توربو شارژر و سوپر شارژر

رد اين توربوشارژر را همچنين مي توان در خودروهاي ديزلي بزرگ هم مشاهده کرد. امروزه مي‌توان خودروهاي سواري زيادي را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه‌اي از آنها نصب شده است.
توربوشارژر وسيله‌اي است که مي‌تواند 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 گسترده‌اي برخوردار است! در اينجا قصد داريم بفهميم که توربوشارژر چگونه مي‌تواند بدون آنکه تغيير چنداني در وضعيت فيزيکي موتور ايجاد کند، قدرت را به مقدار بسيار زيادي افزايش دهد. همچنين خواهيم ديد دريچه‌هاي خروجي، پره‌هاي 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 مي‌دمد. هنگامي که پيستون در حالت عکس قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور ديزلي، هوا) را به درون سيلندر مي‌مکد. هر چه فشار هوا بيشتر باشد مقدار مولکولهاي هوا بيشتر خواهد بود، و بالتبع 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 مي‌کند. توربوشارژر به سادگي مي‌تواند 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 مي‌برد، در نتيجه حجم و وزن خودرو نيز کمتر مي‌شود و اين بدان معني است که شتاب خودروي مجهز به توربوشارژر بيشتر است و سريع‌تر به سرعت مناسب دست پيدا مي‌کند.
توربوشارژر قدرت لازم براي فشرده کردن هواي ورودي را از کجا تأمين مي‌کند؟ در نوع ابتدايي توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نياز از ميل لنگ گرفته مي‌شد، يعني بخشي از توان توليدي خودرو صرف فشرده سازي هواي ورودي مي شد. ولي در نوع پيشرفته‌تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجي اگزوز استفاده مي‌شود. گازهاي خروجي اگزوز داغ هستند و مي‌توان از انرژي جنبشي، سرعت و فشار آنها براي چرخاندن يک توربين استفاده کرد. اين توربين هم يک پمپ هوا را مي‌گرداند و در نهايت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سيلندر مي‌فرستد. توربين نصب شده در مسير گازهاي خروجي گاه به سرعت 150 هزار دور در دقيقه مي رسد که بيش از 30 بار سريع‌تر از دور موتور اغلب خودروهاي امروزي است.
دماي اين توربين هم به دليل تماس با گازهاي داغ خروجي بسيار بالاست. اين دو عامل موجب مي‌شوند توربين از فناوري پيشرفته‌اي برخوردار باشد تا بتواند کارآيي و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند.
يک نگاه آماري: توربوشارژرهاي رايج مي‌توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کيلوپاسکال بيشتر از هواي محيط برسانند. از آنجايي که فشار هواي سطح دريا 100 کيلوپاسکال است، مشخص مي‌شود که توربوشارژر تقريباً 50 درصد هواي بيشتر وارد سيلندر مي‌کند. بنابراين انتظار مي‌رود 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 مي‌گردد که کار مورد نياز توربوشارژر رايگان نيست. هنگامي که گاز خروجي اگزوز توربين را مي‌چرخاند، 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 مي‌کند.
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 مي‌شود. خودروهاي معمولي در چنين ارتفاعاتي با کاهش قدرت مواجه مي‌شوند، ولي خودروهاي مجهز به توربوشارژر عليرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه مي‌شوند، ولي مقدار اين کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم براي فشرده کردن گاز رقيق کمتر است!
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 مي‌شود که گاز داراي بيشترين سرعت و دماي ممکن باشد. پره‌هاي توربين با طراحي خاص مي‌توانند به گردش 150 هزار دور در دقيقه دست پيدا کنند، ولي انتقال چنين گردشي به کمپرسور کار ساده‌اي نيست. ميل محوري که پروانه توربين را به پره‌هاي کمپرسور متصل مي‌کند، بايد داراي پايداري بسيار بالايي باشد. اغلب ميل محورهاي معمولي در چنين سرعت بالايي منفجر مي‌شوند، زيرا هم دماي ميله بسيار بالا مي‌رود، هم اندکي جابه‌جايي 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 مي‌شود. در چنين ياتاقانهايي، لايه نازکي از روغن اطراف ميل محور را مي‌پوشاند و بدين ترتيب، هم ميل محور را خنک مي‌كند و هم اصطکاک‌هاي احتمالي را به حداقل مي‌رساند.
پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در مي‌آيد. کمپرسور همانند يک پمپ سانتريفوژ عمل مي‌کند، بدين ترتيب که هوا را از مرکز به گردش در مي‌آورد و در نهايت هواي فشرده شده را از حفره تعبيه شده در محيط خارج به بيرون مي‌دمد.
محدوديت هاي توربوشارژر
الف- فشار: فشار حداکثر درون سيلندر نبايد از يک مقدار مجاز بيشتر شود. هنگامي که مخلوط هوا و سوخت در سيلندر يک خودروي بنزيني متراکم مي شود، دماي آن نيز همراه با فشار افزايش خواهد يافت. فشار بيش از اندازه به ديواره هاي سيلندر، سرسيلندر و حتي پيستون و ميل لنگ موجب کاهش عمر مفيد آنها مي‌شود.
افزايش دما اثري به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصي بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت مي‌توانند پيش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدين ترتيب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال مي‌شود، بلکه ضربه ناشي از احتراق مي‌تواند آسيب‌هاي جدي به موتور وارد آورد. از اين رو برخي با کاهش دادن نسبت تراکم سيلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه مي‌دارند. البته برخي ديگر سوختي با اکتان بالاتر را براي موتور پيشنهاد مي‌كنند.
ب- زمان تأخير: يکي از مهم‌ترين مشکلات توربوشارژر اين است که نمي‌توانند افزايش قدرت را به طور ناگهاني اعمال کنند. هنگامي که به پدال گاز فشار مي‌آوريد، حدوداً يک ثانيه طول مي‌کشد تا توربين به سرعت لازم دست پيدا کند و افزايش قدرت اعمال شود. بنابراين افزايش قدرت با کمي تأخير حاصل مي‌شود. يکي از روش‌هاي کاستن اين زمان تأخير، پايين آوردن اينرسي قطعات است که معمولاً از طريق سبک کردن قطعات بدست مي‌آيد؛ بدين ترتيب توربين و پمپ سريع تر شتاب مي‌گيرند و قدرت سريع تر اعمال مي شود.
ج- اندازه توربوشارژر: اندازه توربوشارژر هم مزايا و معايبي به همراه دارد. هر چه توربوشارژر کوچکتر باشد، زمان تأخير کمتري دارد و سريع تر قدرت را اعمال مي‌کند، ولي در سرعت هاي بسيار بالا که بايد حجم زيادي هوا را وارد سيلندر کند، کم توان و گاه خطرناک ظاهر مي‌شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ مي‌تواند به خوبي از عهده پمپ کردن حجم زياد هوا برآيد، ولي زمان تأخير آن بيشتر خواهد بود
خوشبختانه راه‌حل‌هاي جالبي براي مقابله با اين مشکلات پيشنهاد شده است که به برخي از آنها اشاره مي‌کنيم:
- دريچه اگزوز (wastegate)
بسياري از خودروهاي توربوشارژردار از يک يا چند دريچه کمکي در مجراي اگزوز سود مي‌برند که آنها را قادر مي‌سازد از توربوشارژرهاي کوچک استفاده کنند. هنگامي که سرعت خودرو بسيار بالا مي‌رود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزايش مي‌يابد، اين خطر وجود دارد که توربين با سرعت بسيار بالاتري بگردد. از اين شرايط اين دريچه‌ها باز شده و بخشي از اگزوز بدون آنکه از توربين عبور کند، از موتور خارج مي‌شود. به اين ترتيب سرعت دوران توربين در سرعت‌هاي بالا هم در حد مجاز باقي مي‌ماند.
- ياتاقانهاي ساچمه‌اي
در اين ياتاقانها، از ساچمه‌هاي بسيار پيشرفته‌اي استفاده شده که از مواد بسيار پيشرفته و با فناوري فرا دقيق ساخته شده‌اند.
اين ياتاقانها موجب مي‌شوند ميل محور با اصطکاک کمتري نسبت به ياتاقانهاي روغني که در اغلب نمونه‌ها استفاده مي‌شود، بگردد؛ ضمن آنکه موجب مي شود از ميل محورهاي کوچکتر و سبکتري هم بتوان استفاده کرد. اين چنين ميل محور سريع‌تر شتاب مي‌گيرد و زمان تأخير کاهش مي‌يابد.
