توربوشارژر چیست و چگونه عمل می کند؟

نویسنده: علیرضا کرامتیان، مدیر مرکز فنی(آموزش و پشتیبانی فنی، گارانتی) و شبکه نمایندگی های خدمات پس از فروش شرکت رنو ایران

فرآیند مکش، تراکم، احتراق و تخلیه در موتورهای احتراقی موجب چرخش میل لنگ و ایجاد گشتاور و نهایتا موجب حرکت خودرو می شود. در موتورهای احتراقی، سوخت توسط پمپ بنزین به سمت انژکتور با فشار بالا حرکت می کند و در آنجا با پاشش در درون محفظه احتراق، با اکسیژن موجود در هوا ترکیب می شود. در واقع وجود هوا و اکسیژن موجود در آن برای احتراق الزامی است ولی لازم به ذکر است که نسبت هوا و سوخت نباید تغییر کند، چنانچه هوا در سیلندر به نسبت سوخت کمتر باشد، نه تنها قدرت و کارائی موتور کم می شود بلکه آلایندگی و مصرف سوخت نیز افزایش می یابد. این وضعیت در دورهای بالای موتور اتفاق می افتد و به عبارتی دیگر نسبت سوخت و هوا در دورهای پائین موتور قابل کنترل است ولی وقتی دور موتور افزایش می یابد، می توان میزان سوخت ورودی به سیلندر را افزایش داد ولی جبران کمبود هوا خیلی مشکل است. وجود چنین مشکلی رویکرد طراحان و مهندسین را بر آن داشت تا برای جبران کمبود هوا در دورهای بالا راهی بیابند.

یکی از راهکارهائی که شرکت های خودروسازی برای جبران کمبود هوا در سیلندر در دورهای بالا به منظور افزایش توان و قدرت بالا به کار می گرفتند این بود که حجم موتور را افزایش دهند ولی افزایش حجم موتور پیامدهائی به دنبال داشت که از مهم ترین آنها می توان به افزایش مصرف سوخت و افزایش آلایندگی اشاره کرد، از طرفی یکی دیگر از معایب موتورها با حجم بالا راندمان پائین آنها بود، علاوه بر این افزایش قیمت سوخت و همچنین ایجاد قوانین سخت گیرانه برای جلوگیری از آلایندگی موجب شد تا خودروسازان به فکر ابداع راه حل دیگری بیفتند.

در سال 1885 میلادی یک مهندس آلمانی به نام گوتلیب دایملر ایده ای را برای تقویت موتورهای احتراقی مطرح کرد؛ وی در نظر داشت که به وسیله یک ساختار مکانیکی، هوا را فشرده کرده و آن را به داخل سیلندر خودرو تزریق نماید. پس از گذشت چندین سال از طرح این ایده، آلفرد بوچی مهندس مکانیک سوئیسی در سال 1900 میلادی سیستمی به نام توربو شارژر را اختراع کرد. وسیله ساخته شده توسط وی از یک منیفولد حلزونی تشکیل می شد که درون آن یک توربین قرار گرفته بود که با اتصال به خروجی اگزوز و با استفاده از گازهای آن توربین چرخانده می شد و با عملی شبیه به یک کمپرسور، تراکم هوای ورودی به داخل سیلندر را افزایش می داد.

طی جنگ جهانی اول یک مهندس فرانسوی به اسم «آگوست راتیو» توانست یک توربو شارژ را درون یک موتور کمپانی رنو بگنجاند. این موتور قرار بود به‌ عنوان پیشرانه‌ اصلی هواپیماهای جنگنده مورد استفاده قرار گیرد.

پس از گذشت چندین سال از آغاز استفاده از تکنولوژی توربو شارژر در صنعت هوایی، این فناوری به دنیای اتومبیل ها نیز وارد شد و در دهه 50 چندین شرکت تلاش کردند که از توربو شارژر در خودروهای خود استفاده کنند که این کار با موفقیت به انجام نرسید زیرا این سیستم مشکلات زیادی را به دنبال داشت که نهایتا شرکت جنرال موتورز توانست بعضی از ایرادهای این سیستم را برطرف کرده و برای اولین بار در سال 1962 اولین خودروی مجهز به موتور توربو شارژ را معرفی کند.

