توربو شارژ

توربوشارژر چیست

توربوشارژر شناخته می شود ، همچنین به عنوان توربوشارژر گاز اگزوز ( ATL ) یا به صورت محاوره ای توربو داخلی ، قطعه ای برای فشرده سازی هوای عرضه شده به موتور احتراق ( سوپرشارژ موتور ) است. موتور عملکرد یا راندمان در مقایسه با موتوری که فقط هوا را می مکد ( موتور تنفس طبیعی ) افزایش می یابد. توربوشارژر یک واحد کمکی موتور احتراق داخلی است. مقداری از انرژی موجود در گاز خروجی موتور با استفاده از یک توربین برای استفاده از برای به حرکت درآوردن یک کمپرسور ، معمولاً یک کمپرسور گریز از مرکز [1] کار می کند . فشار هوا در سیستم ورودی توسط کمپرسور افزایش می‌یابد، به این معنی که موتور هوای احتراق یا اکسیژن بیشتری را برای احتراق نسبت به موتورهای تنفس طبیعی بدون سوپرشارژ دریافت می‌کند . یک موتور تنفس طبیعی تنها هوای احتراق را از فشار منفی که پیستون های آن در هنگام حرکت به سمت پایین (مکش) در سیلندر ایجاد می کنند، دریافت می کند.

یک توربوشارژر از یک توربین گاز خروجی تشکیل شده است که از انرژی استفاده گازهای خروجی اگزوز می کند و کمپرسوری را به حرکت در می آورد که هوای ورودی به موتور را فشرده می کند. بدین ترتیب عرضه هوا افزایش یافته و کار مکش پیستون ها کاهش می یابد. توربوشارژرها معمولاً برای استفاده از فشار گازهای خروجی (شارژ رم) طراحی می شوند، برخی نیز می توانند از انرژی جنبشی خود (شارژ ضربه ای) استفاده کنند. نصب می شود معمولاً در پایین دست کمپرسور یک اینترکولر در دمای پایین تری سیلندر را که می تواند پر کند.

مخترع توربوشارژر آلفرد بوچی سوئیسی است که در سال 1905 حق اختراع [2] را برای شارژ با فشار ثابت یا انباشته به ثبت رساند 1930، Adolph Saurer AG از Arbon دیزلی . در دهه کامیون های را به عنوان اولین خودروهای جاده ای با توربوشارژر تولید کرد.

• 1 روش کار
  • 1.1 سوپرشارژ در موتورهای چهار زمانه
  • 1.2 سوپرشارژ در موتورهای دو زمانه
• 2 ساختار و عملکرد
  • 2.1 توربولوچ
  • 2.2 افزایش عملکرد
  • 2.3 شارژ هوا خنک کننده
  • 2.4 کنترل قدرت
  • 2.5 سرعت و بلبرینگ شفت توربوشارژر
• 3 شارژ ازدحام و شارژ پشت سر هم
• 4 مزایا و معایب توربوشارژ
  • 4.1 مزایا
  • 4.2 معایب
• 5 کنترل فشار تقویتی
  • 5.1 Wastegate
  • 5.2 پره های راهنمای قابل تنظیم (هندسه توربین متغیر، VTG)
• 6 شیر گردش
  • 6.1 حالت کار بدون شیر گردش هوا
  • 6.2 حالت کار با شیر گردش هوا
  • 6.3 سیستم های باز/بسته
  • 6.4 Ventilarten
  • 6.5 اصطلاحات رایج
• 7 نوع دیگر
  • 7.1 Biturbo/Twin Turbo
  • 7.2 بیتوربو متوالی
  • 7.3 ثبت شارژ
  • 7.4 شارژ چند مرحله ای
  • 7.5 Twin-Scroll-Lader
  • 7.6 توربو ترکیب
  • 7.7 Ladeluftkühler
• 8 توربوشارژ در وسایل نقلیه موتوری
  • 8.1 کاربرد در موتورهای دیزلی
  • 8.2 کاربرد در موتورهای بنزینی
  • 8.3 استفاده در اتومبیل و موتور سیکلت
  • 8.4 توربوشارژ در هوانوردی
    • 8.4.1 سوپرشارژ توربو
    • 8.4.2 نرمال شدن توربو
    • 8.4.3 اینترکولر
• 9 تولید کننده توربوشارژر
• 10 همچنین ببینید
• 11 ادبیات
• 12 پیوند وب
• 13 اثبات فردی

روش کار

بخش بزرگی از تلفات در چرخه‌های ترمودینامیکی مانند چرخه دیزل یا اتو به دلیل گرمای گازهای خروجی استفاده نشده و فشار باقیمانده گاز خروجی رخ می‌دهد (معمولاً فشار بیش از حد 0.5-1 بار برای موتورهای تنفس طبیعی، فشار بیش از حد 1-3 بار برای توربوها). زیرا گاز به دلیل نسبت تراکم محدود نمی تواند بیشتر منبسط شود . در موتورهای تنفس طبیعی، تخلیه می شود بدون استفاده در اگزوز . موثرتر است بازیابی بخشی از این انرژی باقیمانده از طریق انبساط بیشتر در یک توربین گاز اگزوز . اختلاف فشار برای راه اندازی و سپس عمدتاً انرژی حرارتی گازهای خروجی استفاده می شود. قسمت توربین فقط یک توربوماشین در هنگام راه اندازی است، پس از آن بیشتر یک موتور حرارتی است . از این رو افزایش کارایی.

قدرت شفت این توربین گاز اگزوز پرسرعت را می توان به روش های مختلفی استفاده کرد:

• ) کوپل کرد می توان آن را به میل لنگ موتور ( موتور ترکیبی توربو .
• این می تواند یک ژنراتور الکتریکی را به حرکت درآورد ، که دینامی را که در غیر این صورت توسط میل لنگ به حرکت در می آمد را تسکین می دهد یا حتی آن را اضافی می کند.
• نیروی تولید شده توسط توربین گاز اگزوز می تواند هوای شارژ را از طریق یک کمپرسور فشرده کند . این چندین اثر دارد:
  • در کورس مکش، پیستون به جای اینکه در مقابل فشار منفی مانند موتور تنفس طبیعی کار کند، با فشار مثبت به حرکت در می آید.
  • درجه تحویل افزایش می یابد، هوای بیشتری وارد محفظه احتراق می شود، که همچنین باعث افزایش عملکرد و کارایی موتور می شود.

اخیراً، کمپرسورهایی نیز گفته می‌شود که توسط میل لنگ هدایت می‌شوند (در عامیانه به آنها کمپرسور ) مانند کمپرسورهای پیستونی دوار یا دمنده‌های Roots به سختی مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا می‌توان از توان ارزان قیمت توربین گاز اگزوز استفاده کرد.

سوپرشارژ در موتور چهار زمانه

در موتورهای چهار زمانه طبیعی، پیستون ها خلاء ایجاد می کنند تنفس که در در آن هوا یا مخلوط سوخت و هوا فشار اتمسفر جریان می یابد. در دورهای پایین موتور، زمان کافی برای پر شدن محفظه احتراق با شارژ تازه وجود دارد . اما با افزایش دور موتور، سوپاپ ورودی برای مدت زمان کوتاه‌تر و کوتاه‌تری باز می‌شود و تلفات فشاری که با افزایش سرعت جریان در مجرای ورودی افزایش می‌یابد، مانع پر شدن سیلندر می‌شود، راندمان حجمی کاهش می‌یابد و شارژ تازه کمتر و کمتر می‌شود. موجود است. با افزایش فشار خارجی با توربوشارژر، شارژ تازه‌تر به‌طور قابل توجهی به سیلندر فشار می‌آورد، مخصوصاً در دورهای بالا موتور، که باعث افزایش گشتاور و در نتیجه، خروجی موتور می‌شود .

