توربوشارژر چیست؟

آشنایی با توربوشارژر !

اگر علاقه‌مند به حوزه‌ی خودرو باشید، با بررسی مشخصات خودروها در طول سال‌های اخیر درخواهید یافت که پیشرانه‌ها هرروز عملکرد بهتری نسبت به گذشته دارند. بخش اعظمی از این دستاوردها مربوط به همه‌گیر شدن استفاده از سیستم‌های پرخوران ( توربوشارژر و سوپرشارژر ) است. در این سلسله مقالات نگاهی عمیق به یکی از مهم‌ترین فناوری‌های فعلی پیشرانه‌های بنزینی خواهیم داشت که کاملا متوجه شوید توربوشارژر چیست ؟!

نحوه‌ی عملکرد توربوشارژرها

نگاهی به مشخصات خودروهای جدید که یکی از پیشرانه‌ی تنفس طبیعی و دیگری از پیشرانه‌ی توربوشارژر استفاده می‌کند، بیشتر شما را با ارزش توربوشارژر آشنا خواهد کرد.

برای مثال هیوندای توسان با داشتن پیشرانه‌ای چهار سیلندر و ۲.۴ لیتری قدرتی معادل ۱۷۷ اسب بخار و گشتاور حدود ۲۲۸ نیوتون‌متر تولید می‌کند؛ اما یک مرسدس بنز C200 با داشتن پیشرانه‌ای کوچکتر با ۱.۸ لیتر حجم قدرت و گشتاور ۱۸۴ و ۲۷۰ نیوتون متر در اختیار راننده قرار می‌دهد؛ ضمن این که مصرف سوخت کمتری دارد.

اصلی‌ترین دلیل دستیابی پیشرانه‌ی مرسدس بنز به عملکرد بهتر در استفاده‌ی این خودرو از سیستم پرخوران است. با استفاده از سیستم‌های پرخوران می‌توان پیشرانه‌هایی کوچک‌تر، سبک‌تر و کم‌مصرف‌تر تولید کرد.

توربین توربوشارژر با دور بسیار بالایی گردش می‌کند که می‌تواند به ۲۰۰ هزار دور بر دقیقه نیز برسد. یکی از مهمترین عوامل مهم در عملکرد یک توربوشارژر اندازه‌ی توربین است. اگر سایز توربین بزرگ باشد، می تواند بوست یا فشار هوای بیشتری تولید کند؛ اما ایراد آن این است که در دورهای پایین کارایی مناسبی ندارد؛ اما توربین کوچک‌تر می تواند دور بیشتری بگیرد و در دورهای پایین نیز فورا وارد عمل شود و تأخیر کمتری دارد، اما در دورهای بالا کارایی آن افت می‌کند. پس بسیار مهم است که خودروساز بر اساس نیاز و نوع پیشرانه سایز توربین مناسب را برای خودرو انتخاب کند. نوع پره‌های مورد استفاده در کمپرسور نیز از نوع گریز از مرکز است تا بتواند فشار بیشتری تولید کند

اینتر کولر

اینترکولر از آن دسته تکنولوژی‌هایی است که امروز تقریبا به عضوی جداناپذیر از سیستم‌های توربوشارژر تبدیل شده است. وظیفه‌ی اینترکولر کاهش دمای هوای فشرده‌شده توسط توربوشارژر و محل قرار‌گیری این قطعه بین توربوشارژر و سیلندر است. هوایی که توسط سیستم توربو فشرده و به داخل سیلندر فرستاده می‌شود، دارای دمای بسیار بالایی در حدود ۱۲۰ تا ۱۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد است. دمای بالای این هوا دو دلیل عمده دارد، یکی اینکه که سیستم توربو فشار هوا را افزایش می‌دهد و افزایش فشار همواره افزایش دما نیز به دنبال خود دارد. دوم این‌که توربین، با گازهای اگزوز که دمای بسیار بالایی دارند، در تماس است و این سبب افزایش دمای توربین می‌شود. چون توربوشارژر مجموعه‌‌ای بسیار جمع‌وجور است، در نتیجه حرارت از سمت توربین به سمت کمپرسور نیز انتقال‌ می‌یابد و باعث گرم شدن آن در سمت توربوشارژر نیز می‌شود.

