توربوشارژر و سوپرشارژر چيست؟ با سيستم‌ هاي پرخوران موتور آشنا شويد (بخش اول)

نخستين استفاده از سيستم‌هاي پرخوران به اواخر قرن ۱۹ بازمي‌گردد؛ در سال ۱۸۸۵ گوتليب دايملر مهندس آلماني ايده‌اي مبني بر استفاده از يك پمپ مكانيكي براي تزريق هوا به پيشرانه‌هاي احتراق داخلي داشت. اما اختراع توربوشارژر به شكلي كه امروزه مي‌شناسيم، توسط مخترع سوئيسي، آلفرد بوشي انجام شد. البته سال‌هاي زيادي طول كشيد تا اين سيستم بتواند به‌صورت عمده و عملي مورد استفاده قرار گيرد. در سال ۱۹۱۸ يكي از مهندسان شركت جنرال الكتريك به نام سانفورد الكساندر ماس اقدام به نصب سيستم توربوشارژر روي يك پيشرانه‌ي ۱۲ سيلندر كرد. اين پيشرانه با نام ليبرتي داراي ۲۷ ليتر حجم بود و براي استفاده در تانك و هواپيماهاي جنگ جهاني اول طراحي شده بود. الكساندر ماس اين پيشرانه را براي آزمايش به كوه‌ پايكس پيك در كلرادو برد. در ارتفاع حدود ۵۵۰۰ متري از سطح دريا، فشار هوا تقريبا نصف فشار هواي سطح دريا است. از لحاظ تئوري اين يعني يك پيشرانه‌ي احتراقي در چنين ارتفاعي نصف حالت عادي قدرت خواهد داشت. نتايج آزمايشات وي نشان داد كه پيشرانه‌ي توربوشارژردار در ارتفاعات بالا افت بسيار كمتري نسبت به پيشرانه‌هاي اتمسفريك يا تنفس طبيعي دارند. همان‌طور كه واضع است هر چقدر ارتفاع از سطح دريا افزايش يابد به دليل رقيق‌تر شدن هوا ميزان چگالي آن كاهش‌ مي‌يابد و پيشرانه‌هاي احتراقي دچار افت توان مي‌شوند.

توربوشارژر در حقيقت يك توربين است كه هوا را فشرده مي‌كند و به داخل محفظه‌ي احتراق مي‌فرستد. سوپرشارژر و توربوشارژر هر دو همين كار را انجام مي‌دهند و تفاوت آن‌ها تنها در نحوه‌ي تأمين نيروي مورد نيازشان است. سوپرشارژرها نيروي مورد نياز خود را مستقيما از ميل لنگ خودرو دريافت مي‌كنند كه  مي‌تواند با استفاده از تسمه باشد، اما توربوشارژر نيروي مورد نياز خود را از گازهاي خروجي اگزوز تأمين مي‌كند. مزيت سوپرشارژرها در اين است كه چون مستقيما به ميل‌لنگ متصل هستند، ديگر تأخيري در عملكرد آن‌ها وجود ندارد و از ابتداي گاز دادن راننده، وارد عمل مي‌شوند. اما توربوشارژر براي چرخش نياز به انتقال انرژي گازهاي اگزوز به توربين دارد تا آن را به چرخش دربياورند. بنابراين لازم است پيشرانه كمي دور بگيرد تا توربوشارژرها بتوانند كار خود را انجام دهند. اين قضيه سبب تأخير زماني در عملكرد توربو مي‌شود كه اصطلاحا به آن لگ (Lag) گفته مي‌شود. اما عملكرد اين سيستم چگونه است؟

مي‌دانيم در يك پيشرانه‌ي تنفس طبيعي (اتمسفريك) هنگامي كه پيشرانه در حال مكش هوا است ،تنها نيرويي كه هوا را به داخل سيلندر مي‌كشاند، فشار اتمسفر است (دقيقا همانند پر كردن يك سرنگ). توربوشارژرها با اعمال نيروي اضافي به هواي ورودي و پمپ كردن هواي فشرده به داخل محفظه‌ي احتراق، سبب ورود اكسيژن بيشتري به سيلندر مي‌شوند و پيستون در يك كورس خود مي‌تواند اكسيژن بيشتري به داخل سيلندر مكش كند و مسلم است كه اكسيژن بيشتر به معناي احتراقي كامل‌تر و قدرتمند‌تر است. همين عامل سبب افزايش قدرت پيشرانه‌هاي توربوشارژردار است.

