با انواع مختلف توربوشارژر و نحوه کار آنها آشنا شوید

توربوشارژرها همانند سوپرشارژرها برای افزایش توان خروجی موتورهای احتراق داخلی، با افزایش راندمان حجمی هوای ورودی به موتور عمل می کنند. اما توربوشارژر چیست؟ برای دانستن پاسخ این سوالات با مجله رنو ایران همراه باشید.

توربوشارژر چیست؟

توربوشارژرها توسط سیستم های محرک مکانیکی موتور عمل نمی کنند بلکه با استفاده از انرژی گرمائی و جنبشی نهفته شده در گازهای خروجی از موتور که در اثر احتراق ایجاد می شوند، عمل می کنند ولی توربوشارژرها انرژی خود را بصورت مستقیم از موتور دریافت می کنند.

یک توربوشارژر از یک پره ساخته شده است که توربین نام دارد و در مسیر گازهای خروجی موتور قرار گرفته است. این پره به یک شفت متصل می باشد. در سمت دیگر این شفت، یک پره دیگر قرار دارد که به آن کمپرسور گفته می شود. این پره(کمپرسور) در مسیر هوای ورودی به موتور تعبیه شده است. 

هنگامی که دور موتور افزایش می یابد، سرعت باز و بسته شدن، سوپاپ های ورودی آنقدر زیاد می شود که هوا نمی تواند به مقدار مناسب وارد سیلندر شود، به همین دلیل راندمان حجمی موتور به شدت کاهش یافته و گشتاور و توان موتور کم می شود. در موتورهائیکه مجهز به سیستم توربوشارژر هستند، انرژی حرارتی موجود در گازهای خروجی موتور، موجب چرخش پره های توربین می شود و آنرا با سرعت می چرخاند، چرخش توریبن موجب گردش شفت واسط توریبن و کمپرسور می شود. چرخش کمپرسور موجب می گردد تا هوا با فشار بالا، وارد موتور گردد. به عبارت دیگر مشکل کاهش راندمان حجمی موتور با این روش برطرف می شود و دیگر راندمان حجمی در دورهای بالا کاهش نمی یابد.

این در حالی است که نحوه کار سوپرشارژر متفاوت است. یک سوپرشارژر معمولی همیشه با سرعت چرخش موتور کار می‌کند. به عبارت دیگر، یک سوپرشارژر مستقیماً به میل لنگ متصل می باشد و با دور موتور(دور در دقیقه) عمل می کند.

هرچه سرعت چرخش میل لنگ بیشتر شود، جریان گازهای خروجی اگزوز نیز افزایش یافته و هوای بیشتری وارد سیلندر می گردد و قدرت موتور افزایش می بابد.

وقتی شما با خودرو خود در یک جاده مستقیم با سرعت پائین در حال حرکت می باشید و فشار زیادی به پدال گاز وارد نمی کنید، سرعت چرخش پره(توربین) کم می باشد. در این حالت می توان گفت که سیستم توربوشارژر، عملا نقشی در عملکرد موتور ندارد. در این حالت، عملا توربوشارژر نسبتاً غیرفعال می شود و به دلیل اینکه پره های توربین در مسیر گازهای خروجی قرار گرفته است و همچنین پره های کمپرسور نیز اندکی از عبور جریان هوا به داخل موتور جلوگیری می کنند لذا نه تنها کمکی به موتور نمی کنند، بلکه به میزان خیلی اندک باعث افزایش بار وارده به موتور و افزایش مصرف سوخت می گردد. 

اما هنگامی که به نیروی بیشتری نیاز دارید، برای مثال برای شتاب دادن به خودرو در سطح شیب دار بزرگراه، سیستم توربوشارژر به سرعت فعال می شود و موجب افزایش توان و گشتاور موتور می گردد.

تاریخچه مختصر توربوشارژ

در خصوص زمان اختراع توربوشارژر و سوپرشارژر و مراحل تکمیل و توسعه آنها، اظهار نظرهای زیادی شده است که یکی از آنها بصورت زیر است:

رودولف دیزل، توسعه دهنده موتور دیزل و گوتلیب دایملر هر دو در تلاش های اولیه توربوشارژ فعال بودند. اما این مهندس سوئیسی آلفرد بوچی بود که در سال 1905 اولین 'گواهی ثبت اختراع(Patent) توربوشارژر را دریافت کرد.

