سیستم های پر­خوران

سیستم های پرخوران به طور کلی به دو گروه سوپر شارژر ها و توربو شارژر­ها تقسیم می­شوند و وظیفه رساندن هوای اضافی به موتور جهت احتراق بهتر رابر عهده دارند.

تاریخچه سیستم پرخوران

نخستین استفاده از سیستم پرخوران به اواخر قرن 19 باز می­گردد؛ در سال 1855 گوتلیب دایملرGottlieb Daimler مهندس آلمانی ایده­ای مبنی بر استفاده از یک پمپ مکانیکی برای تزریق هوا به پیشرانه­های احتراق داخلی داشت. اما اختراغ توربو شارژر به شکل امروزی که می شناسیم توسط مخترع سوئیسی، آلفرد بوشی Alfred Buchi انجام شد. البته سال­های زیادی طول کشید تا این سیستم بتواند به صورت عمده و عملی مورد استفاده قرار گیرد.

از نخستین خودروهای سواری نیز که از این سامانه استفاده نمودند می­توان به نمونه­هایی مانند شورولت کورویر مونزا و الدزموبیل جت فایر در دهه 1960 میلادی اشاره کرد. این سامانه در موتور های دیزل نیز قدمتی طولانی دارد و نخستین بار شرکت مان آلمان در مدل MK26 خود در دهه 1930 و 1940 میلادی از موتورهای توربو دیزل استفاده نمود. اکنون بیشتر موتورهای گازوئیلی کامیون­ها از این سامانه برای افزایش قدرت تولیدی موتور خود و کاهش مصرف سوخت و بهینه سازی کلی عملکرد پیشرانه استفاد می­کنند.

خودروی شورولت کورویر مونزا مدل 1965

خودروی الدزموبیل جت فایر مدل 1963

عملکرد توربوشارژر

به زبان ساده توربو شارژر مجموعه یک توربین و کمپرسور است که با استفاده از انرژی گازهای خروجی اگزوز موتور به حرکت در می­آیند و هوای بیشتری به سمت موتور ارسال می کنند. در ویدئوی زیر نحوه کار این سیستم به صورت بسیار ساده برای شما به نمایش در آمده است.



توربین به خروجی منیفولد اگزوز متصل بوده و کمپرسور به ورودی‌ مانیفولد هوا موتور متصل است. جریان گازهای داغ اگزوز موجب چرخش پروانه‌های توربین شده و گردش توربین، کمپرسور را به حرکت درمی‌آورد. گردش کمپرسور نیز موجب شده که هوای بیشتری به درون موتور پمپاژ گردد. هوای بیشتر با سوخت بیشتر مخلوط شده و در نتیجه کارایی موتور را افزایش می‌دهد.

به طور کلی به کارگیری توربو شارژر دارای دو مزیت اصلی زیر است:

قدرت موتور به طرز قابل توجهی زیاد می­شود و می­توان از موتورهای با حجم کوچک، قدرت­های بالایی گرفت.

کاهش مصرف سوخت و آلایندگی به دلیل احتراق بهتر در موتور خودرو.

استفاده از توربو شارژر دارای معایب اصلی زیر است:

توربوشارژر به طور کلی دارای تاخیر می باشد چون مدت زمانی طول میکشد تا دور بگیرد و فشار بوست مناسبی تولید کند. (به این اتفاق تاخیر توربو می گویند)

توربوشارژر از دور موتور مشخصی بازدهی مناسب دارد به عنوان مثال در خودرو سورن از دور موتور 2200 دور بر دقیقه توربو وارد مدار می شود.

دمای بالای توربوشارژر از دیگر معایب آن است.