گرم بودن هوا از چند منظر برای پیشرانه‌ی خودرو مناسب نیست. یکی این‌که با افزایش دما چگالی (دانسیته) آن کاهش پیدا می‌کند که به معنای افت عملکرد پیشرانه است و دوم اینکه دمای بالا می‌تواند سبب افزایش دمای مخلوط هوا و سوخت نیز بشود که خود سبب پدیده‌های مخربی نظیر انفجار زودهنگام می‌شود. در انفجار زودهنگام (که با نام‌های Knock یا Pre-ignition نیز شناخته می‌شود) دمای مخلوط هوا و سوخت آن‌قدر افزایش پیدا کند که پیش از جرقه‌زنی شمع‌ها، مشتعل می‌شود. این انفجار خارج از کنترل و زودهنگام نه‌تنها افت توان پیشرانه را به همراه دارد بلکه می‌تواند آثار مخربی نیز روی آن بگذارد. همچنین افزایش بیش از حد دمای پیشرانه می‌تواند تأثیرات منفی روی قطعات بگذارد و عمر کاری ‌آن‌ها را کاهش دهد. برای حل این مشکلات خودروسازان اقدام به نصب اینترکولر در مدار توربو می‌کنند. اینترکولر قطعه‌ای است همانند رادیاتور که هوای گرم از داخل آن می‌گذرد تا دمای آن کاهش پیدا کند. اینترکولر معمولا می‌تواند دمای هوای ورودی به سیلندر را تا ۴۰ الی ۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد کاهش دهد. کاهش دما نیز به دو صورت می‌تواند باشد: با استفاده از هوا یا آب. اینترکولرهایی که با هوا خنک می‌شوند، دارای ساختار ساده‌تری هستند؛ اما انواع خنک شونده با مایع نیاز به یک رادیاتور دوم دارند تا آب را نیز خنک کنند. در شکل زیر یک مدار توربوشارژر مجهز به اینترکولر خنک شونده با آب نشان داده شده است.

در برخی منابع به اینترکولر، افترکولر نیز گفته می‌شود که هر دو یک معنی را می‌رساند. یکی از مسائل مهم در اینترکولرها، چک کردن آن‌ها از لحاظ وجود نشتی است؛ چرا که در صورت بروز نشتی در اینترکولر فشار هوای مانیفولد هوا کاهش و در نتیجه قدرت پیشرانه نیز کاهش محسوسی پیدا می‌کند. این کاهش قدرت به‌خصوص در پیشرانه‌های دیزلی بسیار محسوس و قابل لمس است.

به همین دلیل سرویس مجموعه‌ی توربوشارژر درر خودروهای سنگین دیزلی از اهمیت بالایی برخوردار است. مورد دیگر که در رابطه با اینترکولرها وجود دارد، این است که در صورتی که خودرویی به سیستم EGR یا بازگردانی گازهای اگزوز مجهز باشد، اینترکولر این خودروها باید در فواصل مشخص از وجود ذرات کربنی نیز پاک‌سازی شود. سیستم EGR بخشی از دود خروجی از پیشرانه را به مانیفولد هوا بازمی‌گرداند و با این کار سبب کاهش آلایندگی پیشرانه می‌شود.

در خودروهایی که به این سیستم مجهزند، به مرور زمان ممکن است مقداری از ذرات دود در مجراهای اینترکولر باقی‌ بمانند و کارایی آن را کاهش دهند که سرویس اینترکولر را اجتناب‌ناپذیر می‌کند. در شکل زیر می‌توانید یک مدار توربوشارژر را مشاهده کنید. به مدار EGR نیز که بخشی از دود را به مجرای ورودی هوا بازمی‌گرداند، دقت کنید.