سوپرشارژ در موتور دو زمانه

در موتورهای دو زمانه، هنگام عبور از نقطه مرده به طور همزمان پایین، شارژ تازه به داخل سیلندر فشار داده می شود و گازهای خروجی از اگزوز خارج می شوند ( تبادل دینامیک گاز یا ” کاهش “) که برای این کار موتورهای چهار زمانه دارای دو موتور مجزا هستند. سکته های مغزی تبادل سریع گاز در موتورهای دو زمانه حداقل به یک دمنده نیاز دارد (در ساده ترین حالت، جابجایی میل لنگ ). با یک توربوشارژر، تنها در صورتی می توان فشار تقویتی را افزایش داد که خروجی قبل از ورودی بسته شود ، که با یک موتور دیزل دو زمانه با دریچه خروجی کنترل شده به دست می آید .

ساختار و عملکرد

یک توربوشارژر گاز خروجی معمولاً از یک توربین گاز خروجی و یک توربو کمپرسور روی یک شفت مشترک تشکیل شده است. آنها به عنوان ماشین های جریان شعاعی طراحی شده اند، یعنی گاز از بیرون به داخل در توربین و از داخل به خارج در کمپرسور جریان می یابد. جریان گاز خروجی باعث چرخش چرخ توربین می شود. گشتاور و سرعت آن از طریق شفت مشترک به چرخ کمپرسور در مجرای ورودی منتقل می شود.

• 

  توربوشارژر خودرو (VW Golf)

• 

  سمت اگزوز با چرخ توربین و تنظیم چرخ راهنما

• 

  سمت هوا را با چرخ کمپرسور شارژ کنید

• 

  بلبرینگ شفت توربو

• 

  بلبرینگ شفت توربو

تاخیر توربو

تأخیر توربو اثری است که فقط در موتورهای توربوشارژ رخ می‌دهد : وقتی خروجی موتور کم است، مقدار گاز خروجی برای کارکردن توربین گاز خروجی با سرعت بالا کافی . نیست هنگامی که دور موتور کم است، توربین و همراه با آن کمپرسور نیز با دور کم کار می کنند، به طوری که فشار بوست کم می شود. تا زمانی که گاز خروجی به اندازه کافی جریان داشته باشد، سرعت برای ایجاد فشار بیش از حد در سمت ورودی کافی است. این حالت فقط (در موتورهای خودروهای معمولی) در جریان گاز بالاتر از دور موتور در حدود 1500 تا 2000 دور در دقیقه به دست می‌آید ، به طوری که موتورهای توربوشارژ فقط به عنوان موتورهای تنفس طبیعی در محدوده سرعت پایین‌تر کار می‌کنند. حتی در دورهای موتور بالاتر و بارهای کم، آنها با تاخیر نسبت به شتاب گیری ناگهانی واکنش نشان می دهند، زیرا توربوشارژر ابتدا باید به سرعت بالاتری برسد تا فشار شارژ را افزایش دهد. جریان گاز خروجی ابتدا باید روتور (توربین و چرخ فن) را با سرعت بالایی شتاب دهد تا بتوانند فشار تقویت کافی را وارد کنند. بنابراین موتور با تاخیر نسبت به تغییر بار واکنش نشان می دهد. عملکرد فقط پس از یک دوره زمانی قابل توجه افزایش می یابد.

توربوشارژرهایی با پره های راهنمای قابل تنظیم در ورودی توربین (VTG-Lader) دارای سرعت توربوشارژر بالاتر و تاخیر توربو کمتری هستند، حتی با مقدار کمتری گاز خروجی.

راه دیگر افزایش سرعت پاسخ موتور توربو استفاده از کوچکترین شارژر ممکن با گشتاور اینرسی کمتر و در مورد موتورهای با کارایی بالا از چندین شارژر به صورت موازی (بیتوربو) است.

تاخیر توربو همچنین می تواند توسط یک انباشته کننده هوای فشرده با کنترل مناسب یا با حرکت کمپرسور با موتور الکتریکی به گونه ای که سرعت آن مستقل از جریان جرم گاز خروجی باشد، پل شود.

افزایش عملکرد

افزایش عملکردی که می‌توان روی میل لنگ اندازه‌گیری کرد تا حدودی بر اساس راندمان بهبود یافته است ، اما بیشتر به این واقعیت بستگی دارد که می‌توان سوخت بیشتری در مقدار بیشتری هوای سیلندر سوزاند. این منجر به فشار متوسط ​​موتور بالاتر ، گشتاور بیشتر و در نتیجه قدرت بیشتر می شود. در مورد موتورهای توربو اتو، نسبت تراکم اغلب باید در مقایسه با موتورهای تنفس طبیعی کاهش یابد، زیرا در غیر این صورت احتراق کنترل نشده مخلوط سوخت و هوا می تواند در نتیجه فشار کل بیش از حد و دمای بالا در نتیجه (کوبش) رخ دهد . .

Intercooling

بر خلاف موتورهای تنفس طبیعی، که در آن هوای ورودی هوای ورودی به صورت آدیاباتیک به دلیل خلاء، سرد می شود، فشرده سازی منجر به گرم شدن قابل توجه هوا تا 180 درجه سانتی گراد می شود. [4] از آنجایی که هوای گرم چگالی کمتری دارد، پر شدن و در نتیجه عملکرد موتور را می توان با هوای شارژ در اینترکولر خنک کردن پس از فشرده سازی بیشتر افزایش داد. خنک کننده هوای شارژ عملاً در تمام موتورهای سوپرشارژ مدرن استفاده می شود. از آنجایی که اینترکولر دارای مقاومت جریان است و بنابراین فشار تولید شده توسط کمپرسور را اندکی کاهش می دهد، باید موتور را بیش از 50 K [4] خنک کند تا در مقایسه با یک موتور بدون اینترکولر، عملکرد مطلوب را افزایش دهد.

اضافی یا تزریق مخلوط آب و الکل به داخل مجرای ورودی خنک کرد در موتورهایی که بالاترین توان خروجی ممکن بر عمر سرویس اولویت دارد، هوای شارژ را می‌توان مستقیماً با تزریق آب که این امر افزایش بیشتر قدرت را ممکن می‌سازد.

کنترل قدرت

مانند تمام توربوماشین ها، توربوشارژرهای کنترل نشده ساده دارای محدوده عملکردی باریک با بهترین بازده هستند که تطبیق آن با نقشه موتور دشوار است. شارژری که برای حداکثر قدرت موتور طراحی شده است، فشار کافی را در توان متوسط ​​ایجاد نمی کند، با توان گاز کم، حتی فشار ورودی کاهش می یابد زیرا پروانه کمپرسور آهسته در مسیر جریان ورودی قرار دارد (همچنین به تاخیر توربو مراجعه کنید) . . تکنیک ها و انواع مختلفی از طراحی برای کاهش این مشکل وجود دارد، رایج ترین آنها شیرهای بای پس / ضایعات ، پره های راهنمای قابل تنظیم (هندسه متغیر توربین، VTG) و شارژ ثبت نام هستند . همچنین می توان از این تکنیک ها به صورت ترکیبی استفاده کرد.

سرعت و یاتاقان شفت توربوشارژر

توربین و کمپرسور با پروانه ها کار می کنند تا انرژی جریان را به حرکت دورانی و بالعکس تبدیل کنند. توربوشارژرهای مدرن می توانند به سرعت 400000 دور در دقیقه برسند (به عنوان مثال هوشمند توربودیزل سه سیلندر ). برای چنین سرعت های بالایی، شفت توربوشارژر باید در یک یاتاقان ساده هیدرودینامیکی نصب شود . علاوه بر اتصالات تامین روغن، برخی از توربوشارژرها اتصالاتی برای مدار آب خنک کننده نیز دارند.

در برخی موارد علاوه بر بلبرینگ های ساده از یک یا دو بلبرینگ سرامیکی استفاده می شود. توربوشارژرهای بلبرینگ اصطکاک کمتری دارند که باعث پاسخگویی بیشتر آنها می شود. این افزایش سرعت سوپرشارژر را تسریع می‌کند و اجازه می‌دهد فشار تقویت کننده زودتر شروع شود.

