تاریخچه :

 

 

 

توربو شارژر در سال 1905 میلادی توسط مهندس مکانیک سوئیسی آلفرد بوچی اختراع شد . توربوشارژر عبارتست از نوعی کمپرسور توربینی و يک کمپرسور گريز از مرکز که توسط يک شفت که با اتصال فلانچی به آن متصل شده را مي چرخاند، توربين گازي توسط پيچ به مانيفولد دود متصل مي شود و گازهاي خروجي از موتور باعث چرخش وربين گاز شده و به سبب آن كمپرسور كه توسط يك شفت به توربين گازي متصل است شروع به چرخش نموده و هواي حيط را مكش كرده و سپس آن را متراكم و به طرف موتور مي فرستد. هواي ورودي بيشتر به موتور، به معني وخت بيشتر به داخل موتور،و هوا و سوخت بيشتر به معني افزایش انرژي و قدرت خروجي موتور مي باشد .

 

يکي از مطمئن ترين راهها براي افزايش توان موتور ها، افزايش مقدار هوا و سوختي است که در سيلندرآنها مي سوزد براي اين منظور افزودن تعداد سيلندرها يا بزرگ کردن هر يک از سيلندرها يکي از روش هاست اما در بعضي مواقع امکان اين کار وجود ندارد. يک راه براي افزايش قدرت موتور که ساده تر و با صرفه تر می باشد استفاده از توربو شارژ در موتوراست که بدون نياز به تغيير در حجم و وزن موتورتوان آن را افزايش مي دهد. براي افزايش توان موتور از توربوشارژرها درخودروهاي پر سرعت مسابقه اي و سوپر اسپرت هاو حتي خودروهاي خانوادگي و در موتورهاي ديزلي بزرگ نيز استفاده مي شوند.

 

يک توربو شارژر ازدو قسمت اصلي تشکيل شده است" توربين و کمپرسور. در موتور هایی که توربوشارژر نصب گردیده، پس از اینکه مخلوط سوخت و هوا در داخل سیلندر متراکم شد توسط جرقه شمع محترق شده، و این احتراق باعث آزاد شدن انرژی حاصل از سوختن مخلوط گاز می گردد،حال این گاز (دود منیفولد) پس از گذراندن این سیکل، باید سیلندر را ترک کند که این گاز خروجی فشاری حداقل معادل 30 اتمسفر را دارد یعنی 30 برابر فشار داخل سیلندر! 

 

 

 این گاز حاوی مقدار قابل توجهی از که می توان از این انرژی بصورت مفید استفاده کرد ولی درموتور هایی که تنفس بصورت عادی [ بدون توربوشارژر ] است گاز خروجی و انرژی موجود توسط اگزوز به بیرون رانده می شود که این عمل برابر است با اتلاف مقدار زیادی از انرژِی کنترل نشده !

 

توربوشارژر دارای یک محور(شفت)مرکزی است که یک سر این محور به یک توربین متصل است که براثر برخورد گاز های خروجی با پره های این توربین ، محور شروع به چرخیدن می کند، سر دیگر این محور به یک کمپرسور متصل است که بر اثر چرخیدن هوای بیرون را با قدرت بیشتر ی مکیده و در داخل سیلندر متراکم می کند. به طور معمول توربوشارژرها فشار هوا را به اندازه 6تا8 psi فشرده تر مي کنند، از آنجا که فشار معمولي اتمسفر 14.5تا14.7 psi در سطح درياست با اين روش در حدود 50 درصد بيشتر هوا وارد سیلندرهای موتور خواهد شد و بازدهي واقعي نيز بين 30% تا 40 % افزايش خواهد یافت.

يکي از مزاياي توربو شارژرها، کمکي است که در ارتفاعات و مناطق مرتفع به موتور مي کنند، موتورهاي معمولي در ارتفاعات دچار کاهش شديد قدرت مي شوند زيرا براي هر مکش پيستون جرم کمتري از هوا را به داخل سيلندر مي کشد و حتي در صورت افزايش مقدار سوخت پاشيده شده به داخل سيلندر نيز به علت فقدان اکسيژن کافي ، احتراق کامل صورت نمي گيرد، بنابراين مساله رقيق بودن هوا موجب کم شدن قدرت موتور، در اين نقاط مي شود که توربو شارژرها با کمپرس کردن و افزايش جرم هواي ورودي به موتور، اين نقص را جبران مي کنند.