- پره‌هاي سراميکي توربين
سراميک، دسته‌اي از مواد هستند که استحکام خوبي دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبک‌ترند. استفاده از اين پره‌ها به جاي پره‌هاي فلزي دو مزيت دارد، نخست آنکه با سبک‌تر کردن توربين، زمان تأخير را کاهش مي‌دهد و دوم، چون بر همکنش با مواد خورنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را براي مدت‌ها حفظ مي‌کند و مانند پره فلزي خورده نمي‌شود.
- خنک کننده داخلي
هنگامي که توربوشارژر هوا را فشرده مي‌کند، خواه نا خواه دماي هوا نيز افزايش مي‌يابد. اين افزايش دما جداي از تأثير مخرب بر حداکثر فشار درون سيلندر، موجب مي‌شود مولکولهاي هوا کمتر از آن مقداري باشند که در طراحي خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از يک خنک کننده استفاده مي‌شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دماي آن به مقدار قابل توجهي کاهش يابد. بدين ترتيب مي‌توان با اطمينان خاطر و بدون نگران بودن از پيش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر رساند.
سوپر شارژر
سوپر شارژرها كمپرسورهايي هستند كه توان مورد نياز خود را براي فشردن هوا از موتور مي‌گيرند . و توربو شارژر ها، همان سوپر شارژر هايي هستند كه نيروي محركه خود را از دودهاي خروجي از اگزوز مي‌گيرند .
سه نوع سوپر شارژر وجود دارد :
• نوع دمنده اي
• نوع گريز از مركز
• نوع مارپيچي
كه همگي آنها قدرت رانشي خود را بطريقي از ميل لنگ موتور مي‌گيرند بطوريكه سرعت بالاتر موتور ، باعث سريع‌تر چرخيدن آنها مي‌شود .
دو نوع اول با سرعتي معادل 15000 دور در دقيقه و نوع سوم يا گريز از مركز با سرعتي معادل 40000 دور در دقيقه مي‌چرخد .
مقايسه توربو شارژر و سوپر شارژر
زمان در سرويس قرار گرفتن : سوپرشارژرها بلافاصله بعد از روشن نمودن و چرخش موتور، در سرويس قرار مي‌گيرند و هواي فشرده را در اختيار موتور قرار مي‌دهند هر چند اين ميزان تقويت اوليه براي موتور، خيلي اندك است ولي بتدريج با دور گرفتن موتور افزايش مي‌يابد و حاصل آن افزايش آرام و يكنواخت توان موتور است .
اما در مقابل توربو شارژر ها نقطه ضعفي دارند كه آن را تاخير در واكنش نشان دادن مي‌نامند. چون لختي كه توربو شارژرها در آغاز كار دارند و بايد ابتدا دودهاي خروجي داغ توليد شوند تا دور بگيرند (spool up) باعث مي‌شود كه مدتي طول بكشد تا هوا را براي فرستادن به موتور فشرده كنند و بنابراين تا دور موتور بالا نرفته است نمي‌توانند هوا را به شكل دلخواه فشرده كنند.
در حالتي كه دريچه هواي ورودي آنها باز باشد (wide open throttle =wot) معمولا يك افزايش ناگهاني در قدرت توربو شارژر پديد مي‌آيد. اين موضوع در دورهاي حدود rpm 3000 صورت مي‌گيرد و در اين حالت اگر شما خودرويي را كه توربو شارژر دارد رانده باشيد، ضربه‌هايي را كه وارد مي‌شود حس خواهيد كرد.
البته اين امكان وجود دارد كه توربو شارژرها را در اندازه‌اي ساخت كه واكنش اوليه آنها سريع‌تر باشد . مثلاً موتور هاي ديزلي وجود دارد كه توربو شارژرهاي آنان به اندازه‌اي كوچك است كه دور آن به 2000-1700 دور در دقيقه مي‌رسد. عيب عمده‌اي كه اين نوع توربوشارژرها دارند اين است كه توانهاي بالايي را نمي‌توان از آنها گرفت.
