up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله سوپرشارژرها PDF
QR code - سوپرشارژرها

سوپرشارژرها

اصول سوپرشارژرها

سوپرشارژر، وسيله تنظيم فشاري (افزايش فشار) است که باعث مي‌شود هوا با فشاري بيشتر از فشار اتمسفر، به داخل محفظه تراکم موتور مکيده شود. توربوشارژرها نيز اين کار را انجام مي‌دهند. در واقع اصطلاح توربوشارژر همان کوتاه شده عبارت توربوسوپرشارژر است.
تفاوت بين توربوشارژر و سوپرشارژر در منبع تأمين انرژي آنهاست. توربوشارژرها، انرژي خود را از توربيني مي‌گيرند که توسط جريان گازهاي خروجي و تخليه شده (از اگزوز خودرو) به چرخش در مي‌آيد. منبع تأمين انرژي سوپرشارژرها سيستمي کاملاً مکانيکي متشکل از تسمه يا زنجيره‌اي از چرخ دنده‌هاست که به وسيله ميل‌لنگ موتور به حرکت در مي‌آيند.
به‌طور معمول، چهار مرحله (کورس) در موتورهاي درونسوز تعريف مي‌شود که يکي از آنها، مرحله «مکش» است. سه گام اين فرايند عبارتند از:
۱- پيستون در داخل سيلندر به طرف پايين مي‌آيد.
۲- خلاء ايجاد مي‌شود.
۳- هوا در فشار اتمسفر، به داخل محفظه احتراق مکيده مي‌شود.
هواي مکيده‌شده به داخل موتور، بايد با سوخت ترکيب شود و در ادامه، مخلوط سوخت و هوا با جرقه‌اي محترق شود و طي واکنشي شيميايي، انرژي پتانسيل به انرژي جنبشي قابل استفاده تبديل شود. جرقه، سبب اشتعال و انجام واکنش شيميايي منجر به احتراق کامل مي‌شود و انرژي زيادي آزاد مي‌گردد. انرژي حاصل از احتراق، به سيلندرها منتقل شده و در داخل سيلندر، پيستون به سمت پايين رانده مي‌شود و در نهايت، انرژي به چرخ‌ها منتقل مي‌شود.
ممکن است ميزان سوخت بيشتر، سبب انجام واکنش بهتر و سريع‌تر و در نهايت انرژي خروجي بيشتر شود، اما اين امر به‌سادگي ميسر نيست زيرا مخلوط هوا و سوخت بايد به نسبتي صحيح وجود داشته باشد تا احتراق کامل صورت گيرد (معمولاً نسبت هوا به سوخت ۱۴ به ۱ است).
سوپرشارژرها، فرايند مکش را با فشردن هوا (با فشار بيش از فشار اتمسفر) بدون ايجاد خلاء انجام مي‌دهند. اين عمل، باعث افزايش مقدار هواي ورودي به محفظه مي‌شود و توان موتور را ارتقا مي‌دهد. سوپرشارژرها، به‌طور ميانگين ۴۶ درصد از توان موتور و ۳۱ درصد از گشتاور خروجي آن را افزايش مي‌دهند.
سوپرشارژر Twin-screw
در مکان‌هاي مرتفع که عملکرد موتور افت مي‌کند و فشار زيادي به موتور وارد مي‌شود (زيرا در اين مکان‌ها ميزان هوا کم و فشار هوا نيز کمتر است) سوپرشارژر با انتقال فشار بالاتر، باعث تقويت عملکرد موتور مي‌شود. با استفاده از سوپرشارژرها، عملکرد بهينه موتور را در اختيار خواهيم داشت. برخلاف توربوشارژرها که از گازهاي خروجي و تخليه شده اگزوز براي ايجاد احتراق و درنهايت تأمين انرژي کمپرسور استفاده مي‌کنند، سوپرشارژرها مستقيماً انرژي خود را از ميل‌لنگ موتور تأمين مي‌کنند.
مشابه اغلب سيستم‌هاي مکانيکي و مکانيزم‌هاي انتقال قدرت، در سوپرشارژرها نيز، از چرخ‌دنده و تسمه براي انتقال نيرو استفاده مي‌شود. به طوري که اين مکانيزم باعث چرخش روتور کمپرسور مي‌شود. روتور کمپرسور در طرح‌هاي مختلفي وجود دارد، اما کار آن کشيدن هوا به داخل، فشردن و متراکم کردن هوا و انتقال آن به محفظه کوچکتر و در نهايت ارسال هواي فشرده به منيفولد يا محفظه مکش است، يکسان مي‌باشد.