نقش پره ها در کمپرسور  Housing Compressor:

توربین کمپرسور دارای پره هایی مخصوص می باشد که عامل مکش هوا و متراکم کردن آن است.

 

 

پره های توربین کمپرسور در توربوشارژر Housing Compressor  با دوران کردن باعث مکش هوا به داخل توربوشارژ می شوند کمپرسور نيز هوا را از مرکز تيغه هايش به داخل کشيده و توسط پره هاي خود، در حين چرخش به بيرون پرتاب مي کند. کمپرسور معمولا بين صافي و منيفولد هواي ورودي به موتور قراردارد پره های کمپرسور می تواند بصورت تک ، دوبل و یا دوبل متغییر باشدو لازم به ذکر است که پره های کمپرسور در توربوشارژر ها که برای ایجاد قدرت در دور های پایین طراحی می شوند معمولا دارای کمپرسور هایی با پره های نزدیک به هم و بلعکس در توربوشارژر هایی که برای حصول قدرت در دور های بالا طراحی می شوند دارای کمپرسور هایی هستند که فاصله پره های آنها از هم بیشتر است .

نقش پره ها در توربین  Hosing Turbine :

 

 

پره های توربین Hosing Turbine در برخورد با گاز های خروجی باعث دوران محور می گردد این پره ها همیشه از نوع تکی می باشند و زاویه و انحنای آنها یکسان است .

امروزه برخی از شرکت ها توربوشارژرهایی ساخته اند که در آن زاویه پره ها در دور های مختلف بسته به دور موتور تغییر می کند .

 Housing :

Housing  عبارت است از یک محفظه باشکل حلزونی که توربین و کمپرسور را درخود جای می دهد که هر توربوشارژ دارای دو عدد از آن میباشد .

 

همچنین به محفظه ای که توربین را در خود جای می هد turbine housing  یا  hot side  نامیده می شود و به محفظه ای که کمپرسور را در خود جای می هد cold side  یا housing compressor  می گویند .

 

 

در محفظه توربین ، هر چه اندازه این محفظه کوچکتر باشدفشار گاز های خروجی از  اگزوز بالا تر مانده و توربین سریع تر دور خواهد گرفت. توربو شارژ ها با محفظه کوچک برای اتومبیل های خیابانی مناسب ترند. اگر محفظه توربین بزرگتر باشد مدت زمان بیشتری طول می کشد تا توربین دور بگیرد که محفظه بعضی از مواقع تا حد سرخ شدن گرم می شود که برای خنک کردن آن ازآب یا روغن و در بعضی از هردو استفاده می شود .

فلانچ در توربوشارژر :

فلانچ یا واسطه، قطعه ای است که فلزی می باشد.

 

درتوربوشارژرها معمولا از چدن یا آلومینیوم آلیاژی ساخته می شود و در حد فاصل بین توربین و کمپرسور قرار گرفته و آنها را به هم مرتبط می کند.

 

فلانچ ها را با توجه به نوع موتور و نوع توربو شارژر انتخاب می کنند و معمولا با کد های بین المللی  T6 و T4 ، T3 ساخته می شوند .

خروجی توربوشارژر Down pipe :

یکی دیگر از قسمتهای مهم توربوشارژ Down pipe یا خروجی آن می باشد گازهای اگزوز (دود) پس از چرخاندن توربین ، محفظه توربین را باید ترک کند که این کار از طریق این دریچه صورت می پذیرد.

 

 

Down pipe یا خروجی توربوشارژر با توجه به محفظه توربین، اشکال مختلفی دارد ولی می توان آن را به دودسته کلی تقسیم کرد، که عبارت است از" نوع فلانچی که به توربوشارژ پیچ می شود و نوع  V-Band  که توسط دو عدد واشر و یک بست مخصوص به توربوشارژر متصل می شود.