توربوشارژرها از دو بخش تشكيل شده‌اند كه يكي توربين و ديگر كمپرسور است. گازهاي خروجي از اگزوز كه داراي سرعت زيادي هستند با توربين برخورد مي‌كنند و آن را به چرخش درمي‌آورند از آنجايي كه توربين و كمپرسور هم‌محور هستند، با چرخش توربين كمپرسور نيز به چرخش درمي‌آيد و شروع به پمپ كردن هوا به داخل سيلندر‌ها مي‌كند. در شكل زير يك توربوشارژر برش خورده را مشاهده مي‌كنيد كه توربين و كمپرسور آن هم‌محور هستند.

توربين توربوشارژر با دور بسيار بالايي گردش مي‌كند كه مي‌تواند به ۲۰۰ هزار دور بر دقيقه نيز برسد. يكي از مهمترين عوامل مهم در عملكرد يك توربوشارژر اندازه‌ي توربين است. اگر سايز توربين بزرگ باشد، مي تواند بوست يا فشار هواي بيشتري توليد كند؛ اما ايراد آن اين است كه در دورهاي پايين كارايي مناسبي ندارد؛ اما توربين كوچك‌تر مي تواند دور بيشتري بگيرد و در دورهاي پايين نيز فورا وارد عمل شود و تأخير كمتري دارد، اما در دورهاي بالا كارايي آن افت مي‌كند. پس بسيار مهم است كه خودروساز بر اساس نياز و نوع پيشرانه سايز توربين مناسب را براي خودرو انتخاب كند. نوع پره‌هاي مورد استفاده در كمپرسور نيز از نوع گريز از مركز است تا بتواند فشار بيشتري توليد كند.   

اينتركولر از آن دسته تكنولوژي‌هايي است كه امروز تقريبا به عضوي جداناپذير از سيستم‌هاي توربوشارژر تبديل شده است. وظيفه‌ي اينتركولر كاهش دماي هواي فشرده‌شده توسط توربوشارژر و محل قرار‌گيري اين قطعه بين توربوشارژر و سيلندر است. هوايي كه توسط سيستم توربو فشرده و به داخل سيلندر فرستاده مي‌شود، داراي دماي بسيار بالايي در حدود ۱۲۰ تا ۱۵۰ درجه‌ي سانتي‌گراد است. دماي بالاي اين هوا دو دليل عمده دارد، يكي اينكه كه سيستم توربو فشار هوا را افزايش مي‌دهد و افزايش فشار همواره افزايش دما نيز به دنبال خود دارد. دوم اين‌كه توربين، با گازهاي اگزوز كه دماي بسيار بالايي دارند، در تماس است و اين سبب افزايش دماي توربين مي‌شود. چون توربوشارژر مجموعه‌‌اي بسيار جمع‌وجور است، در نتيجه حرارت از سمت توربين به سمت كمپرسور نيز انتقال‌ مي‌يابد و باعث گرم شدن آن در سمت توربوشارژر نيز مي‌شود.

گرم بودن هوا از چند مانديشه متخصصين براي پيشرانه‌ي خودرو مناسب نيست. يكي اين‌كه با افزايش دما چگالي (دانسيته) آن كاهش پيدا مي‌كند كه به معناي افت عملكرد پيشرانه است و دوم اينكه دماي بالا مي‌تواند سبب افزايش دماي مخلوط هوا و سوخت نيز بشود كه خود سبب پديده‌هاي مخربي نظير انفجار زودهنگام مي‌شود. در انفجار زودهنگام (كه با نام‌هاي Knock يا Pre-ignition نيز شناخته مي‌شود) دماي مخلوط هوا و سوخت آن‌قدر افزايش پيدا كند كه پيش از جرقه‌زني شمع‌ها، مشتعل مي‌شود. اين انفجار خارج از كنترل و زودهنگام نه‌تنها افت توان پيشرانه را به همراه دارد بلكه مي‌تواند آثار مخربي نيز روي آن بگذارد. همچنين افزايش بيش از حد دماي پيشرانه مي‌تواند تأثيرات منفي روي قطعات بگذارد و عمر كاري ‌آن‌ها را كاهش دهد. براي حل اين اشكالات خودروسازان اقدام به نصب اينتركولر در مدار توربو مي‌كنند. اينتركولر قطعه‌اي است همانند رادياتور كه هواي گرم از داخل آن مي‌گذرد تا دماي آن كاهش پيدا كند. اينتركولر معمولا مي‌تواند دماي هواي ورودي به سيلندر را تا ۴۰ الي ۶۰ درجه‌ي سانتي‌گراد كاهش دهد. كاهش دما نيز به دو صورت مي‌تواند باشد: با استفاده از هوا يا آب. اينتركولرهايي كه با هوا خنك مي‌شوند، داراي ساختار ساده‌تري هستند؛ اما انواع خنك شونده با مايع نياز به يك رادياتور دوم دارند تا آب را نيز خنك كنند. در شكل زير يك مدار توربوشارژر مجهز به اينتركولر خنك شونده با آب نشان داده شده است.