سوپرشارژرها ممکن است براي تنظيم فشار و رسيدن به فشار مناسب، به سرعت چرخش زيادي (حتي بيش از دور موتور) نياز داشته باشند. در اين حالت، چرخ‌دنده محرک سوپرشارژرها بزرگتر از چرخ‌دنده کمپرسور ساخته مي‌شود. سوپرشارژرها مي‌توانند سرعت‌هاي بيش از ۵۰ هزار تا ۶۵ هزار دور در دقيقه داشته باشند. سوپرشارژري که مي‌تواند با سرعت ۵۰ هزار دور در دقيقه بچرخد، حدود ۶ تا ۹ Psi فشار بيشتر (نسبت به فشار اتمسفر) تأمين مي‌کند و اين يعني حدود ۵۰ درصد انتقال هواي بيشتر به محفظه احتراق موتور.
هوا پس از تراکم و فشرده شدن، گرمتر مي‌شود. بر اثر گرم شدن هوا، چگالي آن پايين مي‌آيد و نمي‌تواند براي احتراق مناسب باشد. يعني از پتانسيل و توان کافي براي مشتعل شدن برخوردار نخواهد بود.
براي اينکه سوپرشارژرها با بالاترين ظرفيت و بيشترين بازده کار کنند، قسمت يا واحد شارژ مجدد در آنها تعبيه شده است که هوا را قبل از ورود به منيفولد، خنک مي‌کند. به اين بخش، اينترکولر مي‌گويند. اينترکولر در دو طرح وجود دارد: ۱- هوا به هوا ۲- هوا به آب.
اينترکولر در هر دو طرح، مانند رادياتور کار مي‌کند که هوا يا آب با حرکت در مجموعه‌اي از لوله‌ها خنک مي‌شود. در واقع، هواي گرم شده خارج از سوپرشارژر، وارد لوله‌هاي اينترکولر شده و خنک مي‌شود. کاهش دماي هوا باعث افزايش چگالي و در نهايت وجود هواي بيشتر در محفظه احتراق مي‌شود.
انواع سوپرشارژرها
سه نوع سوپرشارژر وجود دارد:
۱- Roots Supercharger يا شبه چرخ‌دنده‌اي (دنده مانند)
۲- Twin- Screw Supercharger يا دو پره‌اي
۳- Centrifugal Supercharger يا گريز از مرکز
فرق اساسي اين سه نوع سوپرشارژر، در روش ارسال و انتقال هوا به منيفولد موتور است. نوع شبه چرخ‌دنده‌اي و دوپره‌اي از انواع مختلفي Meshing lobes (قطعات دنده يا پره مانند) استفاده مي‌کنند. سوپرشارژرهاي گريز از مرکز، از پروانه‌هاي دوران کننده‌اي استفاده مي‌کنند که باعث مکش هوا به داخل مي‌شوند.
تمامي انواع سوپرشارژرها در نهايت باعث تقويت و افزايش توان موتور مي‌شوند، اما تفاوت قابل ملاحظه آنها در بازده آنهاست. هر کدام از انواع سوپرشارژرها، در اندازه‌هاي مختلف موجود بوده و بسته به کاربرد و استفاده خودرو در مسابقات ورزشي يا سرعت، انتخاب مي‌شوند.
سوپرشارژر شبه چرخ‌دنده‌اي
در سوپرشارژر شبه چرخ‌دنده‌اي يا دنده مانند، با چرخش اجزاي دنده مانند، هوا به درون محفظه داخلي مکيده مي‌شود. با توجه به سرعت زياد چرخش و کوچکي محفظه داخلي، هوا با فشار و سرعت بالا خارج مي‌شود. سوپرشارژر شبه دنده‌اي مانند دمنده هواست و اغلب اصطلاح «دمنده هوا» را به عنوان معادل آن به کار مي‌برند.
سوپرشارژرهاي شبه چرخ دنده‌اي، معمولاً بزرگ و حجيم هستند و بالاي موتور نصب مي‌شوند. در بعضي از خودروها، به علت بزرگي اندازه، خارج از کاپوت خودرو نيز نصب مي‌شوند.
اين نوع سوپرشارژرها، داراي کمترين بازده هستند زيرا هم وزن زيادي را به خودرو اعمال مي‌کنند و هم هوا را به صورت گسسته و ناپيوسته به منيفولد انتقال مي‌دهند که در نتيجه انفجار و احتراق پيوسته ايجاد نمي‌شود.
سوپرشارژر دوپيچه‌اي
اين نوع سوپرشارژرها از دو قطعه همانند و شبيه چرخ‌دنده مارپيچي ساخته شده‌اند که هوا با عبور از بين آنها متراکم مي‌شود.
هوا در فضاي بين روتورها محصور شده و از محفظه مخروطي شکلي خارج مي‌شود، سپس به فضاي کوچکتري فشرده و پمپ مي‌گردد.