 

 

توربين بين منيفولد هواي خروجي وانباره اگزوز قرار مي گيرد، تمامي گازهاي خروجي موتور (اگزوز) از محفظه توربين مي گذرد و انبساط اين گازهاي تحت فشار، بر پره هاي توربين عمل مي کند و موجب حرکت دوراني آنها مي شود.

 

 

 اين گازها پس از گذشتن از توربين وارد اتمسفر مي شوند ،توربين صداي حاصل از گازهاي اگزوز را نيز خفه مي کند و به اين ترتيب در اکثر موارد نيازي به استفاده از انباره اگزوز نيست .شاید بتوان نوع توربوشارژرها را با توجه به قطعات بکار رفته در آن به چند شکل تقسیم بندی کرد :عملکرد محور مرکزی آن ممکن است بصورت یاتاقانی و یا بلبرینگی باشد ،Waste Gate که ممکن است از نوع Internal ( متصل به محفظه توربین ) یا نوع  External   بر روی منیفولد دود قرار داشته باشد ،نوع محفظه دار ( Huosing )، توربین و کمپرسور ، و یانوع فلانچ یا رابط توربوشارژ ومنیفولد اگزوز .

 محور مرکزی که در واقع رابط بین توربین و کمپرسور است و با سرعت بسیار بالایی (100 تا 240 RPM ) دوران می کند باید در دو سر خود به چیزی تکیه داشته باشد ، که اکثر توربوشارژرها دارای محورهای مرکزی یاتاقانی هستند ولی در توربوشارژرهای گران قیمت که در موتور هایHighPerformance  استفاده می شوند دارای محور های مرکزی بلبرینگی هستند ودر مواردی بعضی ازنوع یاتاقانی هم کیفیت بالایی دارند .

 

 

محور های بلبرینگی دارای استقامت بالایی هستند بلبرینگ هایی که در این محور ها بکار گرفته می شوندچون از فزات آلیاژ ی ساخته می شوند، در مقابل حرارت و سایش بسیار مقاوم بوده و سریع تر از نوع یاتاقانی دور می گیرند .

 

 

معمولا یک توربوشارژر یاتاقانی در هر20 هزار کلومتر و نوع بلبرینگی در هر 80 هزار کیلومتر باید سرویس شود.

مكانيزم كنترل فشار در توربين Waste Gate :

برای اینکه فشار داخلی توربوشارژر با توجه به کاربرد آن تنظیم شده و از حد مجاز بالاتر نرود، سوپاپی بانام Waste Gate طراحی شده است .
(Waste Gate):
بسياري از توربوشارژر خودروها يك سوپاپ بايپس يا گذرگاه فرعي(Waste Gate) دارد كه باعث مي شود

 

در توربوشارژهاي كوچك ميزان چرخش آنها از حد مجازي تجاوز نكند. در واقع سوپاپ بايپس فشار داخل توربين هوا را حبس كرده و اگر فشار آن بالاتر ازحد مجاز باشد سوپاپ فوق باز شده و مقداري از سیال را به خارج از محفظه توربين گاز هدايت مي كند تا اين كه فشار به ميزان مطلوبي برسد.

Waste Gate به دونوع طراحی آن صورت گرفته که عبارتند از نوع :

1)Internal Wast Gate

 2)External Waste Gate .

نوع Internal Wast Gate بر روی محفظه توربین قرار می گیرد و می تواند به صورت تنظیم شونده یا ثابت باشد این نوع معمولا در توربوشارژرهایی که با فشار کمتری کارمی کنند ( psi  9 تا 24 ) کاربرد دارند.

 

 

نوع External Waste Gate برروی منیفولد دود قرار گرفته و انواع 35 و 38و 40و 46 و60 میلیمتری ساخته می شود و لازم به ذکر است که فلانچ خاصی که بر روی منیفولد دود تعبیه می شود با توجه به  Waste Gateو اندازه آن طراحی می گردد .در انواع سوپاپ 35و 38 میلیمتری از فلانچ لوزی شکل استفاده می گردد و در انواع دیگر بصورت مربعی بکار گرفته می شود .در داخل سوپاپ های External فنر هایی تعبیه شده که بوسیله رنگ استاندارد شده ، و از رنگ زرد کوچک تا آبی بزرگ 3.6 تا 14.5 Psi و در زمانی که توربوشارژ شما نیاز به 21psi   دارد از هر دو فنر استفاده می شود ( مثلا از یک فنر 7psi   و یک فنر 14.5 psi ) .