شارژ ازدحام و شارژ پشت سر هم

در شارژ دینامیکی، گازهای خروجی با هم جمع می شوند، جمع آوری می شوند و تنها پس از آن به توربین گاز خروجی هدایت می شوند. توربین در اصل برای اختلاف فشار بین منیفولد اگزوز استفاده از و لوله اگزوز طراحی شده است. تقریباً یکنواخت پرواز می کند. با شارژ پالس، توربین در درجه اول برای استفاده از انرژی جنبشی گازهای خروجی خروجی برای شارژ طراحی شده است. برای این منظور از طریق خطوط باریکی که تا حد امکان کوتاه هستند به خروجی سیلندرها متصل می شود. در موتورهای چند سیلندر با شارژ پالس، گازهای خروجی از طریق چندین لوله هدایت شده و از طریق یک گروه نازل وارد توربین می شوند. لوله های اگزوز باید به گونه ای به هم نزدیک شوند که سیلندرهای متصل به لوله مربوطه همزمان گازهای خروجی از اگزوز خارج نکنند. با شارژ پالس، فشار در شیر خروجی، پس از یک افزایش شدید اولیه، به دلیل اینرسی جرمی توده گاز خارج شده، به زیر فشار مهار کاهش می یابد که باعث تبادل گاز می شود. توده گاز شتاب گرفته به توربین برخورد کرده و آن را به حرکت در می آورد. فشار گاز خروجی در توربین بسیار بیشتر از شارژ دینامیکی نوسان می کند.

توسعه توربوشارژر با شارژ پالس نیز به آلفرد بوچی برمی گردد.

مزایا و معایب توربوشارژ

مزایا

توربوشارژ گاز اگزوز باعث می شود حداکثر فشار مؤثر متوسط ​​و در نتیجه گشتاور و حداکثر خروجی برای یک جابجایی معین افزایش یابد. این افزایش یا منجر به یک موتور قدرتمندتر با ابعاد و وزن تقریباً مشابه موتور بدون سوپرشارژ اصلی می شود، یا اجازه می دهد تا همان عملکرد را از یک ماشین کوچکتر بدست آوریم ( کوچک کردن ). در دهه 1980 فرمول 1 پتانسیل عملکرد توربوشارژ در موتورهای مشخص شد، زمانی که قدرتمندترین موتورهای توربوشارژ با حجم محدود به 1.5 لیتر در تمرین به خروجی بیش از 750 کیلو وات دست یافتند.

فشار بیش از حد هوای ورودی سوپرشارژ شده، پیستون را به سمت پایین می راند و تضمین می کند که برای مکش به انرژی نیاز نیست.

مزیت عمده توربوشارژر گاز خروجی در مقایسه با کمپرسور این است که توربوشارژر گاز خروجی حداقل تا حدی از فشار اضافی استفاده نشده (تقریباً 3 بار در حداکثر خروجی) گازهای خروجی استفاده می کند، یعنی برای کارکردن به نیروی اضافی کمی نیاز دارد. [5] با یک توربوشارژر، گاز داغ خروجی اگزوز با سرعت زیاد از سیلندر خارج می‌شود و باعث چرخش توربین می‌شود (پس از آن پیستون بقیه گاز خروجی را بیرون می‌کشد، اگرچه فشار برگشتی اگزوز بالاتر از یک غیر گازی است. موتور سوپرشارژ یا سوپرشارژ – همچنین به بخش “معایب” زیر مراجعه کنید). از طرف دیگر، یک کمپرسور مستقیماً به طور مکانیکی به موتور (تسمه دندانه دار، چرخ دنده، زنجیر، تسمه V) کوپل می شود و بنابراین نیروی مفید را مستقیماً از موتور می گیرد. یکی از مزیت های سوپرشارژر این است که حتی در سرعت های پایین تر از توربوشارژر، فشار بیش از حد ایجاد می کند. با این حال، به طور کلی، راندمان کلی سیستم “توربو” بیشتر از سیستم “کمپرسور” است.

معایب

سوپرشارژ منجر به بارهای مکانیکی و حرارتی بالاتر و همچنین فشارهای متوسط ​​بالاتر می شود. بنابراین، برخی از قطعات باید تقویت شوند، به عنوان مثال بلوک موتور ، سیلندر ، سرسیلندر ، سوپاپ ها ، واشر سر سیلندر ، پیستون ، رینگ های پیستون ، احتمالا شاتون ، میل لنگ و برخی از یاتاقان ها . این به طور کلی باعث افزایش وزن خودرو می شود.

اگر توربوشارژر به عنوان بخشی از کاهش سایز ارائه شود، گشتاور و قدرت تقریباً یکسان باقی می‌مانند و می‌توان پیشرانه قبلی را تا حد زیادی حفظ کرد.

برخی از اجزای توربوشارژر ممکن است نیاز به خنک شدن داشته باشند (مثلاً با یک خنک کننده روغن) (به ویژه یاتاقان های آن).

از آنجایی که شارژر انرژی خود را از افت فشار بین گازهای خروجی و هوای محیط می گیرد، سطح مقطع سیستم اگزوز باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا فشار برگشتی زیادی در اگزوز وجود نداشته باشد. فشار برگشتی نباید بیشتر از حدود 5 کیلو پاسکال باشد [4] (که در آن فشار اتمسفر استاندارد حدود 100 کیلو پاسکال است).

در مورد موتورهای بنزینی توربوشارژ که ممکن است توربین گاز اگزوز آنها قرمز شود، برخی از سازندگان توصیه می کنند موتور را بلافاصله پس از رانندگی در زیر بار زیاد خاموش نکنید، بلکه بگذارید آن را برای چند ده ثانیه در حالت آرام کار کند تا سوپرشارژر بتواند به کار خود ادامه دهد. تا سرد شود بچرخد اگر این کار انجام نشود، یاتاقان ساده شفت که با روغن روغن کاری شده است به دلیل گرمای بیش از حد آسیب می بیند.

یکی از راه های جلوگیری از این امر استفاده از تایمرهای به اصطلاح توربو است . اینها به موتور اجازه می دهد تا پس از خاموش شدن احتراق برای مدت زمان قابل تنظیمی به کار خود ادامه دهد. با این حال، برخی از شرکت‌های بیمه دیگر خودرو را نمی‌پذیرند، زیرا با برداشتن کلید احتراق، موتور به کار خود ادامه می‌دهد. چنین کنترل کننده های دنبال کننده در محدوده StVZO آلمان ندارند معمولاً مجوز عملیات عمومی . گزینه دیگر استفاده از پمپ الکتریکی است. این می تواند در هنگام خاموش شدن موتور نیز کار کند و شارژر را خنک کند.

به طور خاص در وسایل نقلیه موتوری، تنظیم برای هر کاری که با توربوشارژر انجام می شود ضروری است، که در نظر گرفته شده است تا حساسیت به خطا را کاهش دهد، اما ممکن است خود از ایراد نیز رنج ببرد. تشخیص انواع خاصی از آسیب می تواند در موتورهای توربوشارژ پیچیده تر از موتورهای غیر توربوشارژ مشابه باشد. سیستم های مدرن و کاملا الکترونیکی تشخیص خودرو (” OBD “) تشخیص را آسان تر می کند.

بخش ساختار و عملکرد نحوه قرار گرفتن بلبرینگ در مدار روغن موتور را توضیح می دهد. یاتاقان های ساده توربوشارژرها توسط یک پمپ روغن موتوری تامین می شود. در طی فرآیند شتاب (رفتار عملیاتی گذرا)، توربوشارژر فشار بوست کافی ایجاد نمی کند، به طوری که یک خلاء کوتاه مدت در سیستم ورودی ایجاد می شود که می تواند روغن یاتاقان توربوشارژر را مکیده و به محفظه های احتراق برساند. بسته به فاصله رانندگی، تخمین زده می شود که 30 تا 40 درصد مصرف روغن موتور از یاتاقان های توربوشارژر تامین می شود. این روغن موتور ذرات دوده تولید می کند که برخی از آنها – اگر نسوزند – بدون فیلتر تخلیه می شوند.