در برخي منابع به اينتركولر، افتركولر نيز گفته مي‌شود كه هر دو يك معني را مي‌رساند. يكي از مسائل مهم در اينتركولرها، چك كردن آن‌ها از لحاظ وجود نشتي است؛ چرا كه در صورت بروز نشتي در اينتركولر فشار هواي مانيفولد هوا كاهش و در نتيجه قدرت پيشرانه نيز كاهش محسوسي پيدا مي‌كند. اين كاهش قدرت به‌خصوص در پيشرانه‌هاي ديزلي بسيار محسوس و قابل لمس است. به همين دليل سرويس مجموعه‌ي توربوشارژر درر خودروهاي سنگين ديزلي از اهميت بالايي برخوردار است. مورد ديگر كه در رابطه با اينتركولرها وجود دارد، اين است كه در صورتي كه خودرويي به سيستم EGR يا بازگرداني گازهاي اگزوز مجهز باشد، اينتركولر اين خودروها بايد در فواصل مشخص از وجود ذرات كربني نيز پاك‌سازي شود. سيستم EGR بخشي از دود خروجي از پيشرانه را به مانيفولد هوا بازمي‌گرداند و با اين كار سبب كاهش آلايندگي پيشرانه مي‌شود. در خودروهايي كه به اين سيستم مجهزند، به مرور زمان ممكن است مقداري از ذرات دود در مجراهاي اينتركولر باقي‌ بمانند و كارايي آن را كاهش دهند كه سرويس اينتركولر را اجتناب‌ناپذير مي‌كند. در شكل زير مي‌توانيد يك مدار توربوشارژر را مشاهده كنيد. به مدار EGR نيز كه بخشي از دود را به مجراي ورودي هوا بازمي‌گرداند، دقت كنيد.

سيستم EGR البته در خودروهاي سواري خيلي معمول نيست؛ اما اكثر خودروهاي سنگين به اين سيستم مجهز هستند. يكي از موارد ديگري كه هنگام كار با اينتركولر بايد به آن دقت كرد، ظرافت پره‌هاي اين قطعه است. بايد مراقب بود اجسام و ابزار به پره‌هاي اينتركولر برخورد نكنند همچنين در حال تميز كردن موتور با دستگاه كارواش نيز فشار زياد آب كارواش مي‌تواند باعث خم شدن پره‌هاي اينتركولر شود؛ پس بايد مراقب بود تا به هيچ عنوان آب مستقيما به پره‌هاي رادياتور اينتركولر برخورد نكند. اينتركولر را بايد در جايي نصب كرد كه در معرض جريان هوا باشد تا بتواند تبادل حرارتي بهتري داشته باشد؛ به همين خاطر معمولا آن را در مقابل رادياتور اصلي خودرو و در جلوي پيشرانه نصب مي‌كنند. در شكل زير مي‌توانيد يك نمونه از محل قرار گيري اينتركولر را مشاهده كنيد.

اين قطعه كه اختصارا با نام BOV شناخته مي‌شود، يك سوپاپ اطمينان است و هنگامي كه فشار توربوشارژر بيش از حد نياز باشد، باز مي‌شود تا فشار اضافي را از سيستم تخليه كند. هنگامي كه يك پيشرانه‌ي توربوشارژردار در حال كار كردن با دور بالا است، حجم زيادي از هوا با فشار بالا در سيستم توربو و مجراي هواي پيشرانه در حال حركت است، زماني كه راننده پا را از روي پدال گاز برمي‌دارد، دريچه‌ي گاز بسته و انتقال هوا به داخل سيلندرها متوقف مي‌شود. اين در حالي است كه توربوشارژر دقيقا در لحظه‌ي رهاسازي پدال گاز از مدار خارج نمي‌شود؛ در نتيجه بخشي از فشار توليدي توسط توربو پشت دريچه‌ي گاز باقي مي‌ماند. اين فشار اضافي آن‌قدر زياد هست كه بتواند به مجموعه‌ي توربو و حتي دريچه‌ي گاز آسيب بزند. هم‌چنين ممكن است اين فشار به داخل سيستم توربو برگردد و كاهش سرعت غيرعادي و كنترل نشده‌ي توربين را سبب شود كه اين قضيه مي‌تواند آسيب‌هاي جدي را براي سيستم توربوشارژر به همراه داشته باشد. فعال‌سازي سوپاپ Blow Off معمولا توسط يك مكانيزم وكيومي انجام مي‌گيرد. شكل زير يك نمونه از سوپاپ BOV را نمايش مي‌دهد.