تنظیم فشار دقیق Boost Controller :

 در توبوشارژرهای حرفه ای برای تنظیم فشار دقیق از Boost Controller استفاده می شود. دامنه تنظیم Boost Controller بسته به نوع توربوشارژر و نوع Boost Controller از فشار 1تا60 psi متغییر است.( قابل ذکر است که فشار 30یا 60 psi برای هر موتور یا توبوشارژ قابل تحمل نیست!) .

ازجمله معروف ترین شرکت های معروف سازنده Boost Controller عبارتند از " Tial , HKS , Greaing .

 

Enter Cooler :

برای حصول احتراق بهتر وکامل تر و در نتیجه کسب راندمان حرارتی بالاتر به هوای بیشتری نیاز داریم. این هوا باید بصورت فشرده و خشک به دورن سیلندر موتور فرستاده شود ولی اگر خنک کاری این هوای ورودی به خوبی صورت نگیرد نتیجه عکس را به دنبال خواهد داشت ، چون با افزایش فشار و سرعت، افزایش دما خواهیم داشت و افزایش دما باعث می شود.

 

 ملکول های هوا به صورت متراکم تر و فشرده به داخل سیلندر فرستاده نشوند و سیلندر موتورخودرو ، نسبت مناسبی از هوا را در خود جای ندهد!

 

 به عبارت دیگر، برطبق نظریه بویل ماریوتبین در کاهش حجم و افزایش فشارگازها همواره نسبت ثابتی وجود دارد یعنی هر چه یک گاز را متراکم تر کنیم باعث بالا رفتن فشار آن می شود و این افزایش فشار افزایش حرارت را به دنبال خواهد داشت .

 

هوایی که توسط توربوشارژر به داخل سیلندر فشرده می شود بسیار گرم است، و این هوا پس از ورود یه سیلندر و فشرده شدن توسط پیستون (درحالت تراکم مخلوط وسخت و هوا) باز هم گرمتر می گردد، حال اگر مخلوط سوخت به داخل سیلندر پاشش گردد قبل از آن كه توسط جرقه شمع محترق شود، هوای داغ ورودی باعث احتراق زودرس می شود که به این پدیده خودسوزی گویند، که با بد کار کردن موتور یا لگد(ضربه)زدن موتور ( Knock یا Knocking ) همراه است. براي جلوگيري از پديده فوق مي بايداز بنزين با درجه اكتان بالاتر استفاده نموده و يا نسبت تراكم موتور را كاهش دهيم.

 

میتوان نتیجه گرفت که تنها فشار و تراکم بالای هوا، برای ما ایجاد راندمان بالاتر و قدرت بیشتر را به همراه نخواهد داشت کاهش دادن ( Knock یا Knocking ) هم برای ما کافی نیست تا یک راندمان مناسب را داشته باشیم، پس نیاز به خنک کننده ای داریم تا هوا را تا حد نرمال خنک نگه دارد این خنک کاری همان طور که قبلا هم ذکر شد از طریق آب و روغن و همچنین Enter Cooler امکان پذیر است .

 

اینتر کولر Enter Cooler یا خنک کننده میانی یک نوع رادیاتور است که معمولا از آلومینیوم ساخته می شود. هوایی که توسط توربوشارژر فشرده شد به داخل Enter Cooler وارد می شود و دمای آن تا حد مطلوب گرفته شده وسپس هوای متراکم که خنک، Enter Cooler را به مقصد سیلندر ترک می کند.با بکار گیری اینتر کولر که نقش بسیار مهمی را در افزایش راندمان ایفا می کند می توانیم احتمال پدیده خودسوزی را تا 99% کاهش داد و موتور نرم تر و قوی تر کار می کند .

نکات مهم1 :

اتومبیل های کاربراتوری برای توربو شدن مناسب نیستند ولی می توان این خودرو ها را هم مجهز به توربو شارژر کرد.