قطعات توربو شارژر:

مجموعه هوزینگ های توربین و کمپرسور:

 

توربین: توربین قطعه ای است با شکل پره های خاص جهت دریافت بیشترین انرژی از گازهای خروجی که از فلزات سبک و مقاوم ساخته می شود. توربین با دور بسیار بالایی گردش می کند که می تواند گاهاً به دویست هزار دور بر دقیقه هم برسد. یکی از مهمترین عوامل مهم در عملکرد توربوشارژر اندازه­ی توربین است، هر چه سایر توربین بزرگتر باشد می تواند فشار بوست (منظور میزان فشردگی هواست) بیشتری تولید کند اما ایراد آن این است که در دورهای پایین نمی تواند کارایی مناسبی داشته باشد. اما توربین کوچکتر می­تواند سریعتر دور بگیرد و در دورهای پایین نیز به خوبی کار کند، اما برای دورهای بالا دچار افت توان می شود.

کمپرسور: پره های کمپرسور از نوع گریز از مرکز طراحی شده اند تا هوا را از مرکز کشیده و به اطراف پرتاب کنند. این قطعه نیز از فلز سبک و مقاوم ساخته شده است.

شفت اتصال دهنده توربین و کمپرسور: این شفت وظیفه انتقال نیرو از توربین به کمپرسور را بر عهده دارد. برای کاهش اصطکاک چرخش محور معمولا از یاتاقان محوری و بلبرینگ استفاد می کنند که با فشار روغن، روغنکاری و خنک می شوند.

مجموعه اینترکولر:

اینترکولر از آن دسته تکنولوژی هایی است که امروز تقریباً به عضوی جداناپذیر از سیستم های توربو شارژر تبدیل شده است. وظیفه این سیستم کاهش دما هوای متراکم شده توسط کمپرسور (که گاهاً به بالاتر از 120 درجه سانتی­گراد می رسد) برای ورود به موتور است. محل قرارگیری اینترکولر مابین توربوشارژر و مانیفولد ورودی هوا است.

دمای بالای هوای ورودی باعث افزایش حجم آن شده و در نتیجه جرم حجمی هوا را کاهش می دهد (یعنی در هوای داغ ما در یک مقدار واحد تعداد ملکول اکسیژن کمتری خواهیم داشت) و در نهایت داغ بودن هوای ورودی به موتور باعث افت توان و عملکرد آن خواهد شد. به همین دلیل در تمامی خودروهایی که از سیستم توربوشارژر استفاده می کنند نیاز است تا از اینترکولر برای خنک سازی هوا استفاده شود.

اینترکولر معمولاً با استفاده از آب و یا هوا مجاور عمل کاهش دما را انجام می­دهد. نوع دارای رادیاتور آب نسبت به هوا خنک دارای پیچیدگی بیشتری است. نکته بسیار مهمی که در این مجموعه وجود دارد طراحی و ساخت آن به نحوی است که بیشترین بازدهی را بتواند در کوتاهترین مسیر ممکن سازد،تا فشار ایجاد شده دچار افت نشود.

سوپاپ Blow Off:

blow off valve

این قطعه یک سوپاپ اطمینان است که وقتی فشار توربوشارژر بیش از حد مورد نیاز باشد با باز شدن خود باعث تخلیه این فشار اضافی می شود. فرض کنید یک پیشرانه توربوشارژر در حال کار کردن در دور بالاست و حجم زیاد از هوای متراکم شده با فشار بالا در حال حرکت است. زمانی که راننده پای خود را از روی پدال گاز بر می دارد دریچه گاز بسته می شود و انتقال هوا به داخل سیلندر متوقف می شود. در نتیجه هوای فشرده شده در پشت دریچه جمع می­شود، در این مرحله است که با باز شدن این سوپاپ این فشار انباشته شده تخلیه می شود. در صورتی که این سوپاپ گیر کرده باشد و یا به هر دلیل باز نشود، فشار جمع شده می تواند صدماتی را به موتور و یا سیستم توربو وارد کند. در برخی از مدل ها فشار تخلیه شده مجدد به سیکل توربوشارژر بازگرداننده می شوند.

