همه چیز در مورد توربوشارژرها و سوپرشارژرها  

:
هنگامی که مردم در مورد خودروهای مسابقه‌ای و یا خودروهای ورزشی با کیفیت صحبت می‌کنند (از جمله خودروهای فرمول یک)، خواه ناخواه صحبت از توربوشارژر هم به میان می‌آید.
توربوشارژر وسیله‌ای است که می‌تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهی افزایش دهد، قدرت موتور را بسیار بالا ببرد و به همین دلیل است که از چنین محبوبیت گسترده‌ای برخوردار است. در اینجا قصد داریم بفهمیم که توربوشارژر چگونه می‌تواند بدون آنکه تغییر چندانی در وضعیت فیزیکی موتور ایجاد کند، قدرت را به مقدار بسیار زیادی افزایش دهد. همچنین خواهیم دید دریچه‌های خروجی، پره‌های سرامیکی توربین، مجراهای عبور گاز چگونه کارایی سوپر شارژر را بهبود می‌بخشند.

توربوشارژر چیست؟
توربوشارژر نوعی سیستم دمنده است که هوا را با فشار زیادی به درون سیلندر می‌دمد. هنگامی که پیستون در حالت عکس قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور دیزلی، هوا) را به درون سیلندر می‌مکد. هر چه فشار هوا بیشتر باشد مقدار مولکول‌های هوا بیشتر خواهد بود و بالتبع مخلوط هوا و سوخت بیشتری در سیلندر جای خواهد گرفت. هر چه سوخت بیشتر باشد، قدرت ناشی از احتراق هم بیشتر خواهد بود.
بدین‌ترتیب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بیشتری نسبت به موتور معمولی تولید می‌کند. توربوشارژر به سادگی می‌تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، یعنی با قدرت مساوی، خودروی مجهز به توربوشارژر از موتوری با وزن و حجم کمتر سود می‌برد، در نتیجه حجم و وزن خودرو نیز کمتر می‌شود و این بدان معنی است که شتاب خودروی مجهز به توربوشارژر بیشتر است و سریعتر به سرعت مناسب دست پیدا می‌کند.
توربوشارژر قدرت لازم برای فشرده کردن هوای ورودی را از کجا تامین می‌کند؟ در نوع ابتدایی توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نیاز از میل‌لنگ گرفته می‌شود، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو صرف فشرده‌سازی هوای ورودی می‌شود. ولی در نوع پیشرفته‌تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجی اگزوز استفاده می‌شود. گازهای خروجی اگزوز داغ هستند و می‌توان از انرژی جنبشی، سرعت و فشار آنها برای چرخاندن یک توربین استفاده کرد. این توربین هم یک پمپ هوا را می‌گرداند و در نهایت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سیلندر می‌فرستد. توربین نصب شده در مسیر گازهای خروجی گاه به سرعت 150 هزار دور در دقیقه می‌رسد که بیش از 30 بار سریعتر از دور موتور اغلب خودروهای امروزی است.
دمای این توربین هم به دلیل تماس با گازهای داغ خروجی بسیار بالاست. این دو عامل موجب می‌شوند توربین از فناوری پیشرفته‌ای برخوردار باشد تا بتواند کارایی و دوام خود را تا مدت‌ها حفظ کند.