توربو شارژر (Turbocharger) چگونه کار می کند؟

معادل نام توربو شارژ در فارسی پرخوران است که با هدف طراحی موتورهای سبک تر با حجم کمتر و در عین حال قدرتمند تر و با راندمان بالاتر اختراع شد. در نظر بگیرید که یک خودرو در دنده چهار در حال حرکت در یک جاده مسطح با سرعتی حدود 70 کیلومتر در ساعت است؛ دور موتور در این وضعیت حدود 2000 دور در دقیقه بوده و در این وضعیت میل لنگ در هر ثانیه حدود 34 دور می چرخد.  از آنجا که در حال بحث در خصوص موتورهای چهار زمانه هستیم و دور میل سوپاپ نصف دور میل لنگ است و یا به عبارتی دیگر سرعت چرخش میل سوپاپ نصف سرعت چرخش میل لنگ است لذا سوپاپ دود در هر ثانیه حدود 17 بار باز و بسته می شود. با توجه به اینکه هوا در اثر خلا نسبی که در اثر پائین رفتن پیستون در سیلندر، وارد سیلندر می شود لذا راندمان موتور مناسب است زیرا هوا به مقدار مناسب وارد سیلندر می شود.

حال اگر راننده قصد افزایش سرعت خودرو را داشته باشد، می بایست پدال گاز را فشار دهد، چنانچه دور موتور به حدود 4500 دور در دقیقه افزایش یابد، میل لنگ در ثانیه 75 دور خواهد چرخید، در این حالت سوپاپ هوا حدود 38 بار در هر ثانیه باز و بسته می شود، در این حالت سرعت باز و بسته شدن سوپاپ های هوا آنقدر زیاد است که هوا نمی تواند به اندازه کافی و به مقدار مورد نیاز وارد سیلندر شود و در این حالت راندمان موتور به شدت کاهش می یابد. به عبارت دیگر مشکلی که در این دور موجب کاهش کارائی موتور می شود، کاهش حجم هوای ورودی به داخل سیلندر است؛ در واقع می توان با افزایش فشار سوخت و افزایش زمان پاشش سوخت، سوخت بیشتری وارد سیلندر نمود ولی افزایش میزان هوای ورودی به داخل سیلندر کار بسیار مشکل و دشواری است.

سیستم توربوشارژر در واقع این کار را انجام می دهد و هوا علاوه بر اینکه در اثر خلاء نسبی به داخل سیلندر راه پیدا می کند، بوسیله سیستم توربوشارژر نیز به داخل سیلندر تزریق می شود و همانطور که با اعداد و ارقام نشان داده شد، این کار صرفا لازم است در دورهای بالا انجام شود؛ به عبارت دیگر سیستم توربوشارژر در دورهای پائین به کار گرفته نشده بلکه در دورهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

برای متراکم کردن هوای ورودی به داخل سیلندر نیاز به صرف انرژی بالائی است زیرا مطابق قوانین فیزیک متراکم نمودن یک گاز کار بسیار سختی است و نیاز به انرژی بالائی دارد و برای انجام این کار باید مقداری از انرژی و گشتاور تولید شده توسط موتور را صرف عملیات تراکم هوا و هدایت آن به داخل سیلندر کرد.

طراح سیستم توربوشارژر برای انجام این کار از انرژی نهفته در گازهای خروجی اگزوز استفاده کرده است، به عبارت دیگر در سیستم توربوشارژر از انرژی گرمائی خروجی موتور استفاده شده است که از اگزوز خودرو خارج شده و تلف می گردد. بدین منظور یک پره در مسیر گازهای خروجی اگزوز قرار گرفته و جریان خروجی اگزوز که دارای انرژی بسیار بالائی است، این پره را می چرخاند، نام این پره توربین است، شفت متصل به این پره(توربین) با پره دیگری متصل است که در مسیر هوای ورودی به داخل موتور قرار گرفته است، این پره کمپرسور نام دارد. در دورهای پائین، انرژی موجود در گازهای خروجی و سرعت خروج گازهای سوخته شده در اثر احتراق زیاد نیست ولی با این حال پره های توربین را می چرخاند و این چرخش توسط شفت متصل به آن به کمپرسور منتقل می شود اما سرعت چرخش آن در حدی نیست که تغییر محسوسی در روند ورود هوا به داخل سیلندر ایجاد کند. 