قبل از اینکه توربوشارژر به موتور این نوع خودرو ها اضافه شود باید به نکات زیر توجه داشت :

1)استفاده از ECU

2) سیم کشی و سنسور های مناسب برای تطابق موتور با شرایط محیطی مثل آب و هوا و نوع سوخت (اکتان بنزین)

3) استفاده از پیستون های فورج و ترجیحا میل لنگ قوی تر

 4) بهینه سازی سیستم سوخت رسانی و استفاده از پمپ سوخت قوی تر و ریل سوخت بهتر و سوزن انژکتورهای بزرگتر

5) بهینه سازی سیستم برق خودرو و استفاده از کوئل،وایر و شمع های بهتر .

 هر کدام از موارد بالا از مهمترین عوامل در بالا بردن راندمان موتور خودرو است و نقص در هر کدام صدمات جدی را در بر خواهد داشت . 

پس افت  Lag:

يكي از مشكلات توربوشارژ این است كه، توربوشارژها نمي توانند يك قدرت فوري را زماني كه شما پدال گاز را فشار مي دهيد، ايجاد نمايند و مدت زماني را نیاز دارند تا توربين را چرخانده و هواي متراكم شده را به داخل موتور بفرستد، به همين خاطر شما در ابتدای حركت خودروي خود، احساس يك حركت ناگهاني به طرف جلو مي كنيد دليل اين موضوع نيروي اينرسي (واماندگي) قسمت چرخنده توربين گاز مي باشد، اما مي توانيم با تمهيداتي نيروي اينرسي را كاهش داده تا توربين بتواند در مدت زمان كوتاهي شتاب گرفته و ديگر پديده پس افت  Lagايجاد نشود، كه به مواردي اشاره مي كنيم:

 1) استفاده از توربوشارژرهاي كوچك به جاي توربوشارژهاي بزرگ:

 يكي از راههاي كه مي توانيم نيروي اينرسي توربين را كاهش دهيم آن است كه از توربوشارژرهاي كوچك استفاده نمائيم زيرا توربوشارژرهاي كوچك سريعتر شتاب گرفته و در دور پائين موتور تقويت بهتري ايجاد مي نمايند اما نمي توانند تقويت بيشتري را در دورهاي بالاي موتور كه ما نياز به وارد نمودن حجم بيشتري از هوا به موتور هستيم را توليد كنیم و نباید دور توربين در آنها خيلي بالا رود، در جاهائي كه ما نياز به شتاب بالا در توربين و مقدار بيشتري از هواي ورودي به موتور را داريم مي توانيم از دو توربوشارژر كوچك كه به صورت مجزا از يكديگر مي باشند،استفاده نمائيم که به این نوع توربوشارژرها، توربوشارژهاي دوقلو Twin TurboCharger نيز مي گويند، كه شركتهاي خودروسازي همچون Toyota، Ford، Mazda و Volvo اين نوع توربوشارژر را در برخي از توليدات خود به كار برده اند.

 2) استفاده از توربين گاز با پره هاي سراميكي:

همان طور كه مي دانيد توربين گاز با پره هاي سراميكي سبكتر از توربين گاز با پره هاي فولادي آلیاژی هستند در نتيجه اين امر باعث مي شود كه توربين سريعتر شتاب گرفته و نيروي اينرسي كاهش يابد.

 3) استفاده از ياتاقانهاي توپي Ball Bearing به جاي ياتاقانهاي سيالي:

 برخي از توربوشارژها از ياتاقانهاي توپي به جاي ياتاقانهاي سيالي استفاده مي كنند كه ياتاقانهاي فوق بسيار دقيق و از مواد پيشرفته و خاصي ساخته شده اند تا بتوانند سرعت و حرارت شفت را كنترل نمايند.

 

 

 

ياتاقانهاي توپي باعث مي شوند كه شفت با اصطكاك كمتري بچرخد و همچنين اين نوع ياتاقانها به ما اجازه مي دهد تا از شفتهاي كوچكتر و سبكتر استفاده نمائيم كه امر فوق باعث مي شود تا توربين با شتاب بيشتري چرخيده و نيروي اينرسي آن كاهش يابد.

