توربوشارژر و سوپرشارژر چیست؟ با سیستم‌ های پرخوران موتور آشنا شوید (بخش اول)

نخستین استفاده از سیستم‌های پرخوران به اواخر قرن ۱۹ بازمی‌گردد؛ در سال ۱۸۸۵ گوتلیب دایملر مهندس آلمانی ایده‌ای مبنی بر استفاده از یک پمپ مکانیکی برای تزریق هوا به پیشرانه‌های احتراق داخلی داشت. اما اختراع توربوشارژر به شکلی که امروزه می‌شناسیم، توسط مخترع سوئیسی، آلفرد بوشی انجام شد. البته سال‌های زیادی طول کشید تا این سیستم بتواند به‌صورت عمده و عملی مورد استفاده قرار گیرد. در سال ۱۹۱۸ یکی از مهندسان شرکت جنرال الکتریک به نام سانفورد الکساندر ماس اقدام به نصب سیستم توربوشارژر روی یک پیشرانه‌ی ۱۲ سیلندر کرد. این پیشرانه با نام لیبرتی دارای ۲۷ لیتر حجم بود و برای استفاده در تانک و هواپیماهای جنگ جهانی اول طراحی شده بود. الکساندر ماس این پیشرانه را برای آزمایش به کوه‌ پایکس پیک در کلرادو برد. در ارتفاع حدود ۵۵۰۰ متری از سطح دریا، فشار هوا تقریبا نصف فشار هوای سطح دریا است. از لحاظ تئوری این یعنی یک پیشرانه‌ی احتراقی در چنین ارتفاعی نصف حالت عادی قدرت خواهد داشت. نتایج آزمایشات وی نشان داد که پیشرانه‌ی توربوشارژردار در ارتفاعات بالا افت بسیار کمتری نسبت به پیشرانه‌های اتمسفریک یا تنفس طبیعی دارند. همان‌طور که واضع است هر چقدر ارتفاع از سطح دریا افزایش یابد به دلیل رقیق‌تر شدن هوا میزان چگالی آن کاهش‌ می‌یابد و پیشرانه‌های احتراقی دچار افت توان می‌شوند.

توربوشارژر در حقیقت یک توربین است که هوا را فشرده می‌کند و به داخل محفظه‌ی احتراق می‌فرستد. سوپرشارژر و توربوشارژر هر دو همین کار را انجام می‌دهند و تفاوت آن‌ها تنها در نحوه‌ی تأمین نیروی مورد نیازشان است. سوپرشارژرها نیروی مورد نیاز خود را مستقیما از میل لنگ خودرو دریافت می‌کنند که  می‌تواند با استفاده از تسمه باشد، اما توربوشارژر نیروی مورد نیاز خود را از گازهای خروجی اگزوز تأمین می‌کند. مزیت سوپرشارژرها در این است که چون مستقیما به میل‌لنگ متصل هستند، دیگر تأخیری در عملکرد آن‌ها وجود ندارد و از ابتدای گاز دادن راننده، وارد عمل می‌شوند. اما توربوشارژر برای چرخش نیاز به انتقال انرژی گازهای اگزوز به توربین دارد تا آن را به چرخش دربیاورند. بنابراین لازم است پیشرانه کمی دور بگیرد تا توربوشارژرها بتوانند کار خود را انجام دهند. این قضیه سبب تأخیر زمانی در عملکرد توربو می‌شود که اصطلاحا به آن لگ (Lag) گفته می‌شود. اما عملکرد این سیستم چگونه است؟

می‌دانیم در یک پیشرانه‌ی تنفس طبیعی (اتمسفریک) هنگامی که پیشرانه در حال مکش هوا است ،تنها نیرویی که هوا را به داخل سیلندر می‌کشاند، فشار اتمسفر است (دقیقا همانند پر کردن یک سرنگ). توربوشارژرها با اعمال نیروی اضافی به هوای ورودی و پمپ کردن هوای فشرده به داخل محفظه‌ی احتراق، سبب ورود اکسیژن بیشتری به سیلندر می‌شوند و پیستون در یک کورس خود می‌تواند اکسیژن بیشتری به داخل سیلندر مکش کند و مسلم است که اکسیژن بیشتر به معنای احتراقی کامل‌تر و قدرتمند‌تر است. همین عامل سبب افزایش قدرت پیشرانه‌های توربوشارژردار است.

