توربو شارژر چیست و چگونه کار می‌کند؟

وقتی که بحث افزایش قدرت خروجی پیشرانه مطرح می‌شود، روش‌های مختلفی پیش روی تیونرها قرار دارد که با وجود موثر بودنشان، تفاوت‌های بسیاری با هم دارند. از سبک کردن میل لنگ و دنده فلایویل گرفته تا تراش دادن سیلندر برای افزایش حجم پیشرانه و انواع روش‌های پرخوران پیشرانه که همگی مورد توجه تیونرها قرار هستند.

خود پرخوران کردن پیشرانه که به معنی افزایش حجم هوای تزریق شده به داخل سیلندر است، شامل 3 روش از جمله توربو شارژر، سوپر شارژر و سیستم نیتروس است. البته استفاده هیبریدی از این 3 روش پرخوران گاهی دیده می‌شود که مورد تایید نیست. امروز با معرفی شرح عملکرد توربو شارژر در خدمت شما هستیم.

توربو شارژر (Turbocharger) در سال ۱۹۰۵ توسط آلفرد بوچی که یک مهندس مکانیک سوئیسی بود، اختراع شد. پیشرانه‌های پیستونی هواپیماهای جنگنده در اوایل قرن بیستم به علت تراکم کم هوا در هنگام پرواز در ارتفاعات بالا دچار خفگی و استال (واماندگی) می‌شد تا اینکه ایده استفاده از توربوشارژر در این پیشرانه‌‌ها که بی‌شباهت به پیشرانه‌ خودروها نبودند، مطرح شد و به یک‌باره استفاده از توربو شارژر در پیشرانه‌های V12 رولز رویس مرلین که در جنگنده‌های اسپیت فایر و هوریکن انگلیسی به‌کار رفت، مانند معجزه‌ای برای مهندسین مکانیک بود.

بعد از جنگ جهانی دوم و کنار گذاشته شدن پیشرانه‌های پیستونی از هواپیماها، استفاده از توربو شارژر منحصر به پیشرانه خودروها شد و روز به روز هم این سیستم تیونینگ پیشرفت کرد.

اما عملکرد توربین و کمپرسور به چه صورت است؟

پره‌های توربین در هنگام برخورد با گازهای داغ اگزوز به چرخش در می‌آیند و چرخش توربین باعث چرخش کمپرسور می‌شود. توربین و کمپرسور در یک محفظه حلزونی شکل قرار دارند. هر چه اندازه این محفظه کوچک‌تر باشد، فشار گازهای خروجی از اگزوز بالاتر می‌رود و حرکت دورانی توربین نیز سریع‌تر خواهد شد. هرچه محفظه توربین بزرگ‌تر باشد، مدت زمان بیش‌تری لازم است تا حرکت دورانی توربین به حداکثر دور خود برسد. گاهی محفظه توربو شارژر از شدت حرارت سرخ می‌شود و برای خنک کردنش از آب، روغن یا ترکیبی از هر دو استفاده می‌شود. یکی دیگر از قسمت‌های مهم توربو شارژر دریچه خروجی آن است. دود اگزوز پس از خبرتیوبدن توربین باید از محفظه خارج شود که این کار از طریق این دریچه خروجی صورت می‌گیرد. خروجی توربو شارژر با توجه به محفظه توربین انواع مختلفی دارد که  به دو دسته کلی “نوع  کمربندی” که با دو واشر و یک بست مخصوص به توربوشارژ وصل می‌شود و “نوع فلانچی” که به توربوشارژ پیچ می شود، تقسیم می‌‌شوند.

کمپرسور پره‌های مخصوصی دارد که در واقع وظیفه مکش هوا و متراکم کردن آن را به عهده دارد. این پره‌ها با حرکت دورانی خود هوا را به داخل توربو شارژر می‌کشند، سپس هوا توسط کمپرسور متراکم شده و با فشار بسیار زیادی از کمپرسور خارج می‌شود.

جهت تنظیم فشار داخلی توربوشارژ و جلوگیری از افزایش بیش از حد فشار و ترکیدن آن، از یک سوپاپ ایمنی استفاده می‌شود. اکثر توربو شارژرها یک سوپاپ Bypass دارند که باعث می‌شود در توربوشارژها میزان چرخش و در نتیجه آن فشار از حد مجازی تجاوز نکند. در واقع سوپاپ Bypass فشار داخل توربین را کنترل می کند و اگر فشار از حد مجاز بالاتر رفت، سوپاپ باز می‌شود و مقداری هوا از محفظه توربین خارج می‌شود. بدین صورت فشار همواره در سطح مطلوبی نگه داشته می‌شود.

عملکرد کلی تمام توربو شارژرها به یک صورت است اما توربو شارژرها در چگونگی ورود گازهای خروجی به داخل توربین با هم تفاوت دارند. سه نوع توربو شارژر وجود دارد که در ادامه به آن‌ها پرداخته‌ایم.

توربو شارژر حلزونی ساده

این نوع توربو شارژر دارای تنها یک گذرگاه است که گازهای خروجی اگزوز را به پره‌های توربین منتقل می‌کند. گازهای خروجی اگزوز به صورت مداوم از حلزون عبور کرده و وارد توربین می‌شوند و از میان پره‌های توربین، سبب چرخش آن شده و سپس توربین را ترک و وارد اگزوز می‌شوند. همچنین در این نوع توربو، شارژر پره‌های کمپرسور یک انحنا دارند که تحت تاثیر نیروی گریز از مرکز هوا را فشرده می‌کنند.

توربو شارژر حلزونی با افزاینده سرعت

این نوع توربو شارژر یک حلزون و یک افزاینده سرعت دارد. گازهای خروجی وارد منیفولد دود شده سپس وارد حلزون می‌شوند اما به‌جای ورود مستقیم به توربین از پره‌های ثابت روی پوسته توربین عبور کرده و با زاویه زیاد و انرژی بیشتری به پره‌های توربین برخورد می‌کنند.

توربو شارژر ضربانی

برای استفاده از توربو شارژر ضربانی وجود یک منیفولد دود از نوع ضربانی لازم است زیرا این نوع توربو شارژر از ضربات گازهای خروجی که از سیلندر خارج می‌شود، استفاده می‌کند و باعث افزایش سرعت توربو شارژر می‌شود. منیفولد ضربانی از هر سیلندر یک گذرگاه دارد که در انتها به دو کانال اصلی جداگانه تبدیل می‌شوند. منیفولد برای اینکه از ضربات استفاده بیشتری کند، مقطع نسبتا کوچکی دارد زیرا در منیفولدهای بزرگ‌تر، اتلاف انرژی زیادی را شاهد هستیم.