افت توان غير قابل اجتناب
سوپرشارژرها بعلت اينكه نيروي خود را از موتور مي‌گيرند باعث مي‌شوند كه بخشي از توان توليد شده توسط موتور را مصرف كنند اين افت توان غير قابل اجتناب مي‌تواند حتي از 50 اسب بخار هم تجاوز كند البته اين سوپر شارژرها بيش از آنچه انرژي مصرف مي‌كنند به توان موتور اضافه مي‌كنند . ولي توربو شارژرها بعلت اينكه هيچگونه انرژي را از موتور مصرف نمي‌كنند ولي با ايجاد مانع در جريان دودهاي خروجي از موتور و افزايش فشار پس زدن سبب مي‌شوند بخشي از توان موتور بطور غير مستقيم كاسته شود . چون در اين حالت پيستون بايد انرژي بيشتري را براي بيرون راندن دودهاي خروجي از سيلندر صرف كند ولي از طرف ديگر استفاده از توربو شارژر باعث مي‌شود كه هواي فشرده با فشار وارد سيلندر شود و همين موضوع باعث محكم به پائين رفتن پيستون و دادن انرژي به آن مي شود كه با انرژي كه قبلاً گفته شد خنثي مي‌شود. بهر حال استفاده از توربو شارژر بعلت اينكه تواني براي كار كردن از موتور نمي‌گيرد و باعث بالا رفتن توان موتور مي‌شود معمول تر از سوپر شارژر است.
توليد حرارت
هنگاميكه هواي ورودي خنك‌تر باشد متراكم‌تر و چگال‌تر است كه بدين مفهوم است كه اكسيژن بيشتري در واحد حجم به موتور مي‌رسد . اكسيژن بيشتر به مفهوم توان بيشتر است سوپر شارژرهاي دمنده‌اي از اين جهت كه توليد گرما مي‌كنند مطلوب نيستند اين گرماي توليد شده حاصل ناكافي بودن تراكم هواي ورودي است و از اين روي توربوشارژرها كارآيي بيشتري نسبت به سوپر شارژرها دارند .
سوپر شارژرهاي گريز از مركز مي‌توانند از اين جهت بهتر از توربو شارژرها باشند و قابليت انعطاف بيشتري را از خود بروز دهند. با قرار دادن لوله هواي ورودي به موتور در نزديكي دودهاي خروجي مي‌توان هواي ورودي به موتور را گرمتر كرد . سوپر شارژرهاي گريز از مركزي كه خوب طراحي شده باشند مي‌توانند اين گرما را از طريق نصب خنك كننده كاهش دهند .
قابليت اطمينان
مردم اغلب مي‌گويند كه سوپر شارژرها نسبت به توربو شارژرها قابليت اطمينان بيشتري دارند و اين بدان علت است كه توربو شارژرها در حرارت بالا كار مي‌كنند و توسط روغن روانكاري مي‌شوند و هر گاه قبل از خنك شدن آنها موتور خودرو را خاموش كنند اين روغن در معرض حرارت قرار مي‌گيرد و باعث كوتاه شدن عمر كاري توربو شارژر مي‌شود. اما با تعمير و نگهداري و مراقبت‌هاي لازم از توربو شارژر مي توان بر اين مشكل هم فائق آمد.
ميزان تقويت
از نظر حداكثر توان مطلق توليدي استفاده از توربو شارژر امكان بالاتري براي تقويت قدرت موتور ارائه مي‌دهد تا استفاده از سوپر شارژر . مثلاً در تراكتورهايي كه جهت كشش مورد استفاده قرار مي‌گيرند، استفاده از سه توربو شارژر بصورت سري باعث مي‌شود كه سطح تقويت هواي ورودي فشاري معادل psi 200 توليد كند !
نتيجه گيري : توربو شارژر يا سوپر شارژر ؟
اظهار نظر در مورد اينكه استفاده از كداميك (توربو شارژر يا سوپر شارژر) بهتر است كاري مشكل است .
مهم‌ترين مزيت سوپر شارژر اين است كه زمان واكنش نشان دادن آن كم است و به سرعت در سرويس قرار مي‌گيرد (البته غير از نوع گريز از مركز آن ) و استفاده از آن هم ساده است.
از آن طرف عمده‌ترين مزيت توربو شارژر ، كارايي بالاي آن و توليد حداكثر توان است .
اين ديگر بستگي به نظر خريداران خودرو دارد كه تصميم بگيرند كدام نوع را براي وسيله خود انتخاب كنند .