توربوشارژرها از دو بخش تشکیل شده‌اند که یکی توربین و دیگر کمپرسور است. گازهای خروجی از اگزوز که دارای سرعت زیادی هستند با توربین برخورد می‌کنند و آن را به چرخش درمی‌آورند از آنجایی که توربین و کمپرسور هم‌محور هستند، با چرخش توربین کمپرسور نیز به چرخش درمی‌آید و شروع به پمپ کردن هوا به داخل سیلندر‌ها می‌کند. در شکل زیر یک توربوشارژر برش خورده را مشاهده می‌کنید که توربین و کمپرسور آن هم‌محور هستند.

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.   

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 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.

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.

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.

توربوشارژر‌ها قدرت و گشتاور بیشتر را در کنار مصرف سوخت کمتر در اختیار شما قرار می‌دهند. اما این قابلیت‌ها هزینه‌هایی به جز قیمت بیشتر پیشرانه نیز دارند که همان مسئله‌ی سرویس و نگهداری توربوشارژر‌ها است. خودروی مجهز به توربوشارژر نیاز به توجه بیشتری نسبت به یک خودروی معمولی دارد. با توجه به دمای بالاتر این پیشرانه‌ها و همچنین قدرت بالاترشان، نیاز است حتما از روغن موتور مرغوب در این خودروها استفاده کنید. روغن موتور مرغوب و اصلی برای یک خودروی توربوشارژر بسیار حیاتی است؛ چون خود سیستم توبوشارژر نیز با روغن موتور، روغن‌کاری می‌شود و با توجه به دقت بالای اجزای توربوشارژرها باید حتما روغن مرغوب به کار گرفته شود. دمای بالاتر پیشرانه‌های مجهز به توربوشارژر نیز عاملی است که با توجه به آن باید همواره مراقب سطح روغن این‌گونه پیشرانه‌ها بود تا اگر از میزان روغن کاسته شده باشد، دوباره روغن به موتور اضافه کرد. همچنین فیلتر روغن نیز باید همیشه در زمان تعیین‌شده توسط کمپانی و با هر بار تعویض روغن، تعویض شود و کوچک‌ترین اغماضی در خصوص آن می‌تواند خرابی پیشرانه‌ی خودرو و مجموعه‌ی توربوشارژر را به دنبال داشته باشد. 

در مبحث رانندگی نیز خودروی توربوشارژردار نیاز به دقت و رعایت بیشتری دارد. برای مثال هنگامی که پیشرانه گرم است و مدت‌زمانی با خودرو رانندگی کرده‌اید، در صورت توقف نباید فورا پیشرانه را خاموش کنید، بلکه باید حدود سه الی چهار دقیقه صبر کرد تا دمای پیشرانه‌ به حالت عادی برگردد و سپس خودرو را خاموش کرد. اگر هنگام گرم بودن پیشرانه، آن را ناگهان خاموش کنید؛ این کار سبب متوقف شدن اویل پمپ (پمپ روغن) خودرو و در نتیجه  توقف روغن‌کاری توربو می‌شود. با توجه به دمای بسیار بالای توربوشارژر وقتی روغن در این مجراهای بسیار داغ از حرکت بازمی‌ایستد، می‌سوزد و تبدیل به روغن سوخته می‌شود. سوختن روغن می‌تواند به‌مرور باعث جرم‌گرفتگی مجراها شود و در عملیات روغن‌کاری اختلال ایجاد کند.

برای آشنایی بیشتر با این بخش از خودروهای مدرن امروزی، قویا پیشنهاد می‌کنیم، مقالات زیر را نیز مطالعه کنید.

• توربوشارژر و سوپرشارژر چیست؟ با سیستم‌ های پروخوران موتور آشنا شوید (بخش دوم)
• توربوشارژر و سوپرشارژر چیست؟ با سیستم‌ های پروخوران موتور آشنا شوید (بخش سوم و پایانی)

این مطلب در ۱۲ بهمن ۹۵ بروزرسانی شد.