هنگام شتاب گیری از سرعت های پایین موتور، به ویژه موتورهای توربوشارژ قدیمی تر خودروها در ابتدا مقدار مناسبی از گاز خروجی برای ایجاد فشار تقویتی مورد نظر را نداشتند. تنها زمانی که جریان به اندازه کافی قوی از گازهای خروجی با افزایش سرعت موتور در دسترس بود، سوپرشارژ شروع شد. به طور کلی، هنگامی که ناگهان دریچه گاز را باز می کنید، خروجی برق با تاخیر شروع می شود، زیرا جریان گاز خروجی ابتدا باید توربین را به اندازه کافی شتاب دهد تا فشار بوست وارد شود. این تاخیر در صورت پرش های ناگهانی بار به عنوان تاخیر توربو نامیده می شود . این ویژگی‌ها را می‌توان تا حد زیادی با سیستم‌های کنترلی و استفاده از شارژرهای کوچکتر یا کانال‌هایی با شکل خاص در سرسیلندر جبران کرد. موارد زیر در مورد طراحی اعمال می شود: یک لودر کوچک به دلیل جرم متحرک کمتر، سریعتر از یک لودر بزرگ پاسخ می دهد. با این حال، یک سوپرشارژر بزرگ می تواند از همان جابجایی به حداکثر قدرت بالاتری دست یابد.

وجود دارند در خودروهای رالی سیستم‌های ضد تاخیر که با کاهش سرعت توربوشارژر مقابله می‌کنند و در نتیجه از تاخیر توربو جلوگیری کرده یا آن را کاهش می‌دهند.

تقویت کنترل

شفت توربوشارژر گاز اگزوز با افزایش سرعت و قدرت موتور به دلیل افزایش مقدار گاز خروجی، سریعتر و سریعتر می چرخد. هرچه توربین سریع‌تر بچرخد، کمپرسور هوای بیشتری را تحویل می‌دهد که به نوبه خود به دلیل افزایش مقدار گاز خروجی، توربین را شتاب می‌دهد. در یک سرعت معین، کمپرسور به حد مجاز تحویل خود می رسد و این خطر وجود دارد که از محدودیت های مکانیکی و حرارتی توربوشارژر یا موتور (به عنوان مثال اصطکاک در یاتاقان ها) فراتر رود. بنابراین سوپرشارژ موتوری که در سرعت های پایین مورد نظر است می تواند در محدوده های بالاتر مشکل ساز شود. بنابراین، توربوشارژرهای بدون کنترل فشار تقویت کننده باید به گونه ای طراحی شوند که در محدوده عملکرد خود در بار کامل کار کنند، که منجر به تاخیر بسیار زیاد توربو می شود. برای جلوگیری از این امر، توربوشارژرهای گاز اگزوز اکنون به یک کنترل فشار تقویتی مجهز شده اند که شارژر را قادر می سازد حتی در جریان های گاز خروجی کم عملکرد بالایی داشته باشد و در سرعت های بالا از حد بار تجاوز نکند. سرعت کمپرسور به یک فلات سرعت می رسد. این کنترل را می توان به روش های مختلفی انجام داد. کنترل از طریق ضایعات (عمدتاً در موتورهای بنزینی) یا از طریق پره های راهنمای قابل تنظیم (VTG، عمدتاً در موتورهای دیزلی) برقرار شده است. در سیستم های مدرن، واحد کنترل موتور یک فشار افزایش هدف را محاسبه می کند. یک سنسور فشار، که معمولاً در جلوی دریچه گاز قرار می گیرد، فشار واقعی بوست فعلی را به واحد کنترل موتور می رساند. وظیفه کنترل فشار تقویت کننده این است که تفاوت بین فشار بوست هدف و واقعی را در سریع ترین زمان ممکن جبران کند. برای این منظور، کنترل فشار بوست، محرک موجود (wastegate یا VTG) را به عنوان یک مقدار کنترل حرکت می دهد.

هر دو محرک به صورت پنوماتیکی-مکانیکی یا الکتریکی کنترل می شوند. در محلول پنوماتیکی، یک فرستنده در سمت کمپرسور وجود دارد: از یک فشار تقویتی خاص، به طور فزاینده ای ضایعات یا پره های راهنما را تنظیم می کند، که با افزایش بیشتر فشار تقویت کننده مقابله می کند. با موتورهای جدیدتر، محرک های الکتریکی به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرند، که می توانند موقعیت های میانی را علاوه بر “باز” ​​یا “بسته” تنظیم کنند. مزیت کنترل الکتریکی این است که شیر را می توان در کل محدوده نقشه مستقل از فشار بوست تنظیم کرد. این به کنترل کننده اجازه می دهد تا به نیازهای مختلف (مانند قطع سوخت) واکنش نشان دهد. بعلاوه، فشار بوست را می توان به طور مختصر افزایش داد تا “بیش از حد” افزایش یابد. علاوه بر این، کنترل های الکتریکی دارای سرعت عمل بالاتر و نیروهای قفل بالاتر به منظور کاهش نشتی در شیر زباله هستند.

Wastegate

یکی از انواع کنترل فشار تقویت کننده، شیر بای پس (همچنین به نام Wastegate ) در جریان گاز خروجی است. این شیر می تواند بخشی از جریان گاز خروجی را به سمت توربین منحرف کند تا از افزایش فشار بوست جلوگیری شود. در نتیجه، می توان از شارژری استفاده کرد که فشار بوست کافی را حتی در دورهای پایین موتور ایجاد می کند و در نتیجه تاخیر توربو را کاهش می دهد. در سرعت های بالاتر توربوشارژر، بخشی از جریان توده گاز خروجی به سمت توربین منحرف می شود تا به سوپرشارژر اضافه بار وارد نشود. معمول است که شیر بای پس مستقیماً به صورت فلپ در محفظه توربین ادغام شود (تصویر سمت راست را ببینید). با این حال، این روش کنترل فشار تقویت کننده دارای این عیب است که وقتی دریچه زباله باز است، تنها بخشی از انرژی موجود در گاز خروجی مصرف می شود. سوپاپ بای پس و محرک های آن به دلیل موقعیت آنها در جریان گاز خروجی داغ (تقریباً 1000 درجه سانتیگراد)، تحت بارهای حرارتی بالایی قرار دارند و بنابراین مستعد خرابی هستند. این یکی از دلایلی بود که برخی از سازندگان موتور از موتورهای Otto توربوشارژ رویگردان شدند و از سیستم های کمپرسور استفاده کردند که بدون اجزاء در جریان گاز اگزوز کار می کنند.

ضایعات معمولاً توسط یک واحد خلاء کنترل می شود، واحد فشار بیش از حد کمتر رایج است. از آنجایی که دماهای بالای مربوط به سیستم در توربوشارژر منجر به بار حرارتی بالایی بر روی خطوط خلاء حاوی نرم‌کننده‌ها و در نهایت به خستگی مواد (ترک) می‌شود، توربوشارژرهای جدیدتر به طور فزاینده‌ای دارای یک ضایعات کنترل‌شده الکترونیکی هستند. این امر حساسیت به خطاها را کاهش می‌دهد و می‌توان ضایعات را با سرعت بیشتری تنظیم کرد. علاوه بر این، سیستم های خط پیچیده برای تولید فشار منفی را می توان حذف کرد.

پره های راهنمای قابل تنظیم (هندسه توربین متغیر، VTG)

توربین های دارای پره های متغیر به روشی مشابه توربین فرانسیس عمل می کنند . بالاتری (به شکل سرعت مماسی بالاتر) در توان عملیاتی کم به گاز پره های راهنما در جریان گاز خروجی در جلوی چرخ توربین قابل تنظیم هستند، به این معنی که می توان حرکت زاویه ای داد . آنها در محفظه توربین بلافاصله در مقابل ورودی توربین چیده شده اند. زاویه هجوم پره های راهنما به گونه ای کنترل می شود که در صورت کم بودن توان گاز خروجی گاز خروجی به صورت مماس از طریق کاهش مقطع جریان شتاب گرفته و به سمت پره های توربین هدایت می شود که باعث افزایش سرعت توربین و در نتیجه افزایش می شود. خروجی کمپرسور برعکس، با توان بالای گاز، سرعت جریان را می توان با مقاطع بزرگ کاهش داد.