تلاش های او منجر به تولید اولین موتور دیزلی موفق توربوشارژ در سال 1915 شد. اما تا دهه 1950 بود که توربوشارژرها به تعداد زیادی برای کامیون های تجاری با موتور دیزلی و وسایل نقلیه خارج از جاده مورد استفاده قرار گرفتند.

مهندس شرکت جنرال الکتریک، سنفورد ماس، آزمایش مربوط به موتور را بر روی موتور هواپیما 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 مجهز به توربوشارژ شده بودند و صدها ماموریت را برای نیروهای متفقین انجام دادند. بمب افکن B-36 پس از جنگ جهانی دوم همچنین دارای موتورهای رفت و برگشتی توربوشارژ بود.

در اواسط دهه 60، توربوشارژرها برای مدت کوتاهی در شورلت کورور و اولدزموبیل جت فایر ظاهر شدند. اما این برنامه ها به دلیل نقص هائیکه در آن زمان وجود داشت، موفقیت چشمگیری نداشتند.

در دهه 1970، توربوشارژ در چندین اتومبیل مسابقه فرمول 1 ظهور کرد و BMW یک ماشین خیابانی توربوشارژ به نام توربو 2002 را معرفی کرد. سایر سازندگان اروپایی به ویژه پورشه و ساب در آن دوره روی توربوشارژرها آزمایشات زیادی انجام دادند.

مشکلی به نام تاخیر توربو یا توربو لگ(Turbo Lag)

نقص اصلی توربوشارژرها چیزی است که به آن تاخیر توربو می گویند. این مشکل 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.

خودروهای اولیه که مجهز به سیستم توربوشارژر شده بودند، دچار چنین مشکلی بودند و خصوصا در مواقع اضطراری که نیاز به شتاب زیادی داشتند، این نقص آزاردهنده و نامطلوب بود و این ایراد تا جائی محسوس بود که بسیاری از خریداران خودرو از خرید خودرو با سیستم توربوشارژر اجتناب می کردند ولی مشکلات تاخیر توربو به مرور زمان و با تغییر در ساختار و مکانیزم های سیستم توربوشارژر تا حدود خیلی زیادی برطرف گردیده است.

انواع توربوشارژر

تک توربو

سیستم هائی که بنام توربو و یا سیستم تک توربو معروف می باشند، دارای ساختار ساده تری نسبت به بقیه بوده و بین انواع مختلف، مقرون به صرفه ترین و ارزان ترین می باشند و به لحاظ اندازه حجم کمی را اشغال می کنند.

امروزه بسیاری از خودروها از جمله بیشتر خودروهای رنو، مجهز به این نوع توربوشارژر می باشند.

توربوی دوقلو

اگر بر روی موتورهائیکه دارای حجم موتور بالا می باشند، سیستم توربوشارژر نصب شود، به دلیل اینکه لازم است پره های توربین، پره های کمپرسور و شفت مابین آنها دارای ابعاد بزرگ و وزن زیادی باشند، مشکلات زیادی را بوجود خواهند آورد. برای رفع این مشکل، مهندسین نوع دیگری از سیستم توربوشارژر را بنام توربوی دوقلو ساخته اند که قابلیت نصب بر روی  موتورهای V شکل را دارند. موتورهای V شکل با تعداد بالای سیلندر مانند V-6 و V-8، اگر مجهز به این سیستم (توربو دو قلو) شوند، عملکرد بهتری داشته و کمتر دچار ایراد خواهند شد. از آنجا که هر توربو وظیفه افزایش راندمان حجمی برای نیمی از سیلندرهای موتور را دارند، لذا بهتر عمل کرده و کارائی بالاتری خواهند داشت. توربوهای کوچکتر جرم 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 راه اندازی یک توربو است. لوله‌کشی پیچیده‌تر، اینترکولر اضافی و کنترل‌های پیچیده‌تر سیستم، هم وزن و هم هزینه این سیستم را در مقایسه با توربو تکی، افزایش می‌دهد. محدودیت‌های فضا نیز عامل دیگری در پیچیده تر شدن سیستم های توربو دوقلو تلقی می گردد.

