توربو شارژر

توربو شارژر

 توربو شارژر (Turbocharger) در سال ۱۹۰۵ توسط آلفرد بوچی، یک مهندس مکانیک سوئیسی اختراع شد. توربو شارژر در واقع مکنده پرقدرت هواست که جریان هوای ورودی به موتور را فشرده می‌کند و باعث می‌شود تا هوای بیشتری وارد سیلندرهای موتور شود. بدیهی است، هرقدر هوای بیشتری وارد سیلندرهای موتور شود، احتراق در سیلندر با حالت بهینه‌ تری انجام می‌شود. ازاین‌رو در هر بار انفجار، انرژی بیشتری توسط موتور تولید می‌شود. به‌طورکلی، یک موتور مجهز به سیستم توربو شارژر، انرژی بیشتری در مقایسه با یک موتور فاقد تورربوشارژر تولید می کند.

توربو شارژر در حقیقت نسبت قدرت به وزن موتور را افزایش می‌دهد. بدین صورت که جریان خروجی از اگزوز، یک توربین را که به یک پمپ هوا متصل است، می‌چرخاند. توربین متصل به توربو شارژر با سرعت دورانی بیش از 150000 دور در دقیقه می‌چرخد که برآورد شده است این سرعت ٣٠ برابر بیش‌تر از دور موتور است.

.

توربو شارژر از دو قسمت اصلی تشکیل شده است: (1) توربین و (2) کمپرسور. همان‌طورکه گفته شد، توربو شارژر به خروجی اگزوز متصل است. گازهای خروجی از اگزوز، توربین را می‌چرخانند. ازآن جاکه توربین نیز توسط یک محور به کمپرسور متصل است، کمپرسور می‌چرخد و با مکش هوای بیرون، هوای فشرده شده را وارد پیستون می‌کند. هرقدر حجم گاز ورودی به داخل توربین بیش‌تر باشد، سرعت دورانی توربین نیز بیش‌تر می‌شود. در نتیجه، هوای فشرده بیش‌تری نیز وارد سیلندر موتور می‌شود.پس از این که مخلوط سوخت و هوا در داخل سیلندر متراکم شد، احتراق انجام می‌شود و انرژی بسیار زیادی تولید می‌شود. این انرژی در حقیقت از فشار گاز پس از احتراق به دست آمده است که با توجه به اظهار نظر محققان، فشاری برابر با 30 اتمسفر دارد. انرژی حاصل از فشار گاز پس از احتراق را می توان به صورت مفید استفاده کرد. گفتنی است، در موتورهایی که مکش هوا به صورت معمولی و بدون حضور توربو شارژر صورت می‌گیرد، انرژی حاصل از فشار گاز پس از احتراق به سادگی تلف می‌شود، اما سیستم توربو شارژر به گونه‌ای طراحی شده است که از این انرژی و نیروی حاصل از آن برای چرخاندن پره‌های توربین استفاده می‌کند.برای حصول احتراق بهتر و کامل‌تر و در نتیجه کسب راندمان بالاتر، باید هوای بیش‌تری را وارد سیلندر موتور کرد. این هوا باید به صورت فشرده و خشک به دورن سیلندر موتور فرستاده شود. حال اگر خنک‌کاری هوای ورودی به داخل سیلندر موتور به خوبی صورت نگیرد، نتیجه عکس می‌گیریم؛ زیرا با افزایش فشار و سرعت دوران، دما افزایش می یابد. افزایش دما نیز باعث عدم تراکم مولکول‌های هوا می‌شود و در نتیجه نسبت مناسبی از هوا وارد سیلندر موتور نخواهد شد. به عبارت دیگر، هرچه دما بیش‌تر  شود، تراکم هوا کاهش خواهد یافت. هوایی که توسط توربوشارژ، فشرده و وارد سیلندر می‌شود، بسیار گرم است. این هوا پس از ورود به سیلندر و فشرده شدن توسط پیستون، باز هم گرم‌تر می‌شود.

مشکل اساسی در این مرحله این است که  اگر سوخت به داخل سیلندر پاشیده شود، پیش از وقوع احتراق توسط جرقه شمع، این عمل توسط هوای داغ ورودی انجام  شود  به آن احتراق زودرس یا خودسوزی می‌گویند. این پدیده با بد کار کردن موتور همراه است که به اصطلاح به آن لگد زدن موتور نیز گفته می‌شود. برای جلوگیری از وقوع چنین پدیده‌ای، استفاده از سیستم خنک کننده الزامی است. ازاین رو باید هوا را تا حد امکان خنک کرد. بدین منظور از یک نوع رادیاتور که معمولاً از جنس آلومینیوم است، استفاده شده است. هوایی که توسط توربوشارژ متراکم می‌شود، از این سیستم خنک کننده عبور می‌کند و دمای آن تا حد مطلوب کاهش می‌یابد. سپس هوای متراکم و خنک، وارد سیلندر می‌شود و پدیده احتراق به‌طور کامل و بهینه صورت می‌گیرد.کمپرسور پره‌های مخصوصی دارد که در واقع وظیفه مکش هوا و متراکم کردن آن را به عهده دارد. این پره‌ها با دوران کردن، هوا را به داخل توربو شارژر می‌مکند و هوا از مرکز تیغه‌ها وارد توربو شارژر می‌شوند. سپس هوا توسط کمپرسور متراکم می‌شود و با فشار بسیار زیاد به خارج کمپرسور هدایت می‌شود.پره‌های توربین در برخورد با گاز اگزوز به چرخش در می‌آیند و در این مرحله توربو شروع به چرخش می‌کند. چرخش توربین سبب چرخش کمپرسور می‌شود و بدین طریق سیستم فعال می‌گردد. توربین و کمپرسور در یک محفظه حلزونی شکل قرار دارند. هر چه اندازه این محفظه کوچک‌تر باشد، فشار گازهای خروجی از اگزوز بالاتر است و حرکت دورانی توربین سریع‌تر خواهد شد. هرچه محفظه توربین بزرگ‌تر باشد، مدت زمان بیش‌تری نیاز است تا حرکت دورانی توربین به حداکثر دور برسد. گاهی محفظه‌ها تا حد سرخ شدن گرم می‌شود که برای خنک کردن آن‌ها از آب، روغن، یا ترکیبی از هر دو استفاده می‌شود. یکی دیگر از قسمت‌های مهم توربو شارژر، خروجی آن است. دود اگزوز پس از چرخاندن توربین باید از محفظه توربین خارج شود که این کار از طریق این دریچه صورت می‌گیرد. خروجی توربو شارژر با توجه به محفظه توربین، انواع مختلفی دارد که می توان آن را به دو دسته کلی تقسیم کرد: (1) نوع فلانچی که به توربوشارژ پیچ می‌شود و (2) نوع  کمربندی که توسط دو عدد واشر و یک بست مخصوص به توربوشارژ متصل می‌گردد.  

جهت تنظیم فشار داخلی توربوشارژ و جلوگیری از افزایش بیش از حد آن، از یک سوپاپ استفاده شده است. بسیاری از توربو شارژرها یک سوپاپ بایپس (Bypass) یا گذرگاه فرعی دارند که باعث می‌شود در توربوشارژهای کوچک، میزان چرخش آن ها از حد مجازی تجاوز نکند. در واقع سوپاپ بایپس، فشار داخل توربین هوا را کنترل می کند و اگر فشار بالاتر ازحد مجاز رفت، سوپاپ باز می‌شود و مقداری از هوا به خارج از محفظه توربین، هدایت می‌شود. از این طریق، فشار همواره در سطح مطلوبی باقی می‌ماند..