در سال 1989 هوندا از تجربه خود در مورد موتورهای توربوشارژ فرمول 1 استفاده کرد و را به نام وینگ توربو گونه ای از هوندا Legend با توربو VTG روانه بازار کرد. یک کامپیوتر دیجیتالی سیستم را کنترل می کرد. موتور 2 لیتری 142 کیلووات (193 اسب بخار) در 6000 دور در دقیقه تولید می کرد. [6]

توربوشارژرهای با VTG نیز از سال 1996 در موتورهای دیزلی برای خودروهای سواری موجود است. موتور دیزل TDI با تزریق مستقیم از VW/Audi با حداکثر توان خروجی 81 کیلووات (110 اسب بخار) اولین خودرویی بود که به لطف هندسه متغیر توربین به راندمان موتور بیش از 40 درصد دست یافت. پره های راهنمای قابل تنظیم در عین حال خود را به عنوان استاندارد برای موتورهای دیزل تثبیت کرده اند.

پورشه در 911 توربو (997) اولین موتور بنزینی خود را با VTG استفاده کرد (فروش در ژوئن 2006 در آلمان آغاز شد). برای اینکه بتوانیم دمای گازهای خروجی بسیار بالاتر تا 1000 درجه سانتیگراد را در مقایسه با موتورهای دیزلی تحمل کنیم، باید از آلیاژهای با دمای بالا (فولادهای تنگستن) استفاده شود. توربو شارژر مدرن VTG برای موتورهای بنزینی با همکاری نزدیک با BorgWarner Turbo Systems ساخته شده است . VW در «1.5 TSI BlueMotion» برای اولین بار از شارژر VTG در یک موتور بنزینی تولید انبوه استفاده می کند. از آنجایی که موتور دمای گاز خروجی نسبتاً پایینی دارد (~860 درجه سانتیگراد) به دلیل بسته شدن زود هنگام دریچه های ورودی، می توان از آن استفاده کرد. این شارژر توسط Honeywell ساخته شده است. یکی دیگر از اصطلاحات معروف توربوشارژر با پره های قابل تنظیم، VNT (Variable Nozzle Turbine) است. این نام توسط Honeywell برای سیستم های توربو خود با هندسه توربین متغیر با نام تجاری Garrett استفاده می شود .

شیر گردش هوا در توربو شارژ 

چگونه بدون دریچه گردش هوا کار می کند

هنگامی که دریچه گاز در موتورهای بنزینی بسته می شود، ستون هوای در حال حرکت به سوپاپ برخورد می کند. ستون هوا (ستون فشار) معکوس می شود، جلوی چرخ کمپرسور چرخان توربوشارژر می رود و آن را به شدت ترمز می کند، که اگر فشار بوست بالا باشد (یا گردش مجدد هوا) می تواند در دراز مدت منجر به از بین رفتن توربوشارژر شود. سوپاپ معیوب است). علاوه بر این، صداهای جریان قوی شنیده می شود زیرا جریان در کمپرسور قطع می شود (“پمپ زدن”).

نحوه کار با شیر گردش هوا

برای جلوگیری از این ترمز بی اثر، هوا از طریق دریچه چرخش هوا آزاد می شود. به این ترتیب، شارژر می تواند آزادانه به چرخش ادامه دهد، افزایش فشار مجدد کوتاه شده و شتاب سریع تر توربوشارژر به نفع رفتار پاسخ بهتر پس از فرآیند تعویض دنده به دست می آید.

شارژرهای جهانی (معمولاً به عنوان سیستم های باز در نظر گرفته می شوند) از بازارهای فرعی تقریباً همیشه می توانند در یک محدوده تعریف شده تنظیم شوند تا در یک آستانه فشار خاص پاسخ دهند. برای جلوگیری از تغییرات نامناسب در تنظیمات کارخانه، این مورد در شارژرهای نصب شده در کارخانه کمتر دیده می شود.

دریچه‌های چرخش هوا در حال حاضر تقریباً در تمام موتورهای بنزینی توربوشارژ نصب می‌شوند و در Indy 500 خودروهای مسابقه‌ای آمریکایی نیز استفاده می‌شوند.

سیستم های باز/بسته

با یک سیستم باز ، هوای اضافی به مجرای ورودی (دریچه/سیستم بازچرخانی هوا بسته) برگشت داده نمی شود، بلکه به بیرون هدایت می شود. سیستم های تک سوپاپ رایج هستند. در برخی موارد از سیستم‌هایی با دو شیر یکپارچه نیز استفاده می‌شود که امکان آزادسازی حساس‌تر فشار اضافی را فراهم می‌کند. اتصال به یک موتور با جرم سنج هوا می تواند مشکل ساز باشد، زیرا هوایی که به جای ورودی در هوای آزاد آزاد می شود قبلاً توسط واحد کنترل موتور ثبت شده است و مقدار سوخت برای تشکیل مخلوط صحیح با این تنظیم شده است. . در نتیجه کمبود هوا، مخلوط بیش از حد غنی می شود، قدرت موتور کاهش می یابد، موتور می تواند پاشیده شود، پروب لامبدا و مبدل کاتالیزوری می توانند با ورود بنزین به اگزوز و احتراق از بین بروند. بنابراین، ما به شدت توصیه می کنیم که به سیستم باز (بدون برنامه ریزی مجدد واحد کنترل موتور) تبدیل نشوید. مطابقت ندارد علاوه بر این، وسیله نقلیه دیگر با مجوز عملیات عمومی (ABE)، از آنجایی که گازهای خروجی روغنی فیلتر نشده (به دلیل روغن کاری روغن توربوشارژر و تهویه میل لنگ که به سیستم ورودی منتهی می شود) در محیط تخلیه می شود.

انواع سوپاپ توربو شارژ

دو نوع شیر در شیر چرخش، دیافراگم یا پیستون رایج است. پیستون با حساسیت بیشتری پاسخ می دهد و سریعتر بسته می شود، اما خطر گیرکردن پیستون و در نتیجه نقص (باز ماندن یا باز نشدن) وجود دارد.

از آنجایی که یک محرک الکتریکی به طور قابل توجهی سریعتر از یک پنوماتیک معمولی است، در برخی از موتورها از یک شیر کنترل شده الکتریکی استفاده می شود. شیر الکتریکی از طریق یک واحد کنترل یا یک مدار الکتریکی ساده باز یا بسته می شود و بنابراین می توان در صورت نیاز بدون توجه به فشار آن را کنترل کرد. همچنین می‌توان از آن در موتورهای دیزلی استفاده کرد، اما در آنجا هیچ حس فنی ندارد زیرا دریچه گاز وجود ندارد و بسته به فشار بوست، فقط برای جلوه‌های نمایشی استفاده می‌شود که به دلیل صدای بلند دمیدن در سیستم باز است.

صدای مشخصه دریچه‌های دیافراگمی یک صدای خش خش است، در حالی که دریچه‌های پیستونی فقط در فشار بوست بالا با صدای بلند صدا می‌زنند و در فشار کم بوست تمایل به “بال زدن” دارند. با این حال، صداهای تخلیه نیز بسته به طراحی و سازنده این شیرها بسیار متفاوت است.

یا پاپ آف نیز نامیده می شوند از نظر فنی نادرست است که سوپاپ های کنترل شده الکترونیکی (دریچه های فنی اضافی در موتورهای دیزلی) به عنوان سوپاپ های دمنده ، زیرا شیرهای دمنده همیشه به معنای واقعی کلمه با فشار کنترل می شوند.