یک نگاه آماری:
توربوشارژرهای رایج می‌توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کیلوپاسکال بیشتر از هوای محیط برسانند. از آنجایی که فشار هوای سطح دریا 100 کیلوپاسکال است، مشخص می‌شود که توربوشارژر تقریباً 50 درصد هوای بیشتر وارد سیلندر می‌کند. بنابراین انتظار می‌رود که قدرت هم تا 50 درصد افزایش یابد. ولی به دلیل برخی تلفات، این افزایش قدرت بین 30 تا 40 درصد خواهد بود. یکی از دلایل این اتلاف به این موضوع باز می‌گردد که کار مورد نیاز توربوشارژر رایگان نیست. هنگامی که گاز خروجی اگزوز توربین را می‌چرخاند، بدان معنی است که مقاومتی در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پیستون باید فشار بیشتری اعمال کند تا گاز تخلیه شود و این بخشی از قدرت موتور را مصرف می‌کند.
یکی دیگر از مزایای توربوشارژر، قابلیت بهبود کارکرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات، فشار هوا کمتر است و در نتیجه هوای کمتری در سیلندر وارد می‌شود. خودروهای معمولی در چنین ارتفاعاتی با کاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی خودروهای مجهز به توربوشارژر علیرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی مقدار این کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم برای فشرده کردن گاز رقیق کمتر است!
همانطور که اشاره شد، یک توربوشارژر معمولی از یک توربین، یک میل محور (شافت) و یک کمپرسور تشکیل شده است. مجرای گاز خروجی اگزوز معمولا به گونه‌ای طراحی می‌شود که گاز دارای بیشترین سرعت و دمای ممکن باشد. پره‌های توربین با طراحی خاص می‌توانند به گردش 150 هزار دور در دقیقه دست پیدا کنند، ولی انتقال چنین گردشی به کمپرسور کار ساده‌ای نیست. میل محوری که پروانه توربین را به پره‌های کمپرسور متصل می‌کند، باید دارای پایداری بسیار بالایی باشد. اغلب میل محورهای معمولی در چنین سرعت بالایی منفجر می‌شوند، زیرا هم دمای میله بسیار بالا می‌رود، هم اندکی جابه‌جایی و عدم تعادل در نصب میل محور کافی است تا در این سرعت، میل محور به بیرون پرتاب شود. از این رو از یاتاقان‌های روغنی برای مهار میل محور در توربوشارژر استفاده می‌شود. در چنین یاتاقان‌هایی، لایه نازکی از روغن اطراف میل محور را می‌پوشاند و بدین‌ترتیب، هم میل محور را خنک می‌کند و هم اصطکاک‌های احتمالی را به حداقل می‌رساند.
پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش درمی‌آید. کمپرسور همانند یک پمپ سانتریفوژ عمل می‌کند، بدین ترتیب که هوا را از مرکز به گردش درمی‌آورد و در نهایت هوای فشرده شده را از حفره تعبیه شده در محیط خارج بیرون می‌دمد.

محدودیت‌های توربوشارژر
الف- فشار: فشار حداکثر درون سیلندر نباید از یک مقدار مجاز بیشتر شود. هنگامی که مخلوط هوا و سوخت در سیلندر یک خودروی متراکم می‌شود، دمای آن نیز همراه با فشار افزایش خواهد یافت. فشار بیش از اندازه به دیواره‌های سیلندر، سرسیلندر و حتی پیستون و میل‌لنگ موجب کاهش عمر مفید آنها می‌شود.
افزایش دما اثری به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصی بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت می‌توانند پیش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدین‌ترتیب نه تنها چرخه عظیم موتور دچار اخلال می‌شود، بلکه ضربه ناشی از احتراق می‌تواند آسیب‌های جدی به موتور وارد آورد. از این رو برخی با کاهش دادن نسبت تراکم سیلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه می‌دارند. البته برخی دیگر سوختی با اکتان بالاتر را برای موتور پیشنهاد می‌کنند.
ب- زمان تأخیر: یکی از مهمترین مشکلات توربوشارژر این است که نمی‌توانند افزایش قدرت را به طور ناگهانی اعمال کنند. هنگامی که به پدال گاز فشار می‌آورید، حدوداً یک ثانیه طول می‌کشد تا توربین به سرعت لازم دست پیدا کند و افزایش قدرت اعمال شود. بنابراین افزایش قدرت با کمی تاخیر حاصل می‌شود. یکی از روش‌های کاستن این زمان تاخیر، پایین آوردن اینرسی قطعات است که معمولاً از طریق سبک کردن قطعات بدست می‌آید؛ بدین‌ترتیب توربین و پمپ سریعتر شتاب می‌گیرند و قدرت سریعتر اعمال می‌شود.
ج- اندازه توربوشارژر: اندازه توربوشارژر هم مزایا و معایبی به همراه دارد. هر چه توربوشارژر کوچکتر باشد، زمان تاخیر کمتری دارد و سریعتر قدرت را اعمال می‌کند، ولی در سرعت‌های بسیار بالا که باید حجم زیادی هوا را وارد سیلندر کند، کم‌توان و گاه خطرناک ظاهر می‌شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ می‌تواند به خوبی از عهده پمپ کردن حجم زیاد هوا برآید. ولی زمان تاخیر آن بیشتر خواهد بود.
خوشبختانه راه‌حل‌های جالبی برای مقابله با این مشکلات پیشنهاد شده است که به برخی از آنها اشاره می‌کنیم:
- دریچه اگزوز (waste gate)
بسیاری از خودروهای توربوشارژردار از یک یا چند دریچه کمکی در مجرای اگزوز سود می‌برند که آنها را قادر می‌سازد از توربوشارژرهای کوچک استفاده کنند. هنگامی که سرعت خودرو بسیار بالا می‌رود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزایش می‌یابد، این خطر وجود دارد که توربین با سرعت بسیار بالاتری به گردش در آید. در این شرایط این دریچه‌ها باز شده و بخشی از اگزوز بدون آنکه از توربین عبور کند، از موتور خارج می‌شود. به این ترتیب سرعت دوران توربین در سرعت‌های بالا هم در حد مجاز باقی می‌ماند.

