توربوشارژ و انواع توربوشارژر
همه چیز را در مورد توربوشارژ را بخوانید
توربوشارژر و انواع توربو شارژر؛ در ۱۸۸۵میلادی گوتلیب دایملر، مهندس نامدار آلمانی اولین ایده‌ها را برای تقویت موتورهای احتراق داخلی مطرح کرد. ایده‌ی دایملر استفاده از یک مکانیزم چرخ دنده‌ای برای فشرده کردن هوا و تزریق آن به درون سیلندر بود. اما حقیقت آن است که اولین باری که اصطلاح Turbo Charger در لغت‌نامه‌ی صنعتی دنیا مطرح شد، نام «آلفرد بوچی» مهندسی سوئیسی پشت آن قرار گرفت.
بوچی سرمهندس بخش دیزل کمپانی بزرگ Sulzer بود. او ایده‌اش را در قالب یک طرح اختراعی در سال ۱۹۰۵ میلادی به ثبت رساند. طرح بوچی، واقعا هوشمندانه بود. آنچه او ساخت، شامل یک منیفولد حلزونی بود که درون آن یک توربین تعبیه می‌شد.
این سازه به محل گازهای خروجی اگزوز متصل می‌شد و میزان تراکم هوای قابل اشتعال درون سیلندر را بیشتر می‌کرد. به عبارت ساده‌تر توربوشارژر کمپرسوری بود که هوای فشرده را به درون سیلندرها می‌فشرد.
اگرچه ایده‌ی بوچی در ظاهر ساده بود ولی برای اجرایی کردن آن زمان زیادی صرف شد؛ یعنی چیزی حدود ۲۰ سال طول کشید تا توربو شارژر به مرحله‌ی سوددهی برسد.
طی جنگ جهانی اول یک مهندس فرانسوی به اسم «آگوست راتیو» توانست یک توربوشارژ را درون یک موتور کمپانی رنو بگنجاند. این موتور قرار بود به‌عنوان پیشرانه‌ی اصلی هواپیمای جنگنده استفاده شود.
در ۱۹۱۸ کمپانی جنرال الکتریک تولید انبوه موتورهای توربو شارژر برای هواپیماهای جنگنده را آغاز کرد. اولین استفاده از این موتورهای تقویت‌شده روی هواپیماهای معمولی در سال ۱۹۲۰ و توسط کمپانی Napier صورت گرفت. ارتش آمریکا رکورددار اولین استفاده از توربوشارژر در کشتی‌های جنگی در خلال جنگ جهانی دوم بود.
کاربرد توربوشارژ در دیزل ژنراتور چیست؟ با مجهز کردن دستگاه به سیستم تنفس توربوشارژ، می‌توان کمبود فشار اکسیژن را جبران کرد و قدرت موتور را بالا برد. داستان استفاده از توربوشارژر در موتور خودروها، به‌اندازه‌ی تاریخ پیدایش آن پر و پیمان نیست. در دهه‌ی ۵۰ تلاش‌های بسیاری از سوی آلمانی‌ها و آمریکایی‌ها برای تعبیه‌ی یک پیشرانه توربو درون یک خودرو صورت گرفت؛ اما هر بار به دلیل افزایش شدید دمای بلوک پیشرانه و ذوب شدن آن، پروژه متوقف می‌شد.
افزایش ناگهانی دور موتور معضلات متعددی را در بخش انتقال قدرت به‌وجود می‌آورد. در واقع، اغلب خودروسازان هنوز نتوانسته بودند قدرت بی حد و اندازه‌ی توربوها را در مقیاس یک خودرو کنترل کنند.
سرانجام در ابتدای دهه‌ی ۶۰ یعنی درست در ۱۹۶۲ بود که کمپانی جنرال موتورز آمریکا اولین خودروی دنیا که مجهز به پیشرانه توربوشارژ بود را معرفی کرد. این خودرو توسط کمپانی اولدزموبیل از زیرمجموعه‌های GM به اسم Jetfire عرضه شده بود.
بعدها دیگر زیرمجموعه‌ی جنرال موتورز یعنی شورولت نیز از آن روی مدل Monza استفاده کرد. حداقل ۱۰ سال طول کشید تا این فناوری توسط خودروسازان آلمانی کاربردی شود. کمپانی ب‌ام‌و در ۱۹۷۳ بود که برای اولین‌بار از یک خودرو توربوشارژر در اروپا پرده‌برداری کرد.
تولیدکنندگان دیزل ژنراتور هم از بکارگیری توربوشارژ در موتور دیزل محصولات خود بهره برده اند تا راندمان کار دستگاه ژنراتور برق را برای مصارف مورد نیاز تامین برق اضظراری یا دائم کار را افزایش دهند.
توربوشارژر چطور کار می‌کند؟
پیش‌تر گفتیم که مکانیزم توربو در حقیقت فشرده کردن هوا برای احتراق قوی‌تر پیشرانه است. یک موتور دیزل نسبت به موتور هایی که با سوخت بنزین کار می‌کند، از اهمیت بیشتری برخوردار است، زیرا همان فشردگی هوا است که با تزریق سوخت، احتراق رخ می‌دهد. با افزایش حجم هوا یا همان اکسیژن در داخل سیلندر، بعد از جرقه‌زنی شمع انفجار قوی‌تری رخ می‌دهد که باعث بالا رفتن توان پیشرانه می‌شود.