در این حالت (دور موتور پائین)، توربین و کمپرسور می چرخند ولی عملا تاثیری در افزایش راندمان حجم ورودی هوا به داخل سیلندر ندارند، وقتی دور موتور بالا می رود، انرژی حاصل از خروج گازهای حاصل از احتراق به میزان چشم گیری افزایش می یابد، این انرژی به پره هائی که در مسیر اگزوز وجود دارد منتقل شده و آنرا به سرعت تحت تاثیر قرار می دهد و در نهایت موجب چرخش کمپرسور می شود. سرعت بسیار زیاد کمپرسور که در مسیر هوای ورودی به موتور قرار دارد، موجب فشرده شدن هوا شده و این هوای فشرده شده به داخل سیلندر تزریق می شود، همانطوری که قبلا نیز اشاره شد در دور بالای موتور، سرعت باز و بست شدن سوپاپ های هوا آنقدر زیاد است که در موتورهائی که فاقد سیستم توربوشارژر هستند فرصت کمی برای ورود هوا به داخل سیلندر در اثر ایجاد خلاء نسبی وجود دارد؛  ولی در موتورهائی که دارای سیستم توربوشارژر هستند، از آنجا که هوای فشرده شده در پشت سوپاپ هوا وجود دارد، به محض اینکه سوپاپ باز می شود، هوا با فشار بالا به داخل سیلندر تزریق می شود، سیستم پاشش این نوع موتورها GDI و یا پاشش مستقیم نام دارد و بنزین با فشار بالا به داخل سیلندر تزریق می شود. میزان فشار بنزین در ریل سوخت در موتورهای فاقد سیستم توربوشارژر حدود 3.5 بار است ولی میزان فشار سوخت در ریل سوخت در موتورهائی که مجهز به سیستم توربوشارژر هستند، تا حدود 80 بار و بالاتر هم نیز می رسد، به سادگی می توان تفاوت میزان هوای موجود در سیلندر را در یک موتور مجهز به توربوشارژر و یک موتور فاقد سیستم توربوشارژر احساس نمود.

لازم به ذکر است که موتورهای مجهز به سیستم توربوشارژر دارای دو پمپ بنزین هستند، پمپ بنزین با فشار پائین که مانند خودروهای دیگر در باک بنزین قرار دارند و با برق کار می کنند و پمپ بنزین با فشار بالا که بر روی موتور نصب می شوند، این پمپ ها از نوع مکانیکی بوده و قدرت مورد نیاز خود را از میل سوپاپ دریافت می کند.

مشکلات توربوشارژر و راه های رفع آن:

همانطور که در بالا به روش خیلی ساده توضیح داده شد، سیستم توربوشارژر تحولی شگرف در افزایش راندمان حجمی هوای ورودی به موتور ایجاد نمود و موجب افزایش قدرت، گشتاور و همچنین بازده موتور شد و همچنین تاثیر فراوانی در کاهش مصرف سوخت و میزان آلایندگی موتور گذاشت ولی اختراع و نصب این سیستم در ابتدا پیامدهای زیادی به دنبال داشت که به مرور زمان برطرف شده است و بعضی از این مشکلات هنوز نیز بطور کامل برطرف نشده است که در مورد آنها توضیح داده خواهد شد.

اولین مشکلی که به واسطه نصب سیستم توربوشارژر بر روی خودرو بوجود می آید این است که وقتی هوا توسط کمپرسور فشرده می شود، بنا بر قوانین فیزیک برخورد مولکول های آنها با هم به شدت زیاد می شوند که موجب می شود تا دمای هوا به شدت بالا برود، افزایش دمای هوا باعث می گردد که فاصله مولکول ها از هم بیشتر شود و چگالی هوا کاهش یابد؛ به عبارت ساده تر افزایش فاصله بین مولکول های هوا موجب می شود تا تعداد مولکول های هوا در واحد حجم کاهش یابد که این امر باعث می گردد تا تعداد مولکول های هوا که به داخل سیلندر تزریق می گردد، کم شود که این برخلاف آن چیزی است که طراحان و مهندسان به دنبال آن بوده اند. این مشکل بوسیله خنک کردن هوای فشرده شده برطرف می شود بدین صورت که هوا را از یک رادیاتور عبور می دهند، این رادیاتور که آنرا Air Cooler می نامند، در جلوی خودرو و پشت جلوپنجره قرار دارد. شکل این قطعه مانند رادیاتور آب است ولی ابعاد آن کوچکتر است، هوای کمپرس شده که دمای بالائی دارد با عبور از این قطعه خنک شده و چگالی آن افزایش می یابد، به عبارت دیگر تعداد مولکول های موجود در واحد حجم هوائی که از  Air Cooler خارج می شود نسبت به هوای ورودی به آن افزایش پیدا می کند، حال این هوا که علاوه بر فشار بالا دارای چگالی زیادی نیز می باشد از طریق دریچه گاز وارد منیفولد هوا و سیلندرها می شود.

