینرسی (واماندگی) قسمت چرخنده توربین گاز می باشد. اما می توانیم با تمهیداتی نیروی اینرسی را کاهش داده تا توربین گاز بتواند در مدت زمان کوتاهی شتاب گرفته و دیگر پدیده پس افت ایجاد نشود، که در زیر به مواردی اشاره می کنیم:
الف) استفاده از توربوشارژرهای کوچک به جای توربوشارژرهای بزرگ: یکی از راههای که می توانیم نیروی اینرسی توربین گاز را کاهش دهیم آن است که از توربوشارژرهای کوچک استفاده نمائیم زیرا توربوشارژرهای کوچک سریعتر شتاب گرفته و در دور پائین موتور تقویت بهتری ایجاد می نمایند اما نمی توانند تقویت بیشتری را در دورهای بالای موتور که ما نیاز به وارد نمودن حجم بیشتری از هوا به موتور هستیم را تولید کنند و نیابد دور توربین گاز در آنها خیلی بالا رود. در جاهائی که ما نیاز به شتاب بالا در توربین گاز و مقدار بیشتری از هوای ورودی به موتور داریم می توانیم از دو توربو شارژر کوچک که به صورت مجزا از یکدیگر می باشند، استفاده نمائیم که شرکتهای خودروسازی همچون تویوتا، آئودی، مزدا این نوع توربوشارژر را در برخی از تولیدات خود به کار برده اند. به توربوشارژرهای فوق توربوشارژرهای دوقلو (Twin Turbocharger) نیز می گویند.
ب) استفاده از توربین گاز با پره های سرامیکی: همان طور که می دانید توربین گاز با پره های سرامیکی سبکتر از توربین گاز با پره های فولادی هستند در نتیجه این امر باعث می شود که توربین گاز سریعتر شتاب گرفته و نیروی اینرسی کاهش یابد.
ج) استفاده از یاتاقانهای توپی (Ball Bearing) به جای یاتاقانهای سیالی: برخی از توربوشارژرها از یاتاقانهای توپی به جای یاتاقانهای سیالی استفاده می کنند که یاتاقانهای فوق بسیار دقیق و از مواد پیشرفته و خاصی ساخته شده اند تا بتوانند سرعت و حرارت شفت را کنترل نمایند. یاتاقانهای توپی باعث می شوند که شفت با اصطکاک کمتری بچرخد و همچنین این نوع یاتاقانها به ما اجازه می دهد تا از شفتهای کوچکتر و سبکتر استفاده نمائیم که امر فوق باعث می شود تا توربین گاز با شتاب بیشتری چرخیده و نیروی اینرسی آن کاهش یابد.
د) استفاده از توربوشارژرهای ترتیبی (Sequential Turbocharger): برخی از موتورها از دو توربوشارژر با اندازه مختلف استفاده می کنند که توربوشارژر کوچکتر در دور پائین موتور تا پس افت را کاهش دهد استفاده دارد اما توربو شارژر بزرگتر در دورهای بالاتر موتور که نیاز به تقویت و حجم بیشتری از هوا داریم کاربرد دارد. این نوع توربوشارژر در ب.ام.و سری 5 مدل 535d استفاده شده است.

توربوشارژ و نیتروس

توربو با اجبار موتور به تنفس بیشتر و سوراندن سوخت بیشتر نیروی بیشتر تولید می کند. توربو با نیرو گازهای خروجی کار می کند. توربو وسیله ای کاربردی هست اما یکی دو مشکل عمده دارد.
اگر توربین به اندازه کافی کوچک باشد که در دور پایین موتور به چرخش در آید در دور بالا به یک مانع تبدیل می شود که حداکثر قدرت را محدود می کند. زیرا اگر موتر موفق به خروج گاز های حاصل از سوخت نشود.....!
اگر توربین به اندازه کافی بزرگ باشد که در برابر حداکثر قدرت منطقی مانع نباشد آنگاه با مشکلی به نام واماندگی(lag) در دورهای پایین روبرو می شویم. به این علت که موتور در دور پایین گاز زیادی تولید نمی کند که توربین بزرگ را با سرعت مناسب به چرخش در آورد که فشار تولید شود. اما اگر بتوانید توربو را در دور پایین موتر به گردش با دور مناسب وادار کنید خود توربو فشار لازم برای تحریک بیشتر تولید خواهد کرد!
حال اگر ما مقدار بسیار کمی نیتروس را در دریچه سوخت(wot)تزریق کنیم موتور فوراً تولید نیرو خواهد کرد! و حتی در دور های پایین توربو شارژ سرعت می گیرد به علت گاز خروجی تولید شده! اکنون یک سنسور کوچک در ورودی سوخت افزایش فشار را متوجه شده و تزریق نیتروس را خاموش می کند. اکنون محرک خودبه خود پیش میرود. در عمل مقدار بسیار کمی نیتروس مصرف می گردد. نتیجه یک سیستم توربو بدون وامانگی هست حتی اگر از توربیهای عظیم استفاده شود.
انواع گوناگونی سیستم های تزریق نیتروس وتوربوشارژرهای عظیم برای کار باهمدیگر تولید می شود
یکی از مطمئن ترین راهها برای افزایش توان موتور ها، افزایش مقدار هوا و سوختی است که در سیلندرآنها می سوزد.برای این منظور افزودن تعداد سیلندرها یا بزرگ کردن هر یک از سیلندرها یکی از روش هاست اما در بعضی مواقع امکان این کار وجود ندارد. یک راه برای افزایش قدرت موتور که ساده تر و با صرفه تر نیز هست استفاده از توربو شارژردر موتوراست که بدون نیاز به تغییر در حجم و وزن موتورتوان آن را افزایش می دهد.درخودروهای پر سرعت مسابقه ای و سوپر اسپرت حتی خودروهای خانوادگی و سدان های پر قدرت نیز برای افزایش توان موتور از توربوشارژر استفاده می شود.

