اصول سوپرشارژرها

[Bernabeo 1062]



 

 

 

سوپرشارژر، وسیله تنظیم فشاری (افزایش فشار) است که باعث می‌شود هوا با فشاری بیشتر از فشار اتمسفر، به داخل محفظه تراکم موتور مکیده شود. توربوشارژرها نیز این کار را انجام می‌دهند. در واقع اصطلاح توربوشارژر همان کوتاه شده عبارت توربوسوپرشارژر است.

تفاوت بین توربوشارژر و سوپرشارژر در منبع تأمین انرژی آنهاست. توربوشارژرها، انرژی خود را از توربینی می‌گیرند که توسط جریان گازهای خروجی و تخلیه شده (از اگزوز خودرو) به چرخش در می‌آید. منبع تأمین انرژی سوپرشارژرها سیستمی کاملاً مکانیکی متشکل از تسمه یا زنجیره‌ای از چرخ دنده‌هاست که به وسیله میل‌لنگ موتور به حرکت در می‌آیند.

به‌طور معمول، چهار مرحله (کورس) در موتورهای درونسوز تعریف می‌شود که یکی از آنها، مرحله «مکش» است. سه گام این فرایند عبارتند از:

۱- پیستون در داخل سیلندر به طرف پایین می‌آید.

۲- خلاء ایجاد می‌شود.

۳- هوا در فشار اتمسفر، به داخل محفظه احتراق مکیده می‌شود.

هوای مکیده‌شده به داخل موتور، باید با سوخت ترکیب شود و در ادامه، مخلوط سوخت و هوا با جرقه‌ای محترق شود و طی واکنشی شیمیایی، انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی قابل استفاده تبدیل شود. جرقه، سبب اشتعال و انجام واکنش شیمیایی منجر به احتراق کامل می‌شود و انرژی زیادی آزاد می‌گردد. انرژی حاصل از احتراق، به سیلندرها منتقل شده و در داخل سیلندر، پیستون به سمت پایین رانده می‌شود و در نهایت، انرژی به چرخ‌ها منتقل می‌شود.

ممکن است میزان سوخت بیشتر، سبب انجام واکنش بهتر و سریع‌تر و در نهایت انرژی خروجی بیشتر شود، اما این امر به‌سادگی میسر نیست زیرا مخلوط هوا و سوخت باید به نسبتی صحیح وجود داشته باشد تا احتراق کامل صورت گیرد (معمولاً نسبت هوا به سوخت ۱۴ به ۱ است).

سوپرشارژرها، فرایند مکش را با فشردن هوا (با فشار بیش از فشار اتمسفر) بدون ایجاد خلاء انجام می‌دهند. این عمل، باعث افزایش مقدار هوای ورودی به محفظه می‌شود و توان موتور را ارتقا می‌دهد. سوپرشارژرها، به‌طور میانگین ۴۶ درصد از توان موتور و ۳۱ درصد از گشتاور خروجی آن را افزایش می‌دهند.

سوپرشارژر Twin-screw

در مکان‌های مرتفع که عملکرد موتور افت می‌کند و فشار زیادی به موتور وارد می‌شود (زیرا در این مکان‌ها میزان هوا کم و فشار هوا نیز کمتر است) سوپرشارژر با انتقال فشار بالاتر، باعث تقویت عملکرد موتور می‌شود. با استفاده از سوپرشارژرها، عملکرد بهینه موتور را در اختیار خواهیم داشت. برخلاف توربوشارژرها که از گازهای خروجی و تخلیه شده اگزوز برای ایجاد احتراق و درنهایت تأمین انرژی کمپرسور استفاده می‌کنند، سوپرشارژرها مستقیماً انرژی خود را از میل‌لنگ موتور تأمین می‌کنند.

مشابه اغلب سیستم‌های مکانیکی و مکانیزم‌های انتقال قدرت، در سوپرشارژرها نیز، از چرخ‌دنده و تسمه برای انتقال نیرو استفاده می‌شود. به طوری که این مکانیزم باعث چرخش روتور کمپرسور می‌شود. روتور کمپرسور در طرح‌های مختلفی وجود دارد، اما کار آن کشیدن هوا به داخل، فشردن و متراکم کردن هوا و انتقال آن به محفظه کوچکتر و در نهایت ارسال هوای فشرده به منیفولد یا محفظه مکش است، یکسان می‌باشد.

سوپرشارژرها ممکن است برای تنظیم فشار و رسیدن به فشار مناسب، به سرعت چرخش زیادی (حتی بیش از دور موتور) نیاز داشته باشند. در این حالت، چرخ‌دنده محرک سوپرشارژرها بزرگتر از چرخ‌دنده کمپرسور ساخته می‌شود. سوپرشارژرها می‌توانند سرعت‌های بیش از ۵۰ هزار تا ۶۵ هزار دور در دقیقه داشته باشند. سوپرشارژری که می‌تواند با سرعت ۵۰ هزار دور در دقیقه بچرخد، حدود ۶ تا ۹ Psi فشار بیشتر (نسبت به فشار اتمسفر) تأمین می‌کند و این یعنی حدود ۵۰ درصد انتقال هوای بیشتر به محفظه احتراق موتور.

هوا پس از تراکم و فشرده شدن، گرمتر می‌شود. بر اثر گرم شدن هوا، چگالی آن پایین می‌آید و نمی‌تواند برای احتراق مناسب باشد. یعنی از پتانسیل و توان کافی برای مشتعل شدن برخوردار نخواهد بود.

برای اینکه سوپرشارژرها با بالاترین ظرفیت و بیشترین بازده کار کنند، قسمت یا واحد شارژ مجدد در آنها تعبیه شده است که هوا را قبل از ورود به منیفولد، خنک می‌کند. به این بخش، اینترکولر می‌گویند. اینترکولر در دو طرح وجود دارد: ۱- هوا به هوا ۲- هوا به آب.

اینترکولر در هر دو طرح، مانند رادیاتور کار می‌کند که هوا یا آب با حرکت در مجموعه‌ای از لوله‌ها خنک می‌شود. در واقع، هوای گرم شده خارج از سوپرشارژر، وارد لوله‌های اینترکولر شده و خنک می‌شود. کاهش دمای هوا باعث افزایش چگالی و در نهایت وجود هوای بیشتر در محفظه احتراق می‌شود.

انواع سوپرشارژرها

سه نوع سوپرشارژر وجود دارد:

۱- Roots Supercharger یا شبه چرخ‌دنده‌ای (دنده مانند)

۲- Twin- Screw Supercharger یا دو پره‌ای

۳- Centrifugal Supercharger یا گریز از مرکز

فرق اساسی این سه نوع سوپرشارژر، در روش ارسال و انتقال هوا به منیفولد موتور است. نوع شبه چرخ‌دنده‌ای و دوپره‌ای از انواع مختلفی Meshing lobes (قطعات دنده یا پره مانند) استفاده می‌کنند. سوپرشارژرهای گریز از مرکز، از پروانه‌های دوران کننده‌ای استفاده می‌کنند که باعث مکش هوا به داخل می‌شوند.

تمامی انواع سوپرشارژرها در نهایت باعث تقویت و افزایش توان موتور می‌شوند، اما تفاوت قابل ملاحظه آنها در بازده آنهاست. هر کدام از انواع سوپرشارژرها، در اندازه‌های مختلف موجود بوده و بسته به کاربرد و استفاده خودرو در مسابقات ورزشی یا سرعت، انتخاب می‌شوند.

سوپرشارژر شبه چرخ‌دنده‌ای

در سوپرشارژر شبه چرخ‌دنده‌ای یا دنده مانند، با چرخش اجزای دنده مانند، هوا به درون محفظه داخلی مکیده می‌شود. با توجه به سرعت زیاد چرخش و کوچکی محفظه داخلی، هوا با فشار و سرعت بالا خارج می‌شود. سوپرشارژر شبه دنده‌ای مانند دمنده هواست و اغلب اصطلاح «دمنده هوا» را به عنوان معادل آن به کار می‌برند.

سوپرشارژرهای شبه چرخ دنده‌ای، معمولاً بزرگ و حجیم هستند و بالای موتور نصب می‌شوند. در بعضی از خودروها، به علت بزرگی اندازه، خارج از کاپوت خودرو نیز نصب می‌شوند.

این نوع سوپرشارژرها، دارای کمترین بازده هستند زیرا هم وزن زیادی را به خودرو اعمال می‌کنند و هم هوا را به صورت گسسته و ناپیوسته به منیفولد انتقال می‌دهند که در نتیجه انفجار و احتراق پیوسته ایجاد نمی‌شود.

سوپرشارژر دوپیچه‌ای

این نوع سوپرشارژرها از دو قطعه همانند و شبیه چرخ‌دنده مارپیچی ساخته شده‌اند که هوا با عبور از بین آنها متراکم می‌شود.

هوا در فضای بین روتورها محصور شده و از محفظه مخروطی شکلی خارج می‌شود، سپس به فضای کوچکتری فشرده و پمپ می‌گردد.

بازده این نوع سوپرشارژرها بیشتر، اما هزینه ساخت و قیمت آنها بالاتر است زیرا فرایند ساخت اجزای آن و روتور، به ظرافت و دقت بسیاری نیاز دارد. برخی انواع سوپرشارژرهای دوپره‌ای، در قسمت فوقانی موتور (مانند سوپرشارژرهای شبه چرخ‌دنده‌ای) نصب می‌شوند. این نوع سوپرشارژرها، نویز و سروصدای زیادی دارند زیرا هوای خروجی فشرده شده از قسمت خروجی، صدایی سوت‌‌مانند ایجاد می‌کند.

سوپرشارژر گریز از مرکز (Centrifugal Supercharger)

در این نوع سوپرشارژرها، از قطعه‌ای پروانه مانند که با سرعت بسیار بالا حول محور خود (مانند روتور) می‌چرخد، استفاده می‌شود. هوا توسط پروانه‌ دواری که با سرعت بسیار بالا می‌چرخد به محفظه کمپرسور مکیده می‌شود. هوای خروجی در این مرحله، دارای سرعت بسیار بالا، اما فشار پایین است. به وسیله دیفیوزری هوای سرعت بالا، فشار پایین به هوای سرعت پایین، فشار بالا تبدیل می‌شود. براثر برخورد مولکول‌های هوا به پره‌های دیفیوزر، هوا گرمتر و سرعت آن کمتر شده و فشار هوا افزایش می‌یابد.

سوپرشارژرهای گریز از مرکز، دارای بیشترین بازده در مقایسه با انواع مختلف سوپرشارژر هستند. این سوپرشارژرها، کوچک و سبک بوده و به جای بالای موتور در قسمت بالای آن نصب می‌شوند. همچنین، استفاده از این نوع سوپرشارژرها باعث مطلوب شدن صدای کارکرد موتور می‌شود. برخی سوپرشارژرها در تعمیرگاه‌ها و نمایندگی‌ها قابل نصب هستند. برخی از سازندگان خودرو، کیت مناسبی برای نصب سوپرشارژر پیشنهاد می‌کنند و برخی از سازندگان خودرو، بعضی از محصولات خویش را با سوپرشارژر عرضه می‌کنند.

 

مزایا، معایب و سیر تکاملی سوپرشارژرها

بزرگترین مزیت استفاده از سوپرشارژرها، افزایش توان و قدرت موتور است. براستی از بین سوپرشارژر و توربوشارژر کدام را انتخاب کنیم؟ این سؤال بسیاری از مهندسین و علاقه‌مندان به خودرو است.

نظرات مختلفی در مورد این دو سیستم و بهینه بودن هر یک، وجود دارد. برخی بر این باورند که توربوشارژر به دلیل استفاده از دود اگزوز که انرژی هدر رفته‌ای تلقی می‌شود، نسبت به سوپرشارژری که نیروی خود را از موتور خودرو می‌گیرد و خود باعث کاهش قدرت موتور می‌شود، بهتر عمل می‌کند. از طرف دیگر، وجود یک توربین درون اگزوز، خود باعث ایجاد فشار در تخلیه دود موتور می‌شود. از سوی دیگر به دلیل کم بودن فشار گازهای خروجی از اگزوز در دورهای پایین موتور، عملاً توربوشارژرها در دورهای پایین کارایی ندارند. این مورد باعث ایجاد تأخیر از زمان فشردن پدال گاز تا به کار بردن توربوشارژر می‌شود. به این تأخیر، Turbo Lag یا کاستی قدرت گفته می‌شود. البته این مورد با استفاده از دو توربین در مدل‌هایی از تویوتا، مزدا، سوبارو، آئودی و مرسدس، تا حدودی حل شده است. مشکل دیگر در مواردی بروز می‌کند که کمپرسور توربین، کوچک باشد. گرمای پروانه درون اگزوز به قسمت هوای ورودی منتقل شده و باعث گرم شدن بیشتر هوا می‌شود (فشرده شدن هوا نیز باعث افزایش حرارت آن می‌شود). از آنجا که هوای خنک برای سوختن در خودرو مناسب‌تر است، استفاده از یک اینترکولر در این سیستم‌ها ضروری است. در سوپرشارژرها نیز قبل از ورود هوا به سیلندرها از اینترکولر استفاده می‌شود. در گذشته، عملاً بیشتر توربوشارژر در خودروهای دیزلی استفاده می‌شد و در مورد موتورهای بنزینی تنها در مدل‌هایی از پورشه، ساآب و خودروی مسابقه‌ای، مورد استفاده قرار می‌گرفت. با پیشرفت علم و تکنولوژی و تغییرات جدید در این سیستم، خودروسازان در سال‌های اخیر برای موتورهای بنزینی خود به این سیستم روی آورده‌اند. از آن جمله به نظر می‌رسد رویکرد جدید مرسدس بنز، استفاده از توربوشارژر باشد زیرا در لیست موتور مدل‌های سری A و B جدید این شرکت، موتورهای بنزینی Turbo200 خودنمایی می‌کنند.

در مقابل، سوپرشارژر که چند سالی است در کلاس‌های SLR,E,C و SLK مرسدس و همچنین مینی‌کوپرها دیده می‌شود، به دلیل تأمین نیروی چرخنده از موتور، در هر لحظه با فشردن پدال در هر دور موتور قدرت لازم را به راننده ارائه می‌دهد. این سیستم همواره و در هر حالتی فعال است، یعنی زمانی که خودرو در جا کار می‌کند و یا با سرعت کم حرکت می‌کند، سوپرشارژر فعال می‌باشد. این مشکل، در سال‌های اخیر توسط مرسدس و با افزودن یک هرزگرد در پولی کمپرسور، حل شده است. مبحث کاهش قدرت موتور به خاطر تأمین نیروی کمپرسور سوپرشارژر نیز صحیح است، اما قدرتی که این سیستم تولید می‌کند، به مراتب بیشتر از نیرویی است که از موتور می‌گیرد و یا به اصطلاح هدر می‌دهد.

در هر شکل، مشکلات این دو سیستم طی سال‌های گذشته، در حال برطرف شدن است، اما به نظر می‌رسد آینده از آن سیستم‌هایی باشد که نیروی توربین خود را به صورت الکتریکی تأمین می‌کنند. این سیستم‌ها هم اینک با نام سوپرشارژر برای تیونینگ خودروها به کار برده می‌شوند.

نتیجه اینکه سوپرشارژرها به علت مزایای بیشتری که نسبت به توربوشارژرها دارند، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. این قابلیت‌ها و مزیت‌ها عبارتند از:

- میزان تأخیر در سوپرشارژرها کمتر است. یعنی زمانی که پدال گاز را فشار می‌دهیم تا زمانی که واکنش مناسبی از موتور دریافت کنیم در سوپرشارژرها کمتر است، اما در توربوشارژرها این میزان تأخیر به سبب مکانیزم عملکرد آن که از گاز خروجی از اگزوز برای چرخاندن توربین استفاده می‌شود، بیشتر است که در سوپرشارژرها هیچ تأخیری به این دلیل که حرکت خود را مستقیماً از میل‌لنگ موتور می‌گیرند، وجود ندارد.

- سوپرشارژرها در دور موتور پایین‌تر بازده بیشتری دارند. این امر باعث داشتن توان بیشتر در دور موتور پایین‌تر می‌شود. سوپرشارژرهای گریز از مرکز که دارای بیشترین بازده هستند، در دور موتور بالاتر توان بیشتری فراهم می‌کنند.

- نصب و راه‌اندازی توربوشارژر، به تغییرات گسترده و نصب قطعات مختلف روی سیستم تخلیه گاز خروجی از اگزوز نیاز دارد، اما سوپرشارژرها روی موتور یا کنار آن نصب می‌شوند. ارزان‌تر بودن، نصب آسان و تعمیر ساده، از دیگر مزایای استفاده از سوپرشارژرها، است.

- سوپرشارژرها بی‌نیاز از روغن‌کاری هستند، اما توربوشارژرها به مکانیزم روغنکاری نیاز دارند. توربوشارژرها نیاز به خنک شدن دارند و از روغنکاری و CoolDown استفاده می‌کنند. در کل، می‌توان نتیجه گرفت که در دمای یکسان، سوپرشارژرها عملکرد مناسب‌تری دارند.

- یکی از بزرگترین معایب سوپرشارژرها، محدودیت در مشخصه‌های فنی آنهاست. یعنی آنها تا حد معین و محدودی می‌توانند فشار هوا و در نهایت توان موتور را بالا ببرند زیرا میل‌لنگ که عامل حرکت آنهاست مقداری از توان موتور را مصرف می‌کند و مقداری انرژی تلف شده وجود خواهد داشت، سوپرشارژرها حدود ۲۰ درصد از توان خروجی موتور را می‌گیرند اما در حالت بهینه کارکرد، حدود ۴۶ درصد توان موتور را ارتقا می‌دهند.

در ضمن، به دلیل عملکرد مکانیزم و واکنش‌های داخلی سوپرشارژر، تنش اضافه‌ای به موتور وارد می‌شود. با وجود معایبی که در مورد سوپرشارژرها ذکر شد، کماکان استفاده از آنها به دلیل عملکردی که در افزایش توان موتور دارند و از نظر اقتصادی نیز به صرفه می‌باشند ، رایج است.

مطلب دیگه ای بود که شاید برای خیلیا سئوال باشه که آیا میشه روی ماشینمون توربو یا سوپرچارجر نصب کنیم یا نه؟

اصولا فرآیند نصب توربوچارجر روی موتور اینجوریه که وقتی تیم مهندسی داره یه موتور رو طراحی میکنه همون موقع به این موضوع فکر میکنه که آیا قراره این موتور بعدا به اصطلاح turbocharged بشه یا نه و اگه تصمیم گرفتن که مثلا قراره بعدا این موتور به صورت توربوچارج مورد استفاده قرار بگیره همون موقع طراحی ملاحظات مقاومت موتور رو (از لحاظ تحمل تنشهایی که در پست قبل گفتم) انجام میدن.

در مرحله بعد که موتور طراحی شد . دو راه وجود داره یا اینکه خود تیم مهندسی که موتور رو طراحی کرده میاد و یه توربوچارجر هم براش طراحی میکنه و یا اینکه میاد و یه شرکتی که کارش توربوچارجر اطلاعات فنی موتور رو میده و اون شرکت هم میاد و برای اون موتور توربو چارجر طراحی میکنه.

از همینجا معلوم میشه که اصولا توربوچارجر وسیله ی اصطلاحا compatible نیست یعنی نمیشه هر توربوچارجر رو روی هر موتور بست . حالا اگر دو تا موتور دارای خصوصیات نزدیک به هم باشن و یکی از موتورها بصورت استاندارد توربوچارج شده باشه شاید دقت کنید شاید بشه تنظیمات اون موتور رو برای موتور دیگه هم پیاده کرد. بازم میگم این کار اصلا علمی و فنی نیست.

توربوشارژ و نیتروس

توربو با اجبار موتور به تنفس بیشتر و سوراندن سوخت بیشتر نیروی بیشتر تولید می کند. توربو با نیرو گازهای خروجی کار می کند. توربو وسیله ای کاربردی هست اما یکی دو مشکل عمده دارد.

اگر توربین به اندازه کافی کوچک باشد که در دور پایین موتور به چرخش در آید در دور بالا به یک مانع تبدیل می شود که حداکثر قدرت را محدود می کند. زیرا اگر موتر موفق به خروج گاز های حاصل از سوخت نشود…..!

اگر توربین به اندازه کافی بزرگ باشد که در برابر حداکثر قدرت منطقی مانع نباشد آنگاه با مشکلی به نام واماندگی(lag) در دورهای پایین روبرو می شویم. به این علت که موتور در دور پایین گاز زیادی تولید نمی کند که توربین بزرگ را با سرعت مناسب به چرخش در آورد که فشار تولید شود. اما اگر بتوانید توربو را در دور پایین موتر به گردش با دور مناسب وادار کنید خود توربو فشار لازم برای تحریک بیشتر تولید خواهد کرد!

حال اگر ما مقدار بسیار کمی نیتروس را در دریچه سوخت(wot)تزریق کنیم موتور فوراً تولید نیرو خواهد کرد! و حتی در دور های پایین توربو شارژ سرعت می گیرد به علت گاز خروجی تولید شده! اکنون یک سنسور کوچک در ورودی سوخت افزایش فشار را متوجه شده و تزریق نیتروس را خاموش می کند. اکنون محرک خودبه خود پیش میرود. در عمل مقدار بسیار کمی نیتروس مصرف می گردد. نتیجه یک سیستم توربو بدون وامانگی هست حتی اگر از توربیهای عظیم استفاده شود.

انواع گوناگونی سیستم های تزریق نیتروس وتوربوشارژرهای عظیم برای کار باهمدیگر تولید می شود

نویسنده : محمد چیتگرها