مشکل دیگری که در هنگام نصب توربوشارژر بر روی موتور وجود داشت این بود که وقتی راننده پا را بطور ناگهانی از روی پدال گاز برمی داشت، مشکل زیادی بر روی عملکرد موتور بوجود می آمد؛ تصور کنید که خودرو در جاده ای با دور موتور بالای 4000 دور در دقیقه در حال حرکت است و سیستم توربوشارژر در حال کار است و حجم زیادی از هوا با فشار در حال گذشتن از دریچه گاز و ورود به سیلندرها است که بطور ناگهانی راننده مجبور می شود که پا را از روی پدال گاز بردارد تا سرعت خودرو کم شود؛ در این حالت اندک زمانی باید سپری شود تا حجم گازهای خروجی از اگزوز کاهش یابد و دور پره های موجود در مسیر گازهای خروجی(توربین) کاهش یابد، مشکل در همین اندک زمان بوجود می آید، به عبارت دیگر چون دریچه گاز بطور ناگهانی بسته می شود، هوائی که با فشار بالا در حال گذشتن از دریچه گاز است، ناگهان با یک دریچه تقریبا بسته مواجه می شود.

این میزان از هوا آنقدر فشار و توان بالائی دارد که حتی می تواند دریچه گاز را که تقریبا بسته است، باز نماید. این باز شدن دریچه گاز، اختلال زیادی در عملکرد موتور، در این زمان کوتاه بوجود می آورد که البته به محض اینکه دور پره ها در مسیر گازهای خروجی کاهش یابد و به دنبال آن دور کمپرسور کاهش یابد، مشکل مذکور برطرف می شود، مهندسین برای رفع این مشکل، سیستم هوشمندی را طراحی کردند که به محض اینکه فشار داخل منیفولد هوا در دورهای بالای موتور، بطور ناگهانی کاهش یابد دریچه ای بنام Discharge Valve یا Pop-off Valve باز می شود که این هوای فشرده شده را به سمت ورودی توربوشارژر هدایت می کند.  این عمل موجب می شود تا فشار هوای پشت دریچه گاز در زمان رها شدن ناگهانی پدال گاز، کاهش یافته و اختلالی در عملکرد موتور در وضعیتی که تشریح شد، بوجود نیاید.

مشکل دیگری که در ابتدای نصب سیستم توربوشارژر بر روی موتور وجود داشت این بود که اگر خودرو با دور موتور بالا و تحت فشار زیادی، به مدت زیادی کار می کرد، پره های موجود در مسیر گازهای خروجی دچار آسیب جدی می شدند، برای رفع این مشکل ، سیستم هوشمند دیگری به کار گرفته شده است بدین صورت که یونیت موتور با استفاده از اطلاعاتی که از سنسورهای مختلف دریافت می کند، حالتی را که موتور تحت بار قرار دارد و دمای موتور بالا است را تشخیص داده و عملگری را فعال می کند. این عملگر یک دریچه را که در مسیر گازهای خروجی و در کنار پره های موجود در آن قرار دارد را باز می کند، به این دریچه Waste Gate گفته می شود. باز شدن این مسیر موجب می شود تا حجم زیادی از گازهای خروجی از آن عبور کنند و میزان گازهای خروجی که موجب چرخش توربین می شوند به میزان قابل توجهی کاهش یابد، وقتی حجم گاز کمتری  پره های مسیر خروجی منیفولد هوا را تحت تاثیر قرار دهند، قطعا آسیب وارده به آنها کاهش می یابد.