توربوشارژر در واقع یک نوع مکنده‌ی پرقدرت هواست که جریان هوای ورودی به سیلندر را فشرده می‌کند و باعث می‌شود تا هوای بیشتری به سیلندرها وارد شود. توربوشارژر نسبت قدرت به وزن پیشرانه را افزایش می‌دهد.
توربین متصل به توربوشارژر با سرعت دورانی حدودا ۳۰ برابر بیشتر از حالت عادی دوران پیشرانه به چرخش درمی‌آید. گاهی توربوشارژر ها می‌توانند چرخشی معادل ۲۵۰ هزار دور در دقیقه را تحمل کنند.
حال سؤال این است که پروسه‌ی فنی و مهندسی توربو شارژر به چه صورت است. توربوشارژر ها از دو قسمت اصلی توربین که هوای ورودی از گازهای خروجی را با فناوری سانتریفیوژ با سرعت بالا به چرخش درمی‌آوردند. بخش دیگر، کمپرسور یا فشرده‌کننده‌ی هواست که یک سر آن به توربین‌ها و سر دیگر آن به منیفولد ورودی به سیلندر متصل است.
هر دو بخش توربین و کمپرسور متحرک هستند. بر اساس مشاهدات فیزیکی هرچه توربین بزرگ‌تر باشد، میزان هوای فشرده و در واقع میزان تقویت بیشتر خواهد بود.
بزرگ بودن توربین‌ها کارایی آنها را در دور موتورهایی پایین به مشکل می‌اندازد. مدل‌های کوچک‌تر در دور موتورهای پایین عملکرد بهتری دارند ولی هرگز به قدرت نمونه‌ی بزرگ‌تر نیستند. بنابراین پیدا کردن یک سایز مناسب بر حسب توانایی‌های موتور استاندارد یک هنر مهندسی است.
انواع توربوشارژر
توربوشارژر حلزونی ساده
در این مدل، گازهای خروجی تنها از یک مسیر حلزونی حرکت و توربین را می‌چرخانند، سپس توربین را ترک می‌کنند، وارد اگزوز شده و خارج می‌شوند. مسیر حلزونی یک معبر مارپیچ درون پوسته‌ی توربین است که مقطع آن ثابت نیست و کاهش می‌یابد.
این تغییر باعث ثابت نگه داشتن سرعت گازها در برخورد با توربین می‌شود. محور متحرک کمپرسور به همراه توربین روی یک شفت نصب شده است. پره‌های کمپرسور دارای انحنا هستند و تحت تأثیر نیروی گریز از مرکز، هوا را فشرده می‌کند.
هوای فشرده‌شده با سرعت زیاد و فشار کم از سردکننده عبور می‌کند و وارد قسمت حلزونی پوسته‌ی کمپرسور می‌شود. این کار باعث کاهش دما برای جلوگیری از احتراق سوخت به‌وسیله‌ی دمای هوا و افزایش فشار هوا پیش از ورود به موتور خودرو خواهد شد.
توربوشارژر حلزونی با افزاینده‌ی سرعت
این نوع دارای یک حلزون و یک افزاینده‌ی سرعت (پره‌های ثابت روی پوسته‌ی توربین) یا دو حلزون و دو مجرای مستقل است.
گازهای خروجی وارد منیفولد و از آنجا وارد حلزون‌ها می‌شوند. اما به‌جای آنکه مستقیما وارد چرخه‌ی توربین شوند، از روی پره‌های ثابت عبور می‌کنند و با زاویه‌ی مناسب و با انرژی بالاتر با پره‌های توربین برخورد می‌کنند. در این نوع توربو شارژر کمپرسور همانند حلزونی ساده عمل می‌کند.
توربوشارژر ضربانی
در این سیستم از ضربات دودهای خروجی خارج شده از سیلندر استفاده می‌شود. این امر افزایش سرعت توربوشارژر را در پی دارد. منیفولد ضربانی دارای مسیری مستقلی از هر سیلندر است که در انتها به دو کانال اصلی جداگانه تبدیل می‌شود، این دو کانال به دو کانال روی پوسته‌ی توربین می‌پیوندند.
منیفولد ضربانی دارای مقطع نسبتا کوچکی است تا از ضربات بهره‌ی بیشتری ببرد. چراکه در منیفولد دود بزرگ تر، اتلاف انرژی بالاتر است. شکل منیفولد ضربانی به‌گونه‌ای طراحی شده تا از جریان گازهای آزاد (بدون ضربه) نیز به‌خوبی گازهای توده‌ای (همراه با ضربه) استفاده کند.
این ویژگی در حین شتاب گیری باعث افزایش سرعت و تداوم رسیدن انرژی گازهای خروجی به توربین، افزایش میزان اکسیژن و در نتیجه افزایش قدرت موتور خودرو می‌شود.
مقالات مرتبط:
یک دیدگاه