نام‌های رایج توربو شارژ

نام‌گذاری‌های انگلیسی زبان برای شیر دمنده، شیر تخلیه یا شیر چرخش (تراست) که اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرند، عبارتند از: شیر خروجی (BOV)، دریچه پاپ آف (POV) (به آلمانی: “Pop-Off Valve” ” )

انواع دیگر توربو شارژ

Biturbo/Twin Turbo

Biturbo یا “Twin Turbo” به استفاده موازی از دو شارژر اشاره دارد. Bi پیشوند لاتین برای دو است ، Twin به معنای “دوقلو” (انگلیسی) است. این شکل از ساخت و ساز از دو شارژر کوچکتر به جای یک شارژر بزرگ استفاده می کند. به عنوان مثال، در یک موتور چهار سیلندر دو توربو، هر توربوشارژر توسط گازهای خروجی از دو سیلندر به حرکت در می آید. با استفاده از دو شارژر کوچکتر با ممان اینرسی کمتر، رفتار پاسخ در هنگام شتاب گیری و کارایی کل سیستم را می توان بهبود بخشید. در مقیاس کوچک، موتورهایی با بیش از دو توربوشارژر نیز برای دستیابی به بهبود بیشتر توسعه یافتند. بوگاتی . مدل های EB110 ، ویرون و شیرون دارای چهار توربوشارژر هستند

توربو دوگانه

در یک biturbo متوالی، هر دو توربین به طور مداوم توسط گازهای خروجی به حرکت در نمی آیند، اما توربین دوم تنها زمانی روشن می شود که نیاز به توان مربوطه وجود داشته باشد و سپس کمپرسور دوم را به حرکت در می آورد. پس از انجام این کار، شارژرها طبق اصل biturbo به صورت موازی کار می کنند. به طور کلی، گازهای خروجی تمام سیلندرها برای هر دو توربوشارژر در دسترس است، هر کدام به یک بانک سیلندر اختصاص داده نمی شوند، به این معنی که اولین توربوشارژر می تواند توسط گازهای خروجی تمام سیلندرها در سرعت های پایین کار کند. هدف این فناوری استفاده بهتر از محدوده سرعت است. در محدوده سرعت بالا، شما از مزیت نرخ تحویل بیشتر دو توربوشارژر برخوردار هستید، در حالی که در محدوده سرعت پایین، اینرسی کم تنها یک توربین باعث می شود فشار شارژ سریع و زودتر ایجاد شود و در نتیجه پاسخ خوبی داشته باشد. مثال ها:

• موتور بنزینی: موتور 3.0 لیتری شش توربوی دوقلو خطی که در تویوتا سوپرا (JZA80) از سال 1993 استفاده شد (سوپرا به عنوان توربو دوقلو شناخته می شود، نه بیتوربو).
• موتور دیزل: موتور 4 سیلندر بیتوربو دیزل فورد/PSA 2.2 لیتری (DW12BTED4)؛ 2.0 CDTI BiTurbo (143 کیلووات/195 اسب بخار، گشتاور 400 نیوتن متر) از Opel ( در Opel Insignia از ژانویه 2012 موجود است ) [7]

ثبت شارژ

شارژ رجیستر (که شارژ متوالی نیز نامیده می شود) به استفاده موازی و متناوب از توربوشارژرها اشاره دارد. یک شارژر کوچکتر که حتی با جریان گاز اگزوز کم و به دلیل اینرسی جرم کم، سریعتر می چرخد، برای دورهای پایین موتور استفاده می شود. با مقدار بیشتری گاز خروجی، سوئیچ به یک توربوشارژر بزرگ ساخته می‌شود که سپس جرم و فشار هوای کافی را برای نیاز هوای تازه بالا در دورهای موتور بالاتر فراهم می‌کند. توربوشارژرهای مختلف را می توان بهتر در ناحیه موثر خود تنظیم کرد و شارژر کوچک به اصطلاح “تأخیر توربو” را کاهش می دهد: در سرعت های پایین موتور، شارژر معمولاً بزرگ قادر به دستیابی به سرعت توربو به اندازه کافی بالا برای ایجاد فشار بیش از حد در موتور نبود. منطقه ورودی . زیر این علامت بحرانی، یک موتور توربو معمولی بیشتر به عنوان یک موتور تنفس طبیعی عمل می‌کند، حتی گاهی اوقات توسط پره‌های توربین «ترمز» و تراکم کمتری که در هر موتور توربو وجود دارد، گاز می‌گیرد. با این حال، تا به امروز، شارژ رجیستر تنها در چند موتور با کارایی بالا در مهندسی خودرو یافت شده است. اولین خودروی سری (کوچک) با رجیستر توربو بود پورشه 959 .

همچنین مفاهیم شارژ با ترکیبی از شارژ رجیستر و شارژ چند مرحله ای وجود دارد، مانند موتورهای BMW مدل های 535d (سری E60/61) ، 335d ، 123d ، در برخی از نسخه های موتورهای دیزلی مرسدس بنز OM646 ، [ 8] OM651 و نسخه 180 اسب بخاری موتور دیزلی ساب 9-3 . کمپرسورهای شارژرهای کوچکتر و بزرگتر به صورت سری در سمت ورودی کار می کنند. اگر برق مورد نیاز کم باشد، هوا فقط توسط کمپرسور شارژر کوچکتر فشرده می شود. در بارهای بالاتر، شارژر بزرگتر با کنترل جریان گاز خروجی و پل زدن تنظیم شده کمپرسور اول موثر می شود. نوسانات گشتاور در محدوده انتقال را می توان تا حد زیادی با کنترل نقشه کنترل گاز در سمت گاز خروجی و گاز تازه همراه با تزریق سوخت سرکوب کرد.

شارژ چند مرحله ای

با شارژ چند مرحله ای، هوا توسط چند کمپرسور به صورت سری فشرده می شود. نسبت‌های تراکمی که می‌توان از این طریق به دست آورد، تنها در شرایطی که فشار خارجی بسیار کاهش یافته است، قابل استفاده است، به طوری که این فناوری تنها در توسعه موتورهای هواپیما نقش داشته است. در مورد سوپرشارژ چند مرحله ای، در ابتدا سوپرشارژرهای مکانیکی و توربوشارژر با هم ترکیب شدند. به عنوان مثال، موتور آزمایشی دایملر-بنز DB624 (تست روی میز تست از سال 1944) حاوی ترکیبی از دو سوپرشارژر دنده‌ای مکانیکی و یک توربوشارژر گاز اگزوز بود. طراحی شده ارتفاع فشار کامل 15000 تا 17000 متر بود.

ترکیب موتور پیستونی و موتور (چند مرحله ای) توربو را درایو “کامپوند” می گویند. ناپیر موتورهای ترکیبی را در اواخر دهه 1940 آزمایش کرد، اما این موتورها با موتورهای دیزلی که Napier Nomad نامیده می‌شوند، هرگز از مرحله آزمایشی فراتر نرفتند.

هواپیمای تحقیقاتی در ارتفاع بالا Grob Strato 2C ، که در سال 1989 توسعه یافت، توسط یک توربوشارژر چند مرحله ای، با مرحله اول و دوم شامل کمپرسورهای فشار کم و متوسط ​​یک موتور توربوپراپ سه شفت ( پرات) نیرو می گرفت. & Whitney Canada PW127 ). تمام اجزا در ناسل موتور قرار داشتند. پس از عبور از توربین توربوشارژر، گاز خروجی به قسمت توربین کمپرسور توربوپراپ اصلی هدایت شد. هوای فشرده شده توسط مراحل کمپرسور به کمپرسور توربوشارژر و سپس به موتور داده می شد. حداکثر نسبت فشار 1:45 بود که اینترکولرهای بزرگ را ضروری می کرد. ارتفاع فشار کامل طراحی شده 24000 متر و حداکثر ارتفاع پرواز 26000 متر بود. [9] اما این پروژه به دلایل مالی و سیاسی پیگیری نشد.