مهم ترین مشکلی که پیش روی طراحان سیستم توربوشارژر وجود داشت، بحث روان کاری و خنک کاری شفت مابین پره تعبیه شده در مسیر گازهای خروجی(توربین) و پره موجود در مسیر هوای ورودی به موتور(کمپرسور) می باشد، به دلیل محدودیت هائی که وجود دارد، در اکثر موتورها، نمی توان از مایع خنک کننده موتور برای خنک کاری این قسمت استفاده کرد و روغن وظیفه خنک کاری این قطعه را نیز به عهده دارد. به عبارت دیگر از روغن علاوه بر روانکاری شفت مذکور، برای خنک کاری آن نیز استفاده می شود، دمای پره ای که در مسیر گازهای خروجی(توربین) قرار دارد به شدت بالا می رود و این حرارت به شفت مذکور منتقل می شود، چنانچه شفت مذکور به درستی خنک نشود و یا بطور صحیح روغن کاری نشود، خیلی زود آسیب می بیند لذا در موتورهائیکه مجهز به سیستم توربوشارژر هستند، می بایست از روغن های با کیفیت بالا استفاده شود، ویسکوزیته و یا گرانروی این نوع روغن ها در هنگام مواجه شدن با قطعه ای که دمای بالائی دارد، افت اندکی دارد و کمتر دچار تغییر می شود، از طرفی دیگر زمان تعویض روغن و فیلتر روغن در این خودروها بسیار مهم است و صاحب خودرو می بایست نسبت به تعویض آنها و همچنین فیلتر هوا خیلی دقت نماید.

نکات رانندگی با موتور مجهز به توربوشارژر

رانندگی با خودروهای مجهز به سیستم توربوشارژر نیازمند به رعایت کردن نکاتی است که راننده می بایست آنها را رعایت کند تا سیستم توربوشارژر با مشکل مواجه نشود، یکی از مهمترین نکات این است که راننده وقتی خودرو را روشن می کند، نباید پدال گاز را بطور ناگهانی فشار دهد بلکه باید مدت کوتاهی صبر کند تا روغن موتور گرم شده و به دمای کاری برسد تا بتواند عملیات روغن کاری قسمت های مختلف موتور و همچنین شفت سیستم توربوشارژر را به درستی انجام دهد، چنانچه راننده به محض روشن کردن موتور، شروع به حرکت با دور بالا نماید، عملیات روغن کاری شفت توربوشارژر با کیفیت بالا انجام نشده و آسیب می بیند که هزینه های زیادی را به دنبال خواهد داشت.

نکته دیگری که باید در خصوص خودروهای مجهز به سیستم توربوشارژر رعایت شود، زمان خاموش کردن موتور است، چنانچه راننده مسیری طولانی را با دور موتور بالا پشت سر گذاشته باشد، وقتی به مقصد رسید، نباید بطور ناگهانی موتور را خاموش کند زیرا در این وضعیت قطعا گرانروی و یا ویسکوزیته موتور کاهش یافته و کیفیت روغن کاری کاهش یافته است، در این حالت راننده می بایست چند دقیقه صبر کند تا دمای موتور و به دنبال آن دمای روغن کاهش یابد و عملیات روانکاری و خنک کاری شفت توربوشارژر به درستی انجام گیرد و بعد از آن راننده مبادرت به خاموش کردن موتور کند.

بعضی از رانندگان عادت دارند که در هنگام خاموش کردن موتور، چند بار پدال گاز را فشار دهند و سپس موتور را خاموش کنند، این کار در سیستم های مجهز به توربوشارژر کار درستی نیست و آسیب دیدن شفت آنرا به دنبال دارد. وقتی راننده بطور ناگهانی پدال گاز را فشار می دهد، سیستم توربوشارژر به کار می افتد و خاموش کردن موتور در این وضعیت موجب می شود که در لحظات آخر خاموش شدن موتور، شفت توربوشارژر به درستی روغن کاری نشود و موجب آسیب دیدن آن شود.

در انتها لازم به یادآوری است که همه خودروها مخصوصا خودروهائی مانند رنو تلیسمان و رنو کپچر که مجهز به سیستم توربوشارژر هستند نسبت به سرویس های دوره ای خیلی حساس بوده و می بایست برای انجام سرویس های دوره ای، در زمان و کیلومتر تعیین شده به شبکه خدمات پس از فروش مراجعه و از قطعات اصلی استفاده نمایند، در کلیه سرویس ها باید روغن، فیلتر روغن و فیلتر هوا تعویض گردد و قطعات مورد استفاده حتما قطعات اصلی باشند.

What is the Turbocharger and how does it work?

Writer: Alireza Keramatian/ Renault IRAN Technical Hub and Network Manager