سیستم EGR

سیستم EGR البته در خودروهای سواری خیلی معمول نیست؛ اما اکثر خودروهای سنگین به این سیستم مجهز هستند. یکی از موارد دیگری که هنگام کار با اینترکولر باید به آن دقت کرد، ظرافت پره‌های این قطعه است. باید مراقب بود اجسام و ابزار به پره‌های اینترکولر برخورد نکنند همچنین در حال تمیز کردن موتور با دستگاه کارواش نیز فشار زیاد آب کارواش می‌تواند باعث خم شدن پره‌های اینترکولر شود؛ پس باید مراقب بود تا به هیچ عنوان آب مستقیما به پره‌های رادیاتور اینترکولر برخورد نکند. اینترکولر را باید در جایی نصب کرد که در معرض جریان هوا باشد تا بتواند تبادل حرارتی بهتری داشته باشد؛ به همین خاطر معمولا آن را در مقابل رادیاتور اصلی خودرو و در جلوی پیشرانه نصب می‌کنند. در شکل زیر می‌توانید یک نمونه از محل قرار گیری اینترکولر را مشاهده کنید.

سوپاپ Blow off

این قطعه که اختصارا با نام BOV شناخته می‌شود، یک سوپاپ اطمینان است و هنگامی که فشار توربوشارژر بیش از حد نیاز باشد، باز می‌شود تا فشار اضافی را از سیستم تخلیه کند. هنگامی که یک پیشرانه‌ی توربوشارژردار در حال کار کردن با دور بالا است، حجم زیادی از هوا با فشار بالا در سیستم توربو و مجرای هوای پیشرانه در حال حرکت است، زمانی که راننده پا را از روی پدال گاز برمی‌دارد، دریچه‌ی گاز بسته و انتقال هوا به داخل سیلندرها متوقف می‌شود. این در حالی است که توربوشارژر دقیقا در لحظه‌ی رهاسازی پدال گاز از مدار خارج نمی‌شود؛ در نتیجه بخشی از فشار تولیدی توسط توربو پشت دریچه‌ی گاز باقی می‌ماند. این فشار اضافی آن‌قدر زیاد هست که بتواند به مجموعه‌ی توربو و حتی دریچه‌ی گاز آسیب بزند.

هم‌چنین ممکن است این فشار به داخل سیستم توربو برگردد و کاهش سرعت غیرعادی و کنترل نشده‌ی توربین را سبب شود که این قضیه می‌تواند آسیب‌های جدی را برای سیستم توربوشارژر به همراه داشته باشد. فعال‌سازی سوپاپ Blow Off معمولا توسط یک مکانیزم وکیومی انجام می‌گیرد. شکل زیر یک نمونه از سوپاپ BOV را نمایش می‌دهد.

فشار اضافه تخلیه‌شده توسط این سوپاپ معمولا در اتمسفر رها می‌شود؛ اما در برخی مدل‌ها ممکن است دوباره به مانیفولد هوا برگشت داده شود.

Wastegate

وست گیت یک دریچه در سمت توربین توربوشارژر است که وظیفه‌ی آن، تنظیم فشار تولیدی توسط توربو از طریق کنترل میزان دود ورودی به سیستم است. در صورتی که میزان گازهای اگزوز فراتر از نیاز سیستم توربو باشد سوپاپ وست گیت فعال می‌شود و میزان اضافی گازها را از طریق یک مجرای جداگانه به سیستم اگزوز می‌فرستد.

در حقیقت باید گفت سیستم توربوشارژر از تمامی گازهای خروجی از پیشرانه استفاده نمی‌کند، بلکه تنها از مقداری که لازم دارد، استفاده می‌کند و مابقی گازها بدون اینکه برخوردی با توربین داشته باشند، از طریق خروجی‌های اگزوز دفع می‌شوند. عملکرد این سیستم نیز می‌تواند به شکل وکیومی یا با استفاده از سولونوید یا به‌صورت الکترونیکی باشد. در شکل زیر سوپاپ وست گیت را مشاهده می‌کنید که در بدنه‌ی توربوشارژر کار گذاشته شده است.

در ادامه به معرفی توربوشارژرهای تویین توربو خواهیم پرداخت.