- یاتاقان‌های ساچمه‌ای
در این یاتاقان‌ها، از ساچمه‌های بسیار پیشرفته‌ای استفاده شده که از مواد بسیار پیشرفته و یا فناوری فرا دقیق ساخته شده‌اند.
این یاتاقان‌ها موجب می‌شوند میل محور با اصطکاک کمتری نسبت به یاتاقان‌های روغنی که در اغلب نمونه‌ها استفاده می‌شود، به گردش در آید؛ ضمن آنکه موجب می‌شود از میل محورهای کوچکتر و سبک‌تری هم بتوان استفاده کرد. این چنین میل محور سریع‌تر شتاب می‌گیرد و زمان تاخیر کاهش می‌یابد.

- پره‌های سرامیکی توربین
سرامیک، دسته‌ای از مواد هستند که استحکام خوبی دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبک‌ترند. استفاده از این پره‌ها به جای پره‌های فلزی دو مزیت دارد، نخست آنکه با سبکترکردن توربین، زمان تاخیر را کاهش می‌دهد و دوم، چون بر هم‌کنش با مواد خورنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را برای مدتها حفظ می‌کند و مانند پره فلزی خورده نمی‌شود.

-خنک‌کننده داخلی
هنگامی که توربوشارژر هوا را فشرده می‌کند، خواه ناخواه دمای هوا نیز افزایش می‌یابد. این افزایش دما جدای از تاثیر مخرب بر حداکثر فشار درون سیلندر، موجب می‌شود مولکول‌های هوا کمتر از آن مقدار باشند که در طراحی خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از یک خنک‌کننده استفاده می‌شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دمای آن به مقدار قابل توجهی کاهش یابد. بدین‌ترتیب می‌توان با اطمینان خاطر و بدون نگران بودن از پیش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر می‌رساند.
سوپرشارژر
سوپرشارژرها کمپرسورهایی هستند که توان موردنیاز را برای فشردن هوا از موتور می‌گیرند و توربوشارژرها، همان سوپرشارژرهایی هستند که نیروی محرکه خود را از دودهای خروجی از اگزوز می‌گیرند.
سه نوع سوپرشارژر وجود دارد:
- نوع دمنده‌ای
- نوع گریز از مرکز
- نوع مارپیچی

که همگی آنها قدرت رانشی خود را به طریقی از میل‌لنگ موتور می‌گیرند. بطوریکه سرعت بالاتر موتور، باعث سریعتر چرخیدن آنها می‌شود.
دو نوع اول با سرعتی معادل 15000 دور در دقیقه و نوع سوم یا گریز از مرکز با سرعتی معادل 40000 دور در دقیقه می‌چرخد.

مقایسه توربوشارژر و سوپرشارژر
زمان در سرویس قرار گرفتن:
سوپرشارژرها بلافاصله بعد از روشن نمودن و چرخش موتور، در سرویس قرار می‌گیرند و هوای فشرده را در اختیار موتور قرار می‌دهند هر چند این میزان تقویت اولیه برای موتور، خیلی اندک است ولی به تدریج با دور گرفتن موتور افزایش می‌یابد و حاصل آن افزایش آرام و یکنواخت توان موتور است.
اما در مقابل توربوشارژرها نقطه ضعفی دارند که آن را تاخیر در واکنش نشان دادن می‌نامند. چون لختی که توربوشارژرها در آغاز کار دارند و باید ابتدا دودهای خروجی داغ تولید شوند تا دور بگیرند (spool up) باعث می‌شود که مدتی طول بکشد تا هوا را برای فرستادن به موتور فشرده کنند و بنابراین تا دور موتور بالا نرفته است می‌توانند هوا را به شکل دلخواه فشرده کنند.
در حالتی که دریچه هوای ورودی آنها باز باشد (wide open throttle =wot) معمولا یک افزایش ناگهانی در قدرت توربو شارژر پدید می‌آید. این موضوع در دورهای حدود rpm3000 دارند این است که توان‌های بالایی را نمی‌توان از آنها گرفت.