وست گیت (Wastegate):

وست گیت در واقع یک دریچه در سمت توربین است که وظیفه آن تنظیم فشار تولیدی توسط توربو می باشد. این شیر از طریق کنترل میزان دود ورودی به سیستم این کار را انجام می­دهد. در صورتی که گازهای اگزوز ورودی به توربوشارژر بیشتر از نیاز سیستم باشد این سوپاپ فعال شده و گازهای اضافی را از طریق یک مجرای مجزا به سیستم اگزوز باز می گرداند. در حقیق توربوشارژر از تمامی گازهای حاصله از احتراق پیشرانه استفاده نمی کند بلکه تنها مقداری که لازم دارد وارد سیستم می شود و مابقی به اگزوز باز گردانده می شوند. عملکرد این سیستم می تواند به صورت مکانیکی (وکیوم) و یا الکترونیکی باشد.

 

انواع توربوشارژرها

توربوشارژر های به طور کلی به چهار دسته تقسیم می شوند:

تویین توربو: در این نوع دو توربوشارژر در کنار هم کار می کنند که یا به صورت مرحله ای وارد مدار می شوند ویا به صورت موازی با هم کار می کنند. همانطور که می دانید یکی از معایب توربو عدم کار کرد مناسب در دور پایین است که در این سیستم یکی از توربوشارژرها کوچک­تر است تا در دور موتور پایین فشار بوست را تامین کند و دیگری بزرگ است تا در دور بالا وارد مدار شود و فشار بوست را تامین کند. معمولا از این سیستم در موتورهای وی شکل و یا باکسر بیشتر استفاده می شود. از معایب این سیستم می توان به پیچیدگی سیستم لوله ها و نیاز دائمی به تامین مناسب از گاز اگزوز اشاره کرد.

تویین اسکرول: در این سیستم دو مجرای جداگانه برای ورود دود به توربوشارژر تعبیه شده است، به طوری که برای یک مجرا دود سیلندر 1 و 4 را به توربوشارژر وارد می کند و دیگری دود سیلندر 2 و 3 را و بدین ترتیب نه تنها کارایی توربوشارژر افزایش پیدا می کند بلکه تاخیر آن نیز کاهش چشمگیری خواهد داشت. عملکرد این دو مجرا با هم متفاوت است به طوری که دود عبوری در مجرای کوچکتر با لبه های داخلی توربین بر خورد کرده (قسمت کوچکتر توربین) و باعث چرخش سریعتر توربین در ابتدای حرکت می شود و دود عبوری از مجرای بزرگتر نیز با لبه خارجی توریبن برخورد می کند (قسمت بزرگتر) و در دورهای بالا فشار لازم را تامین می کند.

توربوشارژر با سیستم پره­ های متغیر: در این سیستم پره­های توریبن قابلیت حرکت دارند و با توجه به دور موتور بهترین حالت ممکن را نسبت به گازهای خروجی می گیرند و کارایی همچون توربوشارژر کوچک و بزرگ را برای دور موتورهای مختلف به وجود می آورند. از مزایای این نوع توربوشارژر مصرف سوخت بهتر و امکان بهره وری از این توربو به عنوان یک خفه کن برای موتور های دیزل است.

ایی- توربو: از جدیدترین های توربو می باشد که در حال حاضر شرکت گرت بر روی آن کار می کند. در این سیستم همانند انواع قبلی از گازهای اگزوز استفاده می شود، اما یک موتور الکترونیکی که قابلیت دوران تا 200 هزار دور و تحمل دمای 1000 درجه سانتی گراد را دارد نیز به کمک محور کمپرسور می آید. در این سیستم دیگر در صورت کمبود فشار گاز اگزوز دچار حالت لگ نخواهیم شد و همواره امکان تامین فشار مناسب هوای ورودی به موتور وجود دارد. به طور مثال زمانی که خودرو نیاز به گشتاور در دور موتور پایین دارد موتور الکتریکی به کمک توربین آمده و با افزایش دور کمپرسور باعث ارسال حجم بیشتر از هوا به سوی موتور می شود. این سیستم به نحوی طراحی شده است تا حتی در مواقعی که از گازهای اگزوز استفاده نمی شود از آن ها انرژی اکتریکی تولید و ذخیره شود تا در مواقع لزوم از آن استفاده شود.