توربوشارژ خودرو چیست و چگونه کار میکند؟
آیا در مورد دستگاه ورودی پرقدرت در یک موتور احتراق داخلی شنیده اید؟ خوب، راز آن در توربوشارژر است . همچنین به عنوان توربو شناخته می شود که در اوایل قرن بیستم توسط یک مهندس در سرزمین سوئیس به نام آلفرد بوچی اختراع شد. او یک نمونه اولیه برای افزایش قدرت موتورهای دیزلی معرفی کرد.
امروزه توربوشارژ به یک وسیله استاندارد برای اکثر موتورهای بنزینی و دیزلی تبدیل شده است. تحقیقات هنوز در مورد راه هایی برای بهبود طراحی توربوشارژرها برای عملکرد بهتر با هزینه ساخت کمتر ادامه دارد. حتی اگر تنش های ناشی از ارتعاش و عملکرد یاتاقان عوامل اصلی شکست هستند. به همین دلیل، تجزیه و تحلیل روتودینامیک باید بخش مهمی از فرآیند طراحی توربوشارژر باشد، خوب، شاید!
موتور توربوشارژدر موتور خودرو، نیرو در محفظه احتراق با مخلوط سوخت/هوای ورودی تولید می شود، درست است! پس از فشرده سازی، مخلوط را به عنوان گاز خروجی آزاد می کند که به مواد زائد تبدیل می شود و حتی باعث آلودگی جو می شود. اما توربوشارژر به جای بی فایده بودن گاز خروجی از آن برای سرعت بخشیدن به موتور استفاده می کند. بگذار توضیح بدهم.
امروز ما به تعریف، عملکردها، کاربردها، قطعات، تاریخچه، نمودار، انواع، اصل کار و همچنین مزایا و معایب توربوشارژر خواهیم پرداخت. این مقاله گسترده است، بنابراین از شما می‌خواهم که برای دستیابی به دانش آن را مطالعه کنید.
تعریف توربوشارژرتوربوشارژر یک دستگاه القایی نیرو مبتنی بر توربین است که با وارد کردن هوای فشرده اضافی به داخل محفظه احتراق، راندمان و توان خروجی موتورهای احتراق داخلی را افزایش می‌دهد. به نظر می رسد که این القای هوای گرم کار می کند زیرا کمپرسور می تواند هوای بیشتری و به نسبت فشار بیشتری نسبت به فشار اتمسفر معمولی وارد محفظه احتراق کند.
توربوشارژر وسیله ای است که به منظور بهبود راندمان کلی و افزایش کارایی موتور روی موتور خودرو نصب می شود. توربوشارژرها در اصل به عنوان توربو سوپرشارژر شناخته می شوند زیرا تمام دستگاه های القایی اجباری به عنوان سوپرشارژر طبقه بندی می شوند. سوپرشارژر اصطلاحی است که به یک دستگاه القایی اجباری مکانیکی داده می شود.
ونتوریمتر چیست؟تفاوت بین توربوشارژر و سوپرشارژر معمولی در این است که یک توربوشارژر توسط یک توربین که توسط گاز خروجی موتور به حرکت در می‌آید کار میکند. در حالی که یک سوپرشارژر به طور مکانیکی توسط میل لنگ موتور هدایت می شود که اغلب با یک تسمه متصل می شود. با این حال، توربوشارژرها کارآمدتر هستند اما واکنش کمتری دارند. اصطلاح Twin-charger به موتوری با توربوشارژر و سوپرشارژر گفته می شود.
- شرایط ویژه خرید اقساطی خودرو
توربوشارژر معمولا در موتورهای خودرو مانند کامیون، ماشین، قطار، هواپیما و تجهیزات ساختمانی استفاده می شود. نسخه مدرن موتورهای احتراق داخلی چرخه اتو و دیزل دارای توربوشارژر هستند.
اجازه دهید برای توضیح برخی از کاربردهای توربوشارژرها به آن اشاره کنیم:
اتومبیل های بنزینی و دیزلی: همانطور که قبلاً ذکر شد اتومبیل های توربوشارژ در بین اتومبیل های بنزینی و دیزلی رایج هستند تا توان خروجی خود را برای یک ظرفیت معین افزایش دهند. همچنین راندمان سوخت را افزایش می دهد و به موتور با جابجایی کوچکتر اجازه می دهد. این موتورها حدود 10 درصد وزن کم کردند و تا 30 درصد در مصرف سوخت صرفه جویی کردند و همچنان همان اوج اسب بخار را ارائه می دهند.