فشار اضافه تخليه‌شده توسط اين سوپاپ معمولا در اتمسفر رها مي‌شود؛ اما در برخي مدل‌ها ممكن است دوباره به مانيفولد هوا برگشت داده  شود.

وست گيت يك دريچه در سمت توربين توربوشارژر است كه وظيفه‌ي آن، تنظيم فشار توليدي توسط توربو از طريق كنترل ميزان دود ورودي به سيستم است. در صورتي كه ميزان گازهاي اگزوز فراتر از نياز سيستم توربو باشد سوپاپ وست گيت فعال مي‌شود و ميزان اضافي گازها را از طريق يك مجراي جداگانه به سيستم اگزوز مي‌فرستد. در حقيقت بايد گفت سيستم توربوشارژر از تمامي گازهاي خروجي از پيشرانه استفاده نمي‌كند، بلكه تنها از مقداري كه لازم دارد، استفاده مي‌كند و مابقي گازها بدون اينكه برخوردي با توربين داشته باشند، از طريق خروجي‌هاي اگزوز دفع مي‌شوند. عملكرد اين سيستم نيز مي‌تواند به شكل وكيومي يا با استفاده از سولونويد يا به‌صورت الكترونيكي باشد. در شكل زير سوپاپ وست گيت را مشاهده مي‌كنيد كه در بدنه‌ي توربوشارژر كار گذاشته شده است.

توربوشارژر‌ها قدرت و گشتاور بيشتر را در كنار مصرف سوخت كمتر در اختيار شما قرار مي‌دهند. اما اين قابليت‌ها هزينه‌هايي به جز ارزش بيشتر پيشرانه نيز دارند كه همان مسئله‌ي سرويس و نگهداري توربوشارژر‌ها است. خودروي مجهز به توربوشارژر نياز به توجه بيشتري نسبت به يك خودروي معمولي دارد. با توجه به دماي بالاتر اين پيشرانه‌ها و همچنين قدرت بالاترشان، نياز است حتما از روغن موتور مرغوب در اين خودروها استفاده كنيد. روغن موتور مرغوب و اصلي براي يك خودروي توربوشارژر بسيار حياتي است؛ چون خود سيستم توبوشارژر نيز با روغن موتور، روغن‌كاري مي‌شود و با توجه به دقت بالاي اجزاي توربوشارژرها بايد حتما روغن مرغوب به كار گرفته شود. دماي بالاتر پيشرانه‌هاي مجهز به توربوشارژر نيز عاملي است كه با توجه به آن بايد همواره مراقب سطح روغن اين‌گونه پيشرانه‌ها بود تا اگر از ميزان روغن كاسته شده باشد، دوباره روغن به موتور اضافه كرد. همچنين فيلتر روغن نيز بايد هميشه در زمان تعيين‌شده توسط كمپاني و با هر بار تعويض روغن، تعويض شود و كوچك‌ترين اغماضي در خصوص آن مي‌تواند خرابي پيشرانه‌ي خودرو و مجموعه‌ي توربوشارژر را به دنبال داشته باشد. 

در ممباحثه رانندگي نيز خودروي توربوشارژردار نياز به دقت و رعايت بيشتري دارد. براي مثال هنگامي كه پيشرانه گرم است و مدت‌زماني با خودرو رانندگي كرده‌ايد، در صورت توقف نبايد فورا پيشرانه را خاموش كنيد، بلكه بايد حدود سه الي چهار دقيقه صبر كرد تا دماي پيشرانه‌ به حالت عادي برگردد و سپس خودرو را خاموش كرد. اگر هنگام گرم بودن پيشرانه، آن را ناگهان خاموش كنيد؛ اين كار سبب متوقف شدن اويل پمپ (پمپ روغن) خودرو و در نتيجه  توقف روغن‌كاري توربو مي‌شود. با توجه به دماي بسيار بالاي توربوشارژر وقتي روغن در اين مجراهاي بسيار جديد از حركت بازمي‌ايستد، مي‌سوزد و تبديل به روغن سوخته مي‌شود. سوختن روغن مي‌تواند به‌مرور باعث جرم‌گرفتگي مجراها شود و در عمليات روغن‌كاري اختلال ايجاد كند.

براي آشنايي بيشتر با اين بخش از خودروهاي مدرن امروزي، قويا پيشنهاد مي‌كنيم، مقالات زير را نيز مطالعه كنيد.

• توربوشارژر و سوپرشارژر چيست؟ با سيستم‌ هاي پروخوران موتور آشنا شويد (بخش دوم)
• توربوشارژر و سوپرشارژر چيست؟ با سيستم‌ هاي پروخوران موتور آشنا شويد (بخش سوم و پاياني)

اين مطلب در ۱۲ بهمن ۹۵ بروزرساني شد.