4) استفاده از توربوشارژرهاي ترتيبي  Sequential Turbocharger:

 برخي از موتورها، از دو توربوشارژ با اندازه مختلف استفاده مي كنند كه توربوشارژر كوچكتر در دور پائين موتوراستفاده می شود تا پس افت را كاهش دهد و توربوشارژر بزرگتر در دورهاي بالاتر موتور كه نياز به تقويت و حجم بيشتري از هوا داريم كاربرد دارد. اين نوع توربوشارژ در BMW سري 5 مدل 535d استفاده شده است.

 نکات مهم2 :

 در هنگام استارت زدن موتور توربو نباید بصورت ناگهانی به موتور گاز داد بلکه باید کمی صبر کرد تا موتور گرم شده و فشار روغن به حد مناسب برسد. در ابتدای رانندگی نباید پدال گاز را تا انتها فشرد و اصطلاحا باید توربوشارژر را آهسته زیر بار برد، زمانی که موتور گرم شدنباید به صورت مداوم توربوشارژر را تحت فشار نگه داشت بلکه باید پس از هر 10تا15 دقیقه استفاده از توربوشارژ، 3تا4 دقیقه موتور را در حالت کم گاز یا Ldle نگه داریم تا روغن و آب که وظیفه خنک کاری توربوشارژر را برعهده دارند ، گرمای توربو را از آن گرفته و گرمای آن را به رادیاتور روغن و آب منتقل کنند.

در زمان خاموش کردن موتور، ابتدا باید کمی صبر کرد تا خنک کننده ها حرارت را کاهش دهند و سپس موتور را خاموش کرد که برای این منظور زمانی در حدود 2تا 3 دقیقه کافی می باشد.

نقش روغن موتور در توربوشارژها Oil Motors :

 روغن موتور در موتورهای تقویت شده، باید مرتب کنترل و در هنگام لزوم آن را تعویض نمود. 

 

در ياتاقانهاي سيال Fluid Bearing ، بين شفت و ياتاقان يك لايه روغن قرار دارد كه این روغن دو وظيفه مهم را بر عهده دارد:     
  ۱- باعث خنك شدن شفت و ساير قسمتهاي توربوشارژ مي شود 
  ۲- باعث از بين رفتن اصطكاك بين شفت و ياتاقان هنگام چرخش مي گردد.
برای کنترل فشار روغن، باید حتما از روغن با درجات استاندارداستفاده کرد، در موتور های توربو بهتر است از روغن هایSynthetic   یا طبیعی استفاده کرد .

 

بهترین توربوشارژرها امروزه در شرکت هایی همچون "Garrett,Torbonetics Mitsubishi ,Holset ,kkk ,AGP ,AirResearch   ساخته می شوند.

  تفاوت توربوشارژرها  Turbocharger با سوپر شارژرها  Supercharge:
 

ساختار موتورهای سوپر شارژر Supercharge مشابه توربو شارژر است با اين تفاوت که در سوپر شارژرها توربين وجود ندارد و کمپرسور قدرت خود را مستقيما (با استفاده از تسمه یا زنجير) از موتور گرفته و هوای ورودی به سيلندر را فشرده مي کند.

 

با اين که استفاده از سوپر شارژرها مقداری از قدرت موتور را مي گيرد اما در موارد خاص که ايجاد سرو صدای کمتر مهم بوده يا قيمت تمام شده از اهميت بيشتری برخوردار است یا فضای کمی در محفظه موتور موجود باشد از سوپر شارژ استفاده مي کنند.

 

 

يكي از مزاياي بزرگ توربوشارژرها Turbocharger آن است كه، افزايش قدرت خروجي موتور آنها در مقايسه با وزن آنها بسيار ناچيز است و اين يكي از دلايلي است كه باعث شده توربوشارژرها تا اين اندازه محبوب و معروف گردند.
در مجموع با توجه با اين که توربوشارژرها Turbocharger از انرژی گاز خروجی که بلا استفاده است، استفاده مي کنند از بازده بهتري برخوردار مي باشند.

 

 

امیدوارم از این مطالب خوشتون آمده باشه ، نظر یادتون نره!

 

 

نظرات شما عزیزان: