ایسکانیوز گزارش می‌دهد؛

آشنایی با فناوری توربوشارژر در خودروها

چهارشنبه 18 مهر 1397 - 13:08
کد مطلب: 973055
000

سال‌ها پیش یک خودروی سریع و قدرتمند، خودرویی بود که زیر کاپوت آن موتوری حجیم با سیلندرهای متعدد گنجانده شده بود. پیشرانه‌هایی که برخلاف آن قد و قواره بزرگشان،‌ کارایی پایینی داشتند. علاوه بر این، مصرف آن‌ها نیز بالا بود.

به گزارش خبرنگار گروه اقتصادی ایسکانیوز، تنها نکته جذاب این موتورها، سروصدای پرابهت و اسم‌ورسم دهان‌پرکن بود؛ اما امروزه به لطف فناوری‌های جدید موتورهایی با حجم تنها یک سیلندر از همان پیشرانه‌ها، قدرتی دو برابر تولید می‌کنند. یکی از این فناوری‌های پیشرو، توربوشارژر است.

بعد از چند بحران نفتی در اروپا و آمریکا و بروز جنگ‌های داخلی در خاورمیانه، قیمت نفت به طرز وحشتناکی بالا رفت. این بدترین خبر برای تولیدکنندگان بزرگ خودرو بود. شرکت‌های نام‌داری که اغلب محصولات‌شان با موتورهای حجیم راهی بازار می‌شدند. مصرف بالای این خودروها هزینه استفاده از آن‌ها را به طرز چشم‌گیری افزایش داده بود. اتفاقی که هرگز باب میل مشتریان نبود. قیمت گزاف بنزین و گازوئیل نه‌تنها هزینه‌های بالایی را به خریداران تحمیل می‌کرد بلکه هزینه‌های تولید را نیز افزایش می‌داد. نفت تأثیری عمیق بر کلیه صنایع به‌ویژه خودروسازی دارد. این بحران اقتصادی مدیران و مهندسان را به فکر یک تغییر اساسی در استراتژی‌هایشان انداخت. از یک‌سو کاهش حجم موتور، کاهش قدرت را نیز در پی داشت. این نیز خود به‌تنهایی باعث رنجش خاطر مشتریان می‌شد.

گروه بزرگی از مهندسان در پی آن شدند که راهکار برون‌رفتی از این معضل پیدا کنند. برخی از شرکت‌ها توانستند با ابداع موتورهای جدید که سیلندرهای کمتری داشت، به افزایش بهره‌وری دست یابند. گروهی دیگر نیز مجبور شدند تا با کاهش وزن خودرو، جبران مافات کنند؛ اما گروهی دیگر که اهداف بزرگ‌تری در سر داشتند، سراغ یک تکنولوژی قدیمی رفتند که هنوز در صنعت خودروسازی استفاده نشده بود.

تاریخچه توربوشارژر

در ۱۸۸۵ میلادی گوتلیب دایملر، مهندس نامدار آلمانی اولین ایده‌ها را برای تقویت موتورهای احتراق داخلی مطرح کرد. ایده دایملر استفاده از یک مکانیزم چرخ دنده‌ای برای فشرده کردن هوا و تزریق آن به درون سیلندر بود؛ اما حقیقت آن است که اولین باری که اصطلاح TurboCharger در لغت‌نامه صنعتی دنیا مطرح شد، نام «آلفرد بوچی» مهندسی سوئیسی پشت آن قرار گرفت.

بوچی سرمهندس بخش دیزل کمپانی بزرگ Sulzer بود. او ایده‌اش را در قالب یک طرح اختراعی در سال ۱۹۰۵ به ثبت رساند. طرح بوچی، واقعاً هوشمندانه بود. آنچه او ساخت، شامل یک منیفولد حلزونی بود که درون آن یک توربین تعبیه می‌شد. این سازه به محل گازهای خروجی اگزوز متصل می‌شد و میزان تراکم هوای قابل اشتعال درون سیلندر را بیشتر می‌کرد. به‌عبارت ساده‌تر توربوشارژر کمپرسوری بود که هوای فشرده را به درون سیلندرها می‌فشرد.

اگرچه ایده بوچی در ظاهر ساده بود ولی برای اجرایی کردن آن زمان زیادی صرف شد؛ یعنی چیزی حدود ۲۰ سال طول کشید تا توربوشارژر به مرحله سوددهی برسد. طی جنگ جهانی اول یک مهندس فرانسوی به اسم «آگوست راتیو» توانست یک توربو شارژ را درون یک موتور کمپانی رنو بگنجاند. این موتور قرار بود به‌عنوان پیشرانه اصلی هواپیمای جنگنده استفاده شود.

در ۱۹۱۸ کمپانی جنرال الکتریک تولید انبوه موتورهای توربوشارژر برای هواپیماهای جنگنده را آغاز کرد. اولین استفاده از این موتورهای تقویت‌شده روی هواپیماهای معمولی در سال ۱۹۲۰ و توسط کمپانی Napier‌ صورت گرفت. ارتش آمریکا رکورددار اولین استفاده از توربوشارژر در کشتی‌های جنگی در خلال جنگ جهانی دوم بود.

داستان استفاده از توربوشارژر در موتور خودروها، به‌اندازه تاریخ پیدایش آن پروپیمان نیست. در دهه ۵۰ تلاش‌های بسیاری از سوی آلمانی‌ها و آمریکایی‌ها برای تعبیه یک پیشرانه توربو درون یک خودرو صورت گرفت؛ اما هر بار به دلیل افزایش شدید دمای بلوک پیشرانه و ذوب شدن آن، پروژه متوقف می‌شد. افزایش ناگهانی دور موتور معضلات متعددی را در بخش انتقال قدرت به‌وجود می‌آورد. درواقع، اغلب خودروسازان هنوز نتوانسته بودند قدرت بی‌حدواندازه توربوها را در مقیاس یک خودرو کنترل کنند.

سرانجام در ابتدای دهه ۶۰ یعنی درست در ۱۹۶۲ بود که کمپانی جنرال موتورز آمریکا اولین خودروی دنیا که مجهز به پیشرانه توربوشارژر بود را معرفی کرد. این خودرو توسط کمپانی اولدزموبیل از زیرمجموعه‌های GM‌ به اسم Jetfire عرضه شده بود. بعدها دیگر زیرمجموعه جنرال موتورز یعنی شورولت نیز از آن روی مدل Monza استفاده کرد. حداقل ۱۰ سال طول کشید تا این فناوری توسط خودروسازان آلمانی کاربردی شود. کمپانی ب‌ام‌و در ۱۹۷۳ بود که برای اولین‌بار از یک خودرو توربوشارژر در اروپا پرده‌برداری کرد.

توربوشارژر چطور کار می‌کند؟

پیش‌تر گفتیم که مکانیزم توربو در حقیقت فشرده کردن هوا برای احتراق قوی‌تر پیشرانه است. با افزایش حجم هوا یا همان اکسیژن در داخل سیلندر، بعد از جرقه‌زنی شمع انفجار قوی‌تری رخ می‌دهد که باعث بالا رفتن توان پیشرانه می‌شود. توربوشارژر درواقع یک نوع مکنده پرقدرت هواست که جریان هوای ورودی به سیلندر را فشرده می‌کند و باعث می‌شود تا هوای بیشتری به سیلندرها وارد شود. توربوشارژر نسبت قدرت به وزن پیشرانه را افزایش می‌دهد. توربین متصل به توربوشارژر با سرعت دورانی حدوداً ۳۰ برابر بیشتر از حالت عادی دوران پیشرانه به چرخش درمی‌آید. گاهی توربوشارژرها می‌توانند چرخشی معادل ۲۵۰ هزار دور در دقیقه را تحمل کنند.

حال سؤال این است که پروسه فنی و مهندسی توربوشارژر به چه صورت است. توربوشارژرها از دو قسمت اصلی توربین که هوای ورودی از گازهای خروجی را با فناوری سانتریفیوژ با سرعت بالا به چرخش درمی‌آوردند. بخش دیگر، کمپرسور یا فشرده‌کننده هواست که یک سر آن به توربین‌ها و سر دیگر آن به منیفولد ورودی به سیلندر متصل است. هر دو بخش توربین و کمپرسور متحرک هستند. بر اساس مشاهدات فیزیکی هرچه توربین بزرگ‌تر باشد،‌ میزان هوای فشرده و درواقع میزان تقویت بیشتر خواهد بود. بزرگ بودن توربین‌ها کارایی آن‌ها را در دور موتورهایی پایین به مشکل می‌اندازد. مدل‌های کوچک‌تر در دور موتورهای پایین عملکرد بهتری دارند ولی هرگز به قدرت نمونه بزرگ‌تر نیستند؛ بنابراین پیدا کردن یک سایز مناسب برحسب توانایی‌های موتور استاندارد یک هنر مهندسی است.

اینترکولر و نقش حیاتی آن

این اواخر یک قطعه دیگر بین این دو نیز نصب می‌شود که وظیفه آن خنک کردن گازهای انتقالی به اسم اینترکولر است. پیشرفت مهندسی کاری کرده است که توربوشارژرها از مدل‌های سنتی با توانایی پایین تبدیل به غول‌های چند صد اسب‌بخاری شوند. همین امر ظاهری ترسناک به آن‌ها می‌بخشد. دمای حاصل از چرخش سریع توربین و گازهای خروجی که خود به‌تنهایی داغ هستند گاه به بیش از ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. بدون وجود یک مکانیزم خنک‌کننده، توربو عملاً هر آنچه هست و نیست را ذوب می‌کند. حقیقت این است که یک سازه توربو اندازه چندان بزرگی ندارد و می‌دانیم که دما در جسم کوچک، سریع‌تر منتقل می‌شود. اینترکولرها نقشی بسیار مهم‌تر از خنک کردن هوا دارند. حرارت بیش‌ازحد شاید به بلوک موتور آسیب نزند ولی قطعاً کارایی آن را پایین می‌آورد. افزایش حرارت، ترکیب از پیش تعیین‌شده هوا و سوخت را با اختلال روبه‌رو می‌کند. گرم بودن هوا به چند دلیل برای سلامت پیشرانه خودرو مناسب نیست.

یکی اینکه با افزایش دما چگالی 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 مثل انفجار زودهنگام می‌شود. در انفجار زودهنگام، دمای مخلوط هوا و سوخت آن‌قدر افزایش پیدا کند که پیش از جرقه‌زنی شمع‌ها، گاز سوختنی مشتعل می‌شود. این انفجار خارج از کنترل و زودهنگام، نه‌تنها افت توان پیشرانه را به همراه دارد بلکه می‌تواند آثار مخربی نیز روی آن کارکردش بگذارد. از سویی دیگر، افزایش بیش‌ازحد دمای پیشرانه می‌تواند تأثیرات منفی روی سلامت قطعات بگذارد و عمر کاری آن‌ها را کاهش دهد. بهتر است بگوییم اینترکولر همانند رادیاتور است که هوای گرم از داخل آن می‌گذرد تا دمای آن کاهش پیدا کند. اینترکولر معمولاً می‌تواند دمای هوای ورودی به سیلندر را تا ۴۰ الی ۶۰ درجه 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 خنک‌شونده با مایع نیاز به یک رادیاتور دوم دارند تا آب را نیز خنک کنند.

انواع توربوشارژر:

توربوها بر اساس نوع کارکرد خود به سه دسته تقسیم می‌شوند:

۱. توربوشارژر حلزونی ساده

در این مدل گازهای خروجی تنها از یک مسیر حلزونی حرکت و توربین را می‌چرخانند، سپس توربین را ترک می‌کنند، وارد اگزوز شده و خارج می‌شوند. مسیر حلزونی یک معبر مارپیچ درون پوسته توربین است که مقطع آن ثابت نیست و کاهش می‌یابد. این تغییر باعث ثابت نگه داشتن سرعت گازها در برخورد با توربین می‌شود. محور متحرک کمپرسور به همراه توربین روی یک شفت نصب شده است. پره‌های کمپرسور دارای انحنا هستند و تحت تأثیر نیروی گریز از مرکز، هوا را فشرده می‌کند. هوای فشرده‌شده با سرعت زیاد و فشار کم از سردکننده عبور می‌کند و وارد قسمت حلزونی پوسته کمپرسور می‌شود. این کار باعث کاهش دما برای جلوگیری از احتراق سوخت به‌وسیله دمای هوا و افزایش فشار هوا پیش از ورود به موتور خودرو خواهد شد.

۲. توربوشارژر حلزونی با افزاینده سرعت

این نوع دارای یک حلزون و یک افزاینده سرعت (پره‌های ثابت روی پوسته توربین) یا دو حلزون و دو مجرای مستقل است. گازهای خروجی وارد منیفولد و از آنجا وارد حلزون‌ها می‌شوند؛ اما به‌جای آنکه مستقیماً وارد چرخه توربین شوند، از روی پره‌های ثابت عبور می‌کنند و با زاویه مناسب و با انرژی بالاتر با پره‌های توربین برخورد می‌کنند. در این نوع توربوشارژر کمپرسور همانند حلزونی ساده عمل می‌کند.

۳. توربوشارژر ضربانی

در این سیستم از ضربات دودهای خروجی خارج‌شده از سیلندر استفاده می‌شود. این امر افزایش سرعت توربوشارژر را در پی دارد. منیفولد ضربانی دارای مسیری مستقلی از هر سیلندر است که در انتها به دو کانال اصلی جداگانه تبدیل می‌شود، این دو کانال به دو کانال روی پوسته توربین می‌پیوندند. منیفولد ضربانی دارای مقطع نسبتاً کوچکی است تا از ضربات بهره بیشتری ببرد. چراکه در منیفولد دود بزرگ‌تر، اتلاف انرژی بالاتر است. شکل منیفولد ضربانی به‌گونه‌ای طراحی شده تا از جریان گازهای آزاد (بدون ضربه) نیز به‌خوبی گازهای توده‌ای (همراه با ضربه) استفاده کند. این ویژگی در حین شتاب‌گیری باعث افزایش سرعت و تداوم رسیدن انرژی گازهای خروجی به توربین، افزایش میزان اکسیژن و در نتیجه افزایش قدرت موتور خودرو می‌شود.


400

161 / 161

نظرات

1- لطفا نظرات خود را با حروف فارسی تایپ کنید.
2- نظرات حاوی مطالب توهین‌آمیز یا بی‌احترامی به اشخاص، قومیت‌ها، عقاید دیگران و مغایر با قوانین کشور منتشر نمی‌شود.
3- نظرات پس از تایید منتشر می‌شود.

اخبار پر بازدید

آخرین اخبار

آرشیو