همانطور که اشاره شد استفاده از یک توربوشارژر ساده در خودرو در کنار تمام مزایا، معایبی نیز دارد. به همین دلیل خودروسازان همواره به فکر بهینه‌تر کردن این سیستم‌ها و افزایش کارایی آن‌ها بوده‌اند. دو مورد از بهترین راه‌حل‌هایی که در این زمینه ارایه شد، استفاده از سیستم تویین توربو یا همان دو توربو و استفاده از سیستم توربوی دو-مجرایی است. هر دو نمونه‌ی ذکر شده در برخی از خودروهای موجود در بازار ایران وجود دارند که به آن‌ها اشاره خواهیم کرد.

دو دلیل عمده‌ای که خودروسازان را به سمت استفاده از پیشرانه‌های تویین توربو کشاند، کارایی آن‌ها در کنار اندازه و شکل پیشرانه بود.

در پیشرانه های کوچک معمولا از سیستم تویین توربو استفاده نمی‌شود؛ زیرا در این پیشرانه‌ها میزان گازهای خروجی از اگزوز آنقدر زیاد نیست که بتواند دو عدد توربوشارژر را به کار بیاندازد. بنابراین از این سیستم بیشتر در پیشرانه‌های بزرگتر استفاده می‌شود. استفاده از چند توربوی کوچک بجای یک توربوی بزرگ در این پیشرانه‌ها می تواند تاخیر یا همان لگ توربوشارژر را نیز کاهش دهد، چون توربوشارژرهای کوچک‌تر نسبت به انواع بزرگ‌تر دارای تاخیر کمتری هستند.

مساله‌ی دوم قضیه‌ی شکل پیشرانه‌ها است؛ در پیشرانه‌های تخت (باکسر) یا وی شکل (خورجینی) استفاده از یک توربوشارژر بسیار سخت است و نیاز خواهد بود تا از لوله‌های بلند و زیادی برای انتقال دود از یک سمت به سمت دیگر استفاده شود. استفاده از مانیفولد اگزوز بلندتر و بزرگتر به جز کاهش کارایی توربوها، پیچیدگی و وزن پیشرانه را نیز افزایش خواهد داد. بنابراین در چنین خودروهایی برای هر بلوک از یک توربوشارژر استفاده می‌شود. مثال چنین خودروهایی بی ام و ۷۵۰ و سوبارو ایمپرزا هستند. امروزه تقریبا تمامی پیشرانه‌های وی شکلی که دارای توربوشارژر باشند، از سیستم تویین توربو استفاده می‌کنند.

سیستم تویین توربوی موازی

این چیدمان ساده‌ترین و پرکاربردترین نوع تویین توربو است و اکثر خودروهای تویین توربوی موجود در بازار از این روش استفاده می‌کنند. در این چیدمان روی هر بلوک از پیشرانه‌ی وی شکل یا باکسر، یک عدد توربوشارژر قرار می‌گیرد و از مانیفولد دود همان بلوک تغذیه می‌شود. مثال چنین پیشرانه‌هایی، پیشرانه‌ی مورد استفاده در مرسدس بنز S500 است. در شکل زیر یک پیشرانه‌ی دو توربو از نوع موازی متعلق به خودروی مازراتی را مشاهده می کنید.

اما شرکت بی‌ام‌و در سیستم تویین توربوی خود از چیدمان خاصی استفاده کرده است؛ پیشرانه‌ی N54 و N55 این شرکت که در خودروهایی چون ۳۳۵i و X635i استفاده شده است، نمونه‌ی شش سیلندر خطی است که سیلندرهای آن در امتداد یکدیگر قرار دارند.

در این پیشرانه همانطور که در شکل مشاهده می کنید، به ازای هر سه سیلندر یک عدد توربوشارژر قرار داده شده است.

در گذشته از توربوشارژرهای دوتایی با دومرحله نیز استفاده می‌شد و در آن سیستم توربوشارژر دوم در دورهای بالا و در زمان نیاز وارد مدار شده و در دورهای پایین تنها یکی از توربوشارژرها عمل می کرد. اما با پیشرفت علم و بهبود بخش الکترونیکی پیشرانه‌ها، امکان کنترل بهتر روی توربوشارژرها فراهم شده و دیگر سیستم دو مرحله ای کنار گذاشته شد.