توربو اسکرول دوقلو

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 توربو سریع‌تر شود. 

اسکرول پروانه و طراحی محفظه هر دو پیچیده تر هستند. پیچیدگی زیاد 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.

توربو هندسه متغیر (VGT)

توربوی 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 موتور) 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 دور موتورهای پایین و دور موتورهای بالا امکان پذیر می کند و در نتیجه تاخیر توربو را به حداقل می رساند.

افزایش پیچیدگی و هزینه، دو ضعف اصلی این سیستم محسوب می گردند. البته مدل های توسعه یافته این سیستم تا حدود زیادی ازضعف های آن کاسه است.

توربوی پیمایش دوقلو متغیر

این نوع سیستم توربوشارژر، کلیه مزایای مدل توربو دوقلو را دارا می باشد اما نحوه عملکرد آن نسبت به توربو هندسه متغیر اندکی متفاوت است.

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 بالای 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.

توربو الکتریکی

در این توربوها یک موتور برقی نیز می تواند برای هر یک از تنظیمات توربو فوق اعمال شود و به آنها کمک نماید.

این موتور که توسط PCM کنترل می‌شود در صورت لزوم، برای افزایش سرعت توربو عمل می‌کند و زمانی که سرعت موتور و جریان اگزوز کم است، باعث افزایش عملکرد توربو می شود. 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، قطعاتیکه بیشترین آسیب را می دیدند، سوپاپ های خروجی و همچنین نشیمنگاه های آنها(Seat) بودند، این قطعات به دلیل دمای بالای ناشی از جریان گازهای خروجی، دچار سوختگی و شکست(ترک خوردگی) زودرس می شدند.

یکی از مسائلی که موجب افزایش دما و تشدید آسیب ها نسبت به موتورهای غیرتوربو می شود این است که بواسطه وجود پره های توربین در مسیر گازهای خروجی، حرارت در اجزای مرتبط به شدت افزایش می یابد. تغییر و توسعه مواد عناصر بکار رفته در تولید سوپاپ ها و محل های نشیمن گاه آنها و همچنین بکار بردن سدیم به جهت خنک کاری سوپاپ ها و قطعات مربوطه تا حد زیادی این ضعف خاص در این موتورها را کاهش داده است.

دوام قطعات مربوط به توربوشارژر خصوصا شفت مابین توربین و کمپرسور نیز به دلیل ضعف در سیستم روغن کاری و عدم وجود روغن سازگار با سیستم توربوشارژر بسیار پائین بود و موجب می گردید تا این قطعات خیلی زود آسیب ببینند. روغن‌های موجود در آن زمان باعث می گردید تا رسوبات کربنی سخت (به نام کک) در یاتاقان‌های محور توربین تشکیل شوند. عملکرد ضعیف به دلیل این مشکل منجر به نیاز به حذف و تعمیر مکرر توربو می گیردید

تلفیق تزریق مستقیم سوخت به موتورهای خودرو(سیستم GDI) 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 به میزان کمی از گشتاور و توان آنها(به دلیل استفاده از بنزین با کیفیت پائین) کاهش می یابد. زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها(سیستم VVT) نیز به بهبود عملکرد و راندمان سوخت برای این موتورها افزوده است.

امروزه تقریباً هر شرکت خودروساز، یک یا چند مدل خودرو با یک و اغلب دو توربوشارژر به بازار عرضه می نماید. نصب سیستم توربوشارژر بر روی موتورها موجب می شود تا طراحان و سازندگان، موتورهائی با حجم و تعداد سیلندر کمتر طراحی نمایند. امروزه موتورهائی با حجم 900cc و سه سیلندر که مجهز به سیستم توربوشارژر شده اند، بر روی خودروها نصب می گردد که گشتاور و توان بسیار بالائی را تولید می کنند.

تردیدی وجود ندارد که توربوشارژر همچنان در بسیاری از موتورهای خودروهای آینده نیز دیده شود.

Get to know the different types of turbochargers and how they work.