نگاهی تخصصی به توربوشارژها (بخش۱)

کارپرس / عادل ذاکری: همه ما کم و بیش با کلمه توربو آشنایی داشته و می دانیم وجود توربو شارژر بر روی خودروها یعنی توان و گشتاور بیشتر، که این دو در کنار یک گیربکس خوب می توانند انرژی لازم برای دست یابی به یک هیجان جذاب را برایمان به ارمغان بیاورد! اما این همه ی داستان نیست، استفاده از توربو شارژها صرفا به جهت ایجاد هیجان بیشتر نبوده بلکه می تواند موتوری کوچک واقتصادی به ارمغان بیاورد تا ضمن ایجاد آلایندگی کمتر ضعف های ناشی از استفاده از موتورهای کم ظرفیت را جبران کند.

اما توربو شارژها دقیقا چگونه این کار را انجام می دهند؟ این سوالیست که در ادامه به پاسخ آن خواهیم پرداخت!

نحوه ی عملکرد

تمام توربو شارژها از دو بخش کلیدی تشکیل شده اند، یک توربین و یک کمپرسور که در دو محفظه ی جداگانه قرار داشته و با یکدیگر کوپل می شوند. توربین در مسیر منیفولد خروجی دود قرار داشته و کمپرسورنیز در مسیر تنفس موتور جای می گیرد، وظیفه کمپرسور فشرده کردن هوای ورودی به موتوراست. اما چگونه؟ فشرده کردن هوا مستلزم صرف انرژی است، اینجاست که توربین وظیفه خود را انجام می دهد و با دریافت انرژی گازهای داغ خروجی از موتور به چرخش در می آید، چرخش توربین نیز کمپرسور را به حرکت درآورده و هوای فشرده شده به داخل موتورمنتقل می شود، که این افزایش فشار موجب افزایش توان و گشتاور خواهد شد. اما چرا؟ اگر به منحنی عملکرد موتورهای 4 زمانه روی نمودار P-V توجه کنید (سیکل واقعی اتو) متوجه خواهید شد که هرچه فشار متوسط داخل سیلندر بیشتر باشد انرژی تولید شده توسط یک سیکل ، بیشتراست. در نتیجه موتور درهمان بازه ی زمان قبلی توان بیشتری را تولید خواهد کرد، از طرفی با افزایش فشارهوا، چگالی آن نیز بیشتر خواهد شد و هرچه هوای ورودی به موتور چگال تر باشد توان موتور نیز افزایش خواهد یافت. (رابطه یک)

اما مزایای استفاده از توربو به همین جا ختم نمی شود! توربوشارژرها با افزایش غلظت هوای ورودی به موتور باعث می شوند عمل احتراق بهتر و کامل تر صورت پذیرد که این خود اسباب کاهش آلایندگی موتور خواهد بود.

در رابطه بالا P برابر با توان موتور،  معادل راندمان سوخت و راندمان حجمی موتور، N دور موتور،  حجم جابه جایی موتور(همان حجمی که به عنوان displacement توسط کمپانی ها اعلام می شود) ،   ارزش حرارتی سوخت و  چگالی هوای ورودی به موتور است.  نیز نسبت سوخت به هواست که حوالی نسبت استوکیومتری نگه داشته می شود و همانطور که مشخص است چگالی هوا به طور مستقیم بر روی توان تاثیر خواهد داشت. همچنین افزایش فشار توسط توربو شارژر باعث افزایش فشار موثر درون سیلندر (mep) و به طبع آن باعث افزایش راندمان حجمی موتور خواهد شد

معایب و مشکلات توربوها

- افزایش دما

 تا به اینجا راجع به مزایای توربو ها صحبت کردیم و مشخص شد که افزایش فشارهوای ورودی به داخل سیلندراثرات مفیدی بر روی عملکرد خودرو خواهد داشت، اما این سکه روی دیگری هم دارد! با توجه به معادله حالت برای گازها PV=nRT  با افزایش فشار یک گاز در حجم معین دمای آن نیز افزایش پیدا خواهد کرد یعنی توربوها علاوه بر افزایش فشارهوای ورودی به داخل موتور، دمای آن را نیز تا حد زیادی بالا می برند و این موضوع به خودی خود باعث بروز مشکلاتی در موتورخواهد شد.  با بالارفتن دمای ورودی به داخل موتور در موتورهای بنزینی، مخلوط سوخت و هوا قبل از جرقه زدن شمع مشتعل می شوند! به این پدیده اشتعال خود به خودی یا knock می گویند که باعث آسیب دیدن قطعات موتور خواهد شد و این تنها یکی از مشکلات ناشی از بالا رفتن دمای هوای ورودی به موتوراست. برای جلوگیری از این مشکل هوای خروجی از توربو شارژرها را قبل از ورود به موتور به وسیله اینترکولر خنک می کنند، بدین ترتیب دیگر هوای داغ وارد سیلندر نمی شود.

- لگ

توربوها مشکل بزرگ دیگری نیز دارند که به آن لگ یا تاخیر درعملکرد توربو می گویند. اما لگ دقیقا چیست ؟ به زبان ساده، لگ، فاصله زمانی مابین فشار دادن پدال گاز و تغییر در قدرت خروجی موتور است، اگر خودرو تنفس طبیعی باشد این فاصله زمانی فقط وابسته به عملکرد دریچه گاز است اما در خودروهای توربو دار ماجرا فرق می کند. همانطور که قبلا گفته شد همه توربوها دارای کمپرسور و توربین هستند که وظیفه توربین به گردش درآوردن کمپرسور با استفاده از انرژی گازهای خروجیست. به دلیل لختی (اینرسی) پره های توربین و کمپرسور و همچنین چگالی بیشتر هوای سردی که کمپرسور باید آنرا فشرده کند، نسبت به هوای داغ خروجی از سیلندرها که توربین را می چرخاند مدتی طول می کشد تا توربین و کمپرسور به دور ایده آل برسند (اصطلاحا Spool Up شوند). این مدت زمان کاملا وابسته به دبی گازهای خروجی از موتور و سایز و زاویه پره های توریبین و کمپرسور است. به عبارتی در دورهای پایین موتور، گازهای خروجی از اگزوز انرژی لازم را به توربین نمی دهند تا کمپرسور بتواند افزایش فشار مورد نظر را ایجاد کند. طبیعیست هرچه توربو بزرگ تر باشد نیازمند انرژی بیشتری نیزهست، پس مدت زمان بیشتری را برای   Spool Up شدن احتیاج دارد و برعکس، هرچه توربو کوچکتر باشد راحت تر Spool Up شده و لگ کمتری خواهد داشت. اما توربوهای کوچک توانایی تامین فشار را در دورهای بالای موتور ندارند وعملا در دورهای بالا عملکرد خود را از دست می دهند. راه حل چیست؟ چگونه می توان توربویی را به کاربرد که هم در دورهای انتهایی وظیفه خود را به درستی انجام دهد و هم راننده را در دورهای ابتدایی منتظر نگذارد؟
 
در قسمت بعد به این پرسش پاسخ خواهیم داد و شما را با تکنولوژی های به کار رفته در توربو ها مانند twin turbo – twin scroll turbo و VTG آشنا خواهیم کرد.

با ما همراه باشید.