استفاده از ضد پس افت (Anti-Lag) در خودروهای مسابقه ای:
مکانیزم کنترل توربین گاز (Waste Gate):

بسیاری از توربوشارژر خودروها یک سوپاپ بایپس یا گذرگاه فرعی(Waste Gate) دارد که باعث می شود در توربوشارژرهای کوچک میزان چرخش آنها از حد مجازی تجاوز نکند. در واقع سوپاپ بایپس فشار داخل توربین گاز را حس کرده و اگر فشار آن بالا باشد سوپاپ فوق باز شده و مقداری از گاز را به خارج از محفظه توربین گاز هدایت می کند تا این که فشار به میزان مطلوبی برسد.

کولر داخلی (Inter Cooler):

همان طور که می دانید زمانی که هوا فشرده می شود آن گرم شده و منبسط می شود اما هدف از استفاده توربوشارژرها افزایش میزان چگالی ورودی به موتور (تعداد بیشتری از مولکولهای هوا) می باشد. به همین خاطر از کولرهای داخی استفاده می کنند تا هوای فشرده خروجی از کمپرسور را خنکتر کند تا میزان چگالی آن افزایش یابد.

توربوشارژرقلب تپنده موتور

یکی از موثر ترین راه ها برای افزایش اسب بخار موتورها افزایش مقدار هوا و سوختی است که در سیلند آن ها می سوزد برای رسیدن به این هدف اغلب خودرو سازان تعداد سیلندرها یا حجم آنه را افزایش داده اما این روش مقبول به صرفه نبوده و افزایش مصرف سوخت و آلایندگی زیاد را به دنبال دارد به همین منظور ساده ترین و به صرفه ترینترین راه استفاده از توربوشارژر است
توربو شارژر مانند قلب هوا را به داخل سیلندر دمیده یا پمپ می کند که عملا مرحله مکش توسط سیلنر حذف شده و این عامل مهم افزایش توان موتور به شمار می آید به طور معمول توربوشارژر ها فشار هوا را شش تا هشت بوند براینچ فشرده تر می کنند با توجه به اینکه فشارمعمولی اتمسفر7/14 پوند بر اینچ در سطح دریا می باشدوا ضح است که با این روش می توان 50 درصد بیشتر هوا وارد موتور کرد به علت افزایش فشار هوا که این خود کوجب افزایش 50 درصدی توان خودرو می شودالبته افزایش بازدهی واقعی بین 30 تا 40درصد بسیار قابل توجه است به طوری که موتور هشت سیلندرv شکل و 2/4 لیتری جاگوار معمولی 300 اسب بخار قدرت دارد و همین موتور با همان حجم و تعداد سیلندر به کمک توربو شارژر 400 اسب بخارقدرت دارد که افزایش 100 اسب بخاری در نوع توربو شارژر دارد قابل ملاحظه می با شد
توربو شارژر ابتدا در موتور دیزلی کار برداشت اما با ایجاد اصلاحاتی اینک در اغلب اتومبیل های پر قدرت و حتی اتومبیل های خانوادگی می توان از توربو شارژر استفاده کرد و حتی می توان آن را برروی موتور خودرو نصب کرد
در موتور های کاربراتوری کاربراتور به طور خودکار و به وسیله پلانچر کاربراتور مقدار سوخت را برای هماهنگ شدن با مقدار هوای ورودی افزایش می دهد در موتور های انژکتوری نیز این هماهنگی متکی بر سنسور های سیستم انژکتور بوده البته ممکن است با نصب توربوشارژر با قدرت بالا سیستم انژکتور به دلیل عدم برنامه ریزی نرم افزاری جواب ندهد که در این صورت باید از توربو شارژر مناسب استفاده کرد
ادامه دارد .....
/خ