لودر اسکرول دوقلو

شارژرهای اسکرول دوقلو در طراحی متفاوت محفظه توربین با شارژرهای دیگر متفاوت هستند و جایگزینی برای مفاهیم دو توربو با دو توربوشارژر گاز اگزوز هستند که به صورت موازی چیده شده اند. محفظه حلزونی توربین اسکرول دوقلو توسط یک تقسیم کننده جریان به دو کانال جریان موازی تقسیم می شود. در ارتباط با منیفولد اگزوز دو جریان، این امکان را فراهم می کند که گازهای خروجی به طور جداگانه به چرخ توربین تغذیه شوند. هدف در اینجا جلوگیری از تأثیر نامطلوب متقابل سیلندرها در هنگام تبادل گاز است. در منیفولد اگزوز، مجرای گازهای خروجی دو سیلندر (در موتورهای چهار سیلندر) یا سه سیلندر (در موتورهای شش سیلندر) در یک خط ترکیب شده و به لطف طراحی محفظه توربین دوقلو، فقط دوباره درست در مقابل پروانه توربین جمع شده است. سیلندرها بر اساس ترتیب شلیک موتور انتخاب می شوند، به طوری که سیلندرهای متوالی همیشه به خطوط اگزوز مختلف اختصاص داده می شوند. اثرات مثبت شارژر دوقلو کاهش فشار برگشتی اگزوز و تبادل گاز بهتر موتور است که به نوبه خود مصرف، عملکرد و پاسخ آن را بهبود می بخشد. برای مثال، این نوع توربوشارژ استفاده می کند خودروهای فیات کرایسلر در آلفارومئو جولیا 2.0 توربو MultiAir یا اوپل در Astra J OPC . سوپرشارژر دوقلو را نباید با کمپرسور اسکرول (“G-supercharger”) که یک ماشین پیستونی است، اشتباه گرفت .

ترکیب توربو

در فن آوری ترکیب توربو ، یک توربوشارژر یا کمپرسور معمولی با یک توربین گاز خروجی پایین دست ترکیب می شود که به صورت مکانیکی به میل لنگ متصل است.

این توربین دوم از انرژی گاز خروجی استفاده می کند که پس از خروج از شارژر اول هنوز داغ است. نتیجه گشتاور بالاتر با افزایش مصرف انرژی است، یعنی بهبود بیشتر در راندمان .

به جای اتصال توربین به میل لنگ، می تواند یک ژنراتور اضافی را برای پشتیبانی از سیستم الکتریکی روی برد به حرکت درآورد. این هم در ارتباط با توربین توربوشارژر گاز اگزوز و هم با توربین پایین دست جداگانه امکان پذیر است.

اینترکولر

از آنجایی که پیش فشرده سازی دمای هوا را افزایش می دهد و در نتیجه با افزایش مورد نظر در حجم هوای ورودی مقابله می کند، خنک کننده های هوای شارژ برای جبران این عیب ساخته شدند. اینترکولرها همیشه بازده ترمودینامیکی موتور را افزایش می دهند.

توربوشارژ در وسایل نقلیه موتوری

کاربرد در موتورهای دیزلی

در مورد موتورهای دیزلی برای خودروهای سواری و همچنین برای کامیون ها، توربو شارژر گاز اگزوز اکنون ” به روز ” است. این در اوایل برای موتورهای دیزلی بزرگ مانند کشتی ها و لوکوموتیوها استفاده می شد. از دهه 1950، توربودیزل در کامیون های بزرگ و بعدها در وسایل نقلیه موتوری کوچکتر مورد استفاده قرار گرفت. در خودروهای سواری، توربو دیزل برای اولین بار در سال 1978 در مرسدس 300 SD استفاده شد .

کاربرد در موتورهای اتو

در موتورهای اتو با تشکیل مخلوط خارجی، فشار بوست توسط گرمای تراکمی مخلوط سوخت و هوا در دومین حرکت محدود می شود. فراتر از این به معنای خودسوزی کنترل نشده و در نتیجه ضربه موتور یا ضربه موتور است . شروع ضربه را می توان با استفاده از سوخت با اکتان بالا، خنک کننده موثر یا تزریق آب متانول افزایش داد . با این حال، در بیشتر موارد، زمان های کنترل تغییر می کند و فشرده سازی کاهش می یابد تا از این اثر جلوگیری شود.

با توجه به دمای بالاتر گازهای خروجی در مقایسه با دیزل، استفاده از توربوشارژر در موتورهای بنزینی دشوارتر تلقی می شود و به مواد بسیار مقاوم در برابر حرارت نیاز دارد. با این وجود، مزایای موتور بنزینی نیز از معایب آن بیشتر است، به همین دلیل است که اکثر موتورهای بنزینی مدرن به شارژ از طریق توربوشارژر متکی هستند.

استفاده در اتومبیل و موتور سیکلت

از سال 1910 اولین موتورهای سوپرشارژ در مدل‌های ALFA 24 HP نصب شدند که از هواپیمای توسعه‌یافته توسط همان سازنده اقتباس شدند (به زیر مراجعه کنید). وارد ایالات متحده شدند. خودروهای سواری تولیدی در مقیاس بزرگ با موتورهای بنزینی سوپرشارژ برای اولین بار از سال 1961 با نام Oldsmobile F-85 Jetfire (آلومینیوم V8 با حجم 215 cui ≈ 3.5 لیتر، 160 کیلووات، 218 SAE اسب بخار و متانول-آب 3 تا 19 برنامه [10] ) و از سال 1962 به عنوان شورولت Corvair Spyder (شش سیلندر باکسر توربو، حجم: 145 cui؛ ≈ 2.4 لیتر، 110 کیلووات، 150 SAE اسب بخار) در بازار.

در اروپا، مهندس و تاجر سوئیسی، مایکل می از سال 1966 ، فورد 20M و مدل‌های بعدی خودروهای سواری دیگر را به توربوشارژر مجهز کرد. [11] وارد تولید سری شدند در سال 1973 با BMW 2002 توربو و در سال 1975 با پورشه 911 توربو در آلمان ، خودروهای توربوشارژ . با این حال، به دلیل بحران نفت، هر دو موفقیت چندانی نداشتند. در سال 1978 Saab 99 Turbo با ترکیب یک توربوشارژر کوچک و سریع الاثر با یک شیر کنترل (wastegate) وارد بازار شد. حداکثر قدرت فقط اندکی افزایش یافت، اما موتور گشتاور بالایی را در دورهای پایین ارائه می کرد. ساب 99 توربو اولین خودروی سری توربوشارژ بود که به صورت اسپرت در تعداد کم تولید نشد، بلکه در سری های بزرگ تولید شد.

موتورهای اتو فقط تا حدودی به سوپرشارژ مجهز هستند، حتی اگر اخیراً افزایش قابل توجهی داشته باشد، ترجیحاً با مدل های با کارایی بالا. گرایش به سمت مفاهیم به اصطلاح کوچک سازی است که در آن موتورهای سوپرشارژ کوچکتر جایگزین موتورهای بزرگتر و بدون سوپرشارژ می شوند. هدف از کوچک کردن، مصرف کمتر با گاز زدایی موتور است. مزایای بیشتر ناشی از کاهش وزن و کاهش اصطکاک است.

موتورهای سوپرشارژ – هم موتورهای بنزینی و هم موتورهای دیزلی – معمولاً گران‌تر از موتورهای تنفس طبیعی قابل مقایسه هستند و همچنین از نظر فناوری کنترل (کنترل دریچه‌های کاهنده فشار مانند دریچه زباله یا شیر چرخش هوا) پیچیده هستند. هنگام شتاب گیری پس از فازهای بیش از حد، عمدتاً در محدوده دور موتور پایین تر، موتورهای توربو عملکرد خود را تا حدودی با تاخیر توسعه می دهند. این تاخیر توربو معمولاً در موتورهای بنزینی بیشتر از موتورهای دیزلی است. با پیشرفت در طراحی (پره‌های راهنمای قابل تنظیم، شارژرهای کوچک‌تر و در نتیجه سریع‌تر، پروانه‌های سبک‌تر با اینرسی جرم کمتر) و فناوری کنترل، می‌توان آن را تا حد زیادی کاهش داد.