انواع توربوشارژردر زیر انواع مختلف توربوشارژر وجود دارد:
تک توربو:
تک توربو ساده ترین، رایج ترین و ارزان ترین نوع توربوشارژر موجود است. این دارای تنوع بی حد و حصر است و توربوی کوچکتر است، چون سریع‌تر قرقره می‌شوند، صدای خرخر پایین‌تری را ارائه می‌دهد. تک توربو دارای یک بلبرینگ و یاتاقان ژورنال است که اصطکاک کمتری را برای چرخش کمپرسور و توربین فراهم می کند.
مزایای توربوشارژرهای تک این است که موتورهای کوچکتر نیز مجاز به داشتن توربو هستند، مقرون به صرفه بودن نیز در نظر گرفته می شود، سادگی و نصب آسان تر. همچنین راندمان موتور را افزایش می دهد.
برخی از محدودیت ها با وجود مزایای آن همچنان وجود دارد که عبارتند از: داشتن محدوده دور موثر باریک نسبتاً باریک. توربوهای تکی، اندازه را به یک مسئله تبدیل می‌کنند، زیرا باید بین قدرت بالاتر یا گشتاور پایین‌تر خوب یکی را انتخاب کرد. در نهایت، واکنش ممکن است در مقایسه با سایر انواع توربو کند باشد.
توربوهای دوقلو:
توربو دوقلو گزینه دیگری است که برای هر بانک سیلندر (v8، v12 و غیره) تک توربوشارژر را امکان پذیر می کند. از طرف دیگر، می‌توان از یک توربوشارژر برای دورهای کم و دور زدن با توربوشارژر بزرگتر برای دورهای بالا استفاده کرد. دو توربو با اندازه مشابه که یکی در دور کم و هر دو در دورهای بالاتر استفاده می شود (14، 16). BMW x5 M و x6 M از توربوهای دوقلو اسکرول استفاده می کند که یکی در هر طرف V8 است.
مزایای توربو دوقلو زمانی که به صورت ترتیبی یا روی توربو در دورهای پایین و هر دو در دورهای بالا است. این امکان منحنی گشتاور پهن‌تر و صاف‌تر، گشتاور پایین‌تر را فراهم می‌آورد، اما قدرت در دورهای بالا مانند یک توربو منفرد کاهش نمی‌یابد. محدودیت‌های این توربوشارژرها شامل هزینه و پیچیدگی است، زیرا این قطعه تقریباً دو برابر شده است. و جایگزین های دیگری برای دستیابی به نتیجه ای مشابه که سبک تر است وجود دارد.
Twin-Scroll Turbo:
تقریباً از هر نظر، توربوشارژرهای دوقلو بهتر از توربوهای تک اسکرول هستند، زیرا هنگام استفاده از دو اسکرول، پالس های اگزوز تقسیم می شوند. به عنوان مثال، در موتورهای چهار سیلندر با ترتیب شلیک 1 3 4 2، سیلندرهای 1 و 4 ممکن است به یک اسکرول توربو تغذیه شوند. در حالی که سیلندرهای 2 و 3 برای جدا کردن اسکرول تغذیه می شوند. هدف از این نوع توربوشارژرها وجود همپوشانی در سیلندر است. فرض کنید با رسیدن پیستون به نقطه مرده پایینی، سیلندر به حرکت قدرت خود پایان می دهد و دریچه اگزوز باز می شود. در طی این مدت، سیلندر دو با بستن سوپاپ و باز کردن دریچه ورودی، کورس اگزوز خود را به پایان می رساند.
یک منیفولد توربو تک اسکرول سنتی کاملاً متفاوت است، فشار اگزوز از سیلندر یک با کشش سیلندر دو در هوای تازه تداخل دارد زیرا هر دو سوپاپ اگزوز بطور موقت باز هستند. این باعث کاهش فشار وارده به توربو و تداخل در میزان هوای ورودی سیلندر دوم می شود.
از مزایای توربوشارژر این است که انرژی بیشتری به توربین اگزوز فرستاده می شود و محدوده دور در دقیقه وسیع تری از تقویت موثر حاصل می شود. این به دلیل طراحی های مختلف اسکرول است. اساساً، همپوشانی سوپاپ‌ها بیشتر است، بدون اینکه مانع از تخلیه اگزوز شود، که منجر به انعطاف‌پذیری تنظیم بیشتر می‌شود.
محدودیت ها این است که هزینه و پیچیدگی در مقایسه با تک توربوها زیاد است و به طرح موتور و طراحی اگزوز خاصی نیاز دارد.