افت توان غیر قابل اجتناب
سوپرشارژرها به علت اینکه نیروی خود را از موتور می‌گیرند باعث می‌شوند که بخشی از توان تولید شده توسط موتور را مصرف کنند این افت توان غیرقابل اجتناب می‌تواند حتی از 50 اسب بخار هم تجاوز کند البته این سوپرشارژرها بیش از آنچه انرژی مصرف می‌کنند به توان موتور اضافه می‌کنند. ولی توربوشارژر به علت آنکه هیچگونه انرژی را از موتور مصرف نمی‌کنند ولی با ایجاد مانع در جریان دودهای خروجی از موتور و افزایش فشار پس زدن سبب می‌شوند از بخشی از توان موتور بطور غیرمستقیم کاسته شود. چون در این حالت پیستون باید انرژی بیشتری را برای بیرون راندن دودهای خروجی از سیلندر صرف کند ولی از طرف دیگر استفاده از توربوشارژر باعث می‌شود که هوای فشرده وارد سیلندر شود و همین موضوع باعث محکم به پایین رفتن پیستون و دادن انرژی به آن می‌شود که با انرژی که قبلاً گفته شد خنثی می‌شود. به‌ هر حال استفاده از توربوشارژر به علت اینکه توانی برای کار کردن از موتور نمی‌گیرد و باعث بالا رفتن توان موتور می‌شود معمول‌تر از سوپر شارژر است.

تولید حرارت:
هنگامیکه هوای ورودی خنک‌تر باشد متراکم‌تر و چگالی‌تر است که بدین مفهوم است که اکسیژن بیشتری در واحد حجم موتور می‌رسد. اکسیژن بیشتر به مفهوم توان بیشتر است سوپر شارژرهای دمنده‌ای از این جهت که تولید گرما می‌کنند مطلوب نیستند این گرمای تولید شده حاصل ناکافی بودن تراکم هوای ورودی است و از این روی توربوشارژرها کارآیی بیشتری نسبت به سوپرشارژرها دارند.
سوپر شارژرهای گریز از مرکز می‌توانند از این جهت بهتر از توربوشارژرها باشند و قابلیت انعطاف بیشتری را از خود بروز دهند. با قرار دادن لوله هوای ورودی به موتور را گرم‌تر کرد. سوپر شارژرهای گریز از مرکزی که خوب طراحی شده باشند می‌توانند این گرما را از طریق نصب مشکل هم فائق آمد.

میزان تقویت:
از نظر حداکثر توان مطلق تولیدی استفاده از توربو شارژر امکان بالاتری برای تقویت قدرت موتور ارایه می‌دهد تا استفاده از سوپر شارژر. مثلاً در تراکتورهایی که جهت کشش مورد استفاده قرار می‌گیرند، استفاده از سه توربو شارژر بصورت سری باعث می‌شود که سطح تقویت هوای ورودی فشاری معادل psi200 تولید کند!

نتیجه‌گیری:
توربو شارژر یا سوپر شارژر؟
اظهار نظر در مورد اینکه استفاده از کدامیک (توربو شارژر یا سوپر شارژر) بهتر است کاری مشکل است. مهمترین مزیت سوپر شارژر این است که زمان واکنش نشان دادن آن کم است و به سرعت در سرویس قرار می‌گیرد (البته غیر از نوع گریز از مرکز آن) و استفاده از آن هم ساده است. از آن طرف عمده‌ترین مزیت توربو شارژر، کارایی بالای آن و تولید حداکثر توان است. این دیگر بستگی به نظر خریداران خودرو دارد که تصمیم بگیرند کدام نوع را برای وسیله خود انتخاب کنند.