به چشم می خورد در گذشته گفته می شد که موتورهای توربو مصرف بالاتری داشتند که معمولاً با مصرف مطلق بالاتر موتورهای سوپرشارژر قوی تر . در بهترین نقطه، موتورهای توربو بنزینی مدرن به طور خاص سوخت کمتری نسبت به موتورهای تنفس طبیعی با همان خروجی مصرف می کنند (که قبلا بر حسب گرم/کیلووات ساعت اندازه گیری می شد). در فرمول 1 نیز موتور توربو (که قبلاً طبق مقررات در آنجا ممنوع بود، اما از فصل 2014 مجدداً معرفی شد) از نظر مصرف خاص نسبت به موتور تنفس طبیعی برتری داشت. با این حال، عملکرد کاملاً بالاتر باعث مصرف سوخت مطلق بالاتر نیز می شود.

تقریباً تمام تولیدکنندگان تولید انبوه اکنون موتورهای بنزینی توربوشارژ را ارائه می دهند. موتورهای دیزلی بدون سوپرشارژ در بازار اروپا عملاً بی اهمیت هستند.

در اوایل سال 1985، لانچیا یک موتور مسابقه ای در موتور اسپورت (برای “گروه B”) با توربوشارژر و سوپرشارژر گاز اگزوز توسعه داد مورد نیاز قوانین هومولوژیک و از این موتور در مدل های سری 200 لانچیا دلتا S4 استفاده کرد . در سال 1988، نیسان آورد . چنین موتوری را در سری های کوچک موتوراسپرت مدل Micra نصب کرد که با این حال، 81 کیلووات (110 اسب بخار) و گشتاور خاص 144 نیوتن بر لیتر در 4800 دور در دقیقه از حجم تنها 0.9 لیتر به دست موتور تولید انبوه VW TSI (Golf GT، 1.4 لیتر با 125 کیلووات/170 اسب بخار، از سال 2005) ترکیبی از تزریق مستقیم با توربوشارژر برای سرعت های بالا و کمپرسور Roots برای سرعت های پایین است. این موتور در حال حاضر به گشتاور خاصی معادل 200 نیوتن متر در لیتر در 1500 دور در دقیقه دست می یابد. [12]

در اوایل دهه 1980، موتورسیکلت های تولیدی ( هوندا CX 500 توربو ، یاماها XJ 650 توربو ، کاوازاکی Z750 توربو) نیز بدون موفقیت در بازار با توربوشارژر عرضه شدند. علاوه بر این، افزایش ناگهانی عملکرد هنگام رسیدن به یک دور موتور مشخص، کنترل این موتورسیکلت‌ها را دشوارتر کرد، به‌ویژه هنگام شتاب‌گیری (همچنین به دلیل وزن بسیار پایین‌تر در مقایسه با خودروها).

توربوشارژ در هوانوردی

در طول جنگ جهانی اول، تلاش هایی برای اتصال مکانیکی توربین های گاز اگزوز با سوپرشارژرها و ایجاد یک توربو شارژر گاز اگزوز انجام شد. توسعه قبل و در طول جنگ جهانی دوم ادامه یافت، اما فناوری موتور تا پایان جنگ تحت تسلط شارژ مکانیکی (“سوپرشارژ”) بود. در آلمان توربوشارژرهای اضافی (شارژ چند مرحله ای) فقط برای کاربردهای ویژه در ارتفاع بالا وجود داشت، ابتدا در نسخه های مختلف موتور هواپیمای دیزلی دو زمانه Junkers با پیستون مخالف Jumo 207 و به تعداد قابل توجهی در BMW 801 TJ- . 0.

دریافت کرد در ایالات متحده، لاکهید P-38 آلیسون V-1710 را با توربو شارژر جنرال الکتریک .

پس از جنگ، برای چند سال ساخته شد تا اینکه موتورهای توربوپراپ و توربین جت برخی از موتورهای بسیار پیچیده با توربین گاز اگزوز (و نه توربوشارژر) مانند رایت R-3350 برای هواپیماهای مسافربری معرفی شد . میل لنگ کمپرسور شعاعی را از طریق یک گیربکس دو سرعته به حرکت در می آورد. سه توربین گاز اگزوز از طریق کوپلینگ مایع و چرخ دنده به میل لنگ متصل شدند. آنها 550 اسب بخار (410 کیلووات) قدرت اضافی ارائه کردند [13] .

امروزه موتورهای دارای توربوشارژرهای گاز اگزوز، عمدتاً موتورهای اتو، عمدتاً در هواپیماهای خصوصی و تجاری با اندازه متوسط ​​استفاده می شوند. باید بین دو فرآیند مختلف توربوشارژ تمایز قائل شد:

سوپرشارژ توربو

فشار در مجرای ورودی (عرشه بالایی، فشار تقویت کننده) را می توان با تنظیم دریچه گاز افزایش داد، گاهی اوقات بسیار بالاتر از سطح فشار کامل. در نتیجه توان بیشتری نسبت به توان اسمی (قدرت راه اندازی) از موتور گرفته می شود. در بیشتر موارد، این مدت حداکثر به پنج دقیقه محدود می شود. موتورهای این نوع تراکم کمتری نسبت به نمونه های تنفس طبیعی دارند. مثال‌ها: TSIO-520-UB (Continental، Beech Bonanza B36TC)، TIO-540-AE2A (Lycoming، Piper Malibu Mirage). معایب این نسخه افزایش علائم سایش ناشی از بارهای اضافی و دمای عملیاتی بالاتر است.

عادی سازی توربو

فشار در مجرای ورودی (عرشه بالایی، فشار تقویت کننده) مشخص شده توسط تنظیم دریچه گاز از طریق یک تنظیم کننده هیدرولیک و یک شیر تخلیه (دریچه زباله) ثابت نگه داشته می شود. حداکثر فشار بوست ممکن مربوط به فشار در ارتفاع کامل فشار است. به استثنای سوپرشارژر، موتور مانند نسخه تنفس طبیعی ساخته شده است، اما می تواند حداکثر قدرت نامی خود را تا ارتفاعات بسیار بالا (بیش از 20000 فوت) به دلیل فشار افزایش ثابت ارائه دهد.

اینترکولر

برای مدت زمان طولانی، خنک کننده اینترکولر در موتورهای هواپیما مهم تلقی نمی شد، زیرا فرض بر این بود که در موتورهای اتومبیل استفاده می شود (تولید قدرت بیشتر از طریق چگالی هوای بالاتر). در نتیجه، طول عمر موتورهای هواپیمای توربوشارژ به دلیل بار دمای اضافی ناشی از هوای شارژ گرم که با افزایش تلاش (تعمیر) همراه بود، برای مدت طولانی با مشخصات سازنده مطابقت نداشت. سیستم‌های سوپرشارژر مدرن دارای خنک‌کننده‌های بسیار کارآمد هستند که به اپراتور امکان می‌دهد دمای موتور (به‌ویژه دمای سرسیلندرها) را در محدوده قابل تحمل برای طول عمر موتورها و هزینه‌های تعمیر و نگهداری در تمام نقاط کار و همچنین در حد شدید نگه دارد. شرایط آب و هوایی (اواسط تابستان، عملیات بیابانی و غیره) برای حفظ مرزها.

سوپرشارژ امکان پرواز در ارتفاعات بالاتر را فراهم می کند که به دلیل مقاومت کمتر هوا در آنجا مزایای اقتصادی به همراه دارد. راندمان توربین گاز اگزوز نیز با کاهش فشار هوای خارجی با افزایش ارتفاع بهبود می‌یابد که هزینه سوپرشارژ برای کلاس‌های قدرت بین موتورهای تنفس طبیعی و توربوپراپ‌ها را توجیه می‌کند. نمونه ای از موتورهای سوپرشارژر Rotax 914 متعلق به Bombardier Corporation است. تولید Bombardier V300T از سال 2006 متوقف شده است و صدور گواهینامه دیگر دنبال نمی شود. [14]

) نیز توسعه یافته‌اند که در سال‌های اخیر، موتورهای توربو برای هواپیماهای کوچک‌تر (به عنوان مثال Thielert دیزل از مزایای آن می‌توان به مصرف کم و کارکرد ساده اشاره کرد.