توربوشارژر هندسه متغیر (VGT):
انواع هندسه متغیر توربوشارژر در موتورهای دیزل رایج است و تولید آنها محدود است. این به دلیل هزینه و الزامات مواد عجیب و غریب آن است. پره های داخلی داخل توربوشارژر نسبت A/R ناحیه به شعاع را تغییر می دهند تا با دور در دقیقه مطابقت داشته باشد. یعنی در دور کم، نسبت A/R پایین برای افزایش سرعت گاز خروجی و به سرعت چرخاندن توربوشارژر استفاده می شود. اگر دورها بالا برود، نسبت A/R برای افزایش جریان هوا افزایش می‌یابد که منجر به تاخیر کم توربو می‌شود. همچنین منجر به آستانه تقویت پایین و باند گشتاور گسترده و صاف می شود.
از مزایای این نوع توربو این است که منحنی گشتاور پهن و مسطح تولید می شود. که در محدوده دور در دقیقه بسیار وسیع موثر است. این نیاز به یک توربو دارد، که یک راه‌اندازی متوالی توربو را به چیزی فشرده‌تر ساده میکند. محدودیت‌های آن این است که فقط در کاربردهای دیزلی استفاده می‌شود که گازهای خروجی کمتر است، بنابراین پره‌ها توسط سر از بین نمی‌روند. با استفاده از توربو در موتور بنزینی، فلزات عجیب و غریب گران قیمت به منظور حفظ قابلیت اطمینان استفاده خواهند شد.
توربوشارژر Twin-Scroll متغیر:
توربوی متغییر توئین اسکرول به طور قابل توجهی ارزان تر از VGT است و آن را به گزینه ای ارجح برای توربوشارژ بنزینی تبدیل می کند. این دستگاه یک VGT را با یک راه‌اندازی اسکرول دوقلو ترکیب میکند، بنابراین، در یک دور کم، یکی از اسکرول‌ها کاملاً بسته می‌شود و تمام هوا را به دیگری وارد میکند. با افزایش سرعت موتور، یک سوپاپ باز می شود تا هوا وارد اسکرول دیگر شود و عملکرد عالی خوبی به دست می آید.
مزایای توربوشارژر این است که منحنی گشتاور پهن و مسطح را امکان پذیر می کند و از نظر طراحی قوی تر از VGT است. هزینه و پیچیدگی نیز محدودیت های آن است و فناوری قبلاً ناخواسته بوده است.
توربوشارژرهای برقی:
با استفاده از موتور الکتریکی در یک توربوشارژر، ویژگی های آن را افزایش می دهد و باعث تقویت فوری موتور می شود. گشتاور پایین به راحتی تولید می شود، تاخیر حذف می شود. این توربوشارژر فقط بهترین از همه است، شاید یک نسخه جدید آن را پایین بیاورد.
مزایای آن این است که محدوده دور موثرتر گسترده تر با گشتاور یکنواخت در سرتاسر تولید می شود. انرژی تلف شده زمانی که یک موتور الکتریکی به طور مستقیم به توربین اگزوز متصل می شود، بازیابی می شود. و همانطور که قبلا ذکر شد تاخیر توربو و گازهای خروجی ناکافی را می توان با چرخاندن کمپرسور با نیروی الکتریکی در صورت نیاز عملاً از بین برد.
پیچیدگی و هزینه یکی از معایب توربوشارژر است زیرا در حال حاضر موتور الکتریکی نیز در نظر گرفته شده است. بسته بندی و وزن نیز یک مشکل است، به خصوص با اضافه شدن یک باتری در داخل هواپیما، که در صورت نیاز نیروی کافی را به توربو می رساند. مزایای مشابهی را می توان از انواع دیگر مانند VGT یا طومارهای دوقلو به دست آورد.
اصل کار
با داشتن دانش اولیه در مورد نحوه عملکرد موتور جت، درک خودروهای دارای توربوشارژر بسیار آسان تر خواهد بود. بگذارید توضیح دهم، یک موتور جت هوای تازه را در جلو می مکد و از آن در محفظه برای مخلوط کردن و سوختن با سوخت استفاده می کند. سپس هوای گرم را از پشت خود منفجر می کند. غرش داغ از کنار یک توربین ساخته شده از یک آسیاب بادی فلزی فشرده می‌گذرد که کمپرسور (پمپ هوا) را در جلوی موتور به حرکت در می‌آورد. موتور از آن برای هل دادن هوا به داخل موتور استفاده می کند تا سوخت به درستی بسوزد.
فرآیند مشابهی برای توربوشارژر موتور پیستونی خودرو اعمال می شود. از گازهای خروجی برای به حرکت درآوردن توربین استفاده می شود که یک کمپرسور هوا را می چرخاند که هوای اضافی را به داخل سیلندرها می راند. این باعث می شود که سوخت بیشتری در ثانیه بسوزد و به همین دلیل یک ماشین توربوشارژر می تواند قدرت بیشتری تولید کند. یعنی انرژی بیشتری در ثانیه.
توربوشارژرها از دو نیمه ساخته شده اند که توسط یک شفت به هم متصل شده اند. یکی از آنها حاوی توربین است که توسط گازهای داغ اگزوز می چرخد، و دیگری دارای توربین است که هوا را به داخل می مکد و آن را به داخل موتور فشرده می کند. این فشرده سازی قدرت و کارایی بیشتری را به موتور ارائه می دهد. همانطور که هوای بیشتری وارد محفظه احتراق می شود، سوخت بیشتری اضافه می شود که قدرت اضافی تولید می کند.
توجه داشته باشید که هوای فشرده گرم است که چگالی کمتری دارد و از روی رادیاتورها بالا می رود. این هوای گرم در کمک به سوختن سوخت کمتر موثر است. به همین دلیل هوای وارد شده از کمپرسور قبل از ورود به سیلندرها باید خنک شود. به همین دلیل است که هوای گرم کمپرسور از روی یک مبدل حرارتی عبور می کند که گرمای اضافی را قبل از ورود به محفظه احتراق حذف می کند.
نمودار عملکرد توربوشارژر
نیروی اضافی از کجا می آید و چقدر می توانید بدست آورید
اکثر مردم فکر می کنند که موتور توربین قدرت اضافی را از گاز اگزوز دریافتی ارائه می دهد، اما این درست نیست. گاز اگزوز برای به حرکت درآوردن کمپرسور استفاده می شود که هوا را به محفظه احتراق منتقل می کند و به موتور اجازه می دهد هر ثانیه سوخت بیشتری بسوزاند. قدرت اضافی از سوخت اضافی حاصل می شود که با سرعت بیشتری سوزانده می شود.
مقدار قدرت اضافی توربوشارژر با توجه به بزرگی قطعات تعیین می شود. بسته به قدرت مورد نظر، توربوشارژرها برای قدرتمندتر کردن موتور بهبود می یابند. اما محدودیتی برای بهبود وجود دارد. سیلندرها آنقدر بزرگ هستند که می توانند هوا و سوخت زیادی را برای مخلوط کردن دریافت کنند.
مزایا و معایب توربوشارژرهامزایا:
قدرت اضافی به موتور ارائه می شود.
قدرت رایگان با استفاده از گازهای خروجی اگزوز به موتور داده می شود. برای راندن آن به هیچ موتوری نیاز ندارد.
هم در موتورهای دیزلی و هم در موتورهای بنزینی استفاده می شود.
بهبود راندمان سوخت موتورها
معایب:
با وجود مزایای توربوشارژرها، هنوز دو محدودیت اصلی وجود دارد. در زیر به معایب توربوشارژر اشاره می کنیم:
یکی از مشکلات بزرگ در مورد توربوشارژر، تاخیر توربو است. این اتفاق می افتد زمانی که دریچه گاز فشار داده می شود، سرعت موتور زمان می برد. یعنی توربوشارژرها زمان می برند تا سرعت موتور را منعکس کنند.
هنگامی که سرعت موتور کم است، گازهای خروجی کافی برای چرخاندن کمپرسور برای ارائه قدرت مورد نیاز وجود ندارد. اگزوز مورد نیاز پس از فشار دادن دریچه گاز ایجاد می شود. این اثر با کاهش دنده به دنده کمتر کاهش می یابد، اما رانندگان متخصص گاهی اوقات متوجه تاخیر تقسیم در پاسخ می شوند.
محدودیت دوم توربوشارژرها در شرایط رانندگی روزمره اتفاق نمی افتد. این فقط زمانی اتفاق می افتد که موتور به حد خود برسد. گرمای تولید شده از گازهای خروجی، بسیار داغ می شود و باعث می شود توربوشارژر شروع به درخشش قرمز کند.
به همین دلیل است که اکثر خودروهای اسپرت توربوشارژ با دریچه هایی در قسمت پایین موتور طراحی می شوند. این دریچه گردش هوا را ثابت نگه می دارد و قطعات را خنک می کند.
در پایان، ما عملکردهای مختلف توربوشارژرها را در اختیار شما قرار داده ایم. یکی از آنها افزایش کارایی و راندمان سوخت موتورها است. همچنین شاهد انواع توربوها و اصل کار آنها هستیم. مزایا و معایب نیز آشکار می شود.