خودروهایی مانند نسل آخر تویوتا سوپرا و مزدا RX-7 از توربوشارژرهای دومرحله‌ای استفاده می‌کردند. در شکل زیر تصویری شماتیک از یک توربوشارژر دو مرحله‌ای را مشاهده می کنید.

توربوشارژرهای Twin-scroll

مشهورترین خودروی بازار ایران که از این نوع توربوشارژر استفاده می کند بی‌ام‌و های ۳۲۸i و ۵۲۸i هستند. خودروسازانی چون میتسوبیشی، رنو، پژو سیتروئن، جنرال موتورز و بی‌ام‌و همگی نسبت به استفاده از این نوع توربوشارژرها تمایل زیادی نشان داده و در مدل‌های مختلفی از محصولات خود از این سیستم استفاده کرده‌اند، اما دلیل آن چیست؟

پاسخ را باید در سرعت عمل و تاخیر بسیار کم و راندمان بالای این نوع توربوشارژرها جست.

در یک توربوشارژر ساده گازهای خروجی از تمامی سیلندرها از طریق یک مجرای مشترک وارد توربوشارژر می‌شوند. از آنجایی که زمان خروج دود از هر سیلندر متفاوت با دیگر سیلندرها است، تداخل این گازها با یکدیگر می‌تواند سبب کاهش انرژی آن‌ها شده و در نتیجه کارایی توربوشارژر را نیز کاهش دهد.

در سیستم تویین اسکرول (گاها تویین پاور نیز نامیده می‌شود) دو مجرای جداگانه برای ورود دود به توربوشارژر تعبیه شده است. بطوری که برای مثال در پیشرانه‌ی بی‌ام‌و در سیستم تویین اسکرول دو مجرای جداگانه برای ورود دود به توربوشارژر تعبیه شده است. بطوری که برای مثال در پیشرانه‌ی بی‌ام‌و ۳۲۸i سیلندرهای ۱ و ۴ دارای یک مجرا و سیلندرهای ۲ و ۳ نیز دارای مجرای دیگری هستند.

با چنین تدبیری نه تنها کارایی توربوشارژر افزایش پیدا می‌کند بلکه تاخیر آن نیز کاهش چشمگیری پیدا می‌کند. همچنین این دو مجرای مختلف در داخل توربین نیز عملکردی متفاوت دارند بطوری که دود موجود در مجرا با لبه‌ی بیرونی پره‌های توربین تماس پیدا کرده و دور توربوشارژر را افزایش می‌دهد و دود موجود در مجرای کوچک‌تر نیز با لبه‌ی داخلی پره‌های توربین برخورد کرده و باعث چرخش سریع‌تر توربوشارژر در ابتدای حرکت می شود تا تاخیر را از بین ببرد. دو شکل زیر نمایی از عملکرد توربوشارژر تویین اسکرول را نشان می‌دهند.

نگاهی به مشخصات پیشرانه‌ی N20 بی‌ام‌و نشان خواهد داد که این پیشرانه از عملکرد بالایی برخوردار است.

این پیشرانه‌ی دو لیتری چهار سیلندر دارای توان تولید ۲۴۵ اسب بخار در ۵ هزار دور بر دقیقه و ۳۵۰ نیوتون‌متر گشتاور را در بازه‌ی ۱۲۵۰ تا ۴۸۰۰ دور بر دقیقه داراست. پیشرانه‌ی شش سیلندر ۳ لیتری N53 که N20 جایگزین آن شد تنها دارای ۲۷۰ اسب بخار قدرت در ۶۷۰۰ دور بر دقیقه و گشتاور ۳۲۰ نیوتون‌متر در دور موتور ۲۷۵۰ تا ۳ هزار دور است.

همانطور که آمار نشان می‌دهند، پیشرانه‌ی شش سیلندر توربوشارژر نه تنها گشتاور بیشتری دارد بلکه گشتاور آن در بازه‌ی بیشتری از دور موتور و آن هم از دور پایین تری در دسترس است. پیشرانه‌ی N20 را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.