بازده اين نوع سوپرشارژرها بيشتر، اما هزينه ساخت و قيمت آنها بالاتر است زيرا فرايند ساخت اجزاي آن و روتور، به ظرافت و دقت بسياري نياز دارد. برخي انواع سوپرشارژرهاي دوپره‌اي، در قسمت فوقاني موتور (مانند سوپرشارژرهاي شبه چرخ‌دنده‌اي) نصب مي‌شوند. اين نوع سوپرشارژرها، نويز و سروصداي زيادي دارند زيرا هواي خروجي فشرده شده از قسمت خروجي، صدايي سوت‌‌مانند ايجاد مي‌کند.
سوپرشارژر گريز از مرکز (Centrifugal Supercharger)
در اين نوع سوپرشارژرها، از قطعه‌اي پروانه مانند که با سرعت بسيار بالا حول محور خود (مانند روتور) مي‌چرخد، استفاده مي‌شود. هوا توسط پروانه‌ دواري که با سرعت بسيار بالا مي‌چرخد به محفظه کمپرسور مکيده مي‌شود. هواي خروجي در اين مرحله، داراي سرعت بسيار بالا، اما فشار پايين است. به وسيله ديفيوزري هواي سرعت بالا، فشار پايين به هواي سرعت پايين، فشار بالا تبديل مي‌شود. براثر برخورد مولکول‌هاي هوا به پره‌هاي ديفيوزر، هوا گرمتر و سرعت آن کمتر شده و فشار هوا افزايش مي‌يابد.
سوپرشارژرهاي گريز از مرکز، داراي بيشترين بازده در مقايسه با انواع مختلف سوپرشارژر هستند. اين سوپرشارژرها، کوچک و سبک بوده و به جاي بالاي موتور در قسمت بالاي آن نصب مي‌شوند. همچنين، استفاده از اين نوع سوپرشارژرها باعث مطلوب شدن صداي کارکرد موتور مي‌شود. برخي سوپرشارژرها در تعميرگاه‌ها و نمايندگي‌ها قابل نصب هستند. برخي از سازندگان خودرو، کيت مناسبي براي نصب سوپرشارژر پيشنهاد مي‌کنند و برخي از سازندگان خودرو، بعضي از محصولات خويش را با سوپرشارژر عرضه مي‌کنند.
مزايا، معايب و سير تکاملي سوپرشارژرها
بزرگترين مزيت استفاده از سوپرشارژرها، افزايش توان و قدرت موتور است. براستي از بين سوپرشارژر و توربوشارژر کدام را انتخاب کنيم؟ اين سؤال بسياري از مهندسين و علاقه‌مندان به خودرو است.
نظرات مختلفي در مورد اين دو سيستم و بهينه بودن هر يک، وجود دارد. برخي بر اين باورند که توربوشارژر به دليل استفاده از دود اگزوز که انرژي هدر رفته‌اي تلقي مي‌شود، نسبت به سوپرشارژري که نيروي خود را از موتور خودرو مي‌گيرد و خود باعث کاهش قدرت موتور مي‌شود، بهتر عمل مي‌کند. از طرف ديگر، وجود يک توربين درون اگزوز، خود باعث ايجاد فشار در تخليه دود موتور مي‌شود. از سوي ديگر به دليل کم بودن فشار گازهاي خروجي از اگزوز در دورهاي پايين موتور، عملاً توربوشارژرها در دورهاي پايين کارايي ندارند. اين مورد باعث ايجاد تأخير از زمان فشردن پدال گاز تا به کار بردن توربوشارژر مي‌شود. به اين تأخير، Turbo Lag يا کاستي قدرت گفته مي‌شود. البته اين مورد با استفاده از دو توربين در مدل‌هايي از تويوتا، مزدا، سوبارو، آئودي و مرسدس، تا حدودي حل شده است. مشکل ديگر در مواردي بروز مي‌کند که کمپرسور توربين، کوچک باشد. گرماي پروانه درون اگزوز به قسمت هواي ورودي منتقل شده و باعث گرم شدن بيشتر هوا مي‌شود (فشرده شدن هوا نيز باعث افزايش حرارت آن مي‌شود). از آنجا که هواي خنک براي سوختن در خودرو مناسب‌تر است، استفاده از يک اينترکولر در اين سيستم‌ها ضروري است. در سوپرشارژرها نيز قبل از ورود هوا به سيلندرها از اينترکولر استفاده مي‌شود. در گذشته، عملاً بيشتر توربوشارژر در خودروهاي ديزلي استفاده مي‌شد و در مورد موتورهاي بنزيني تنها در مدل‌هايي از پورشه، ساآب و خودروي مسابقه‌اي، مورد استفاده قرار مي‌گرفت. با پيشرفت علم و تکنولوژي و تغييرات جديد در اين سيستم، خودروسازان در سال‌هاي اخير براي موتورهاي بنزيني خود به اين سيستم روي آورده‌اند. از آن جمله به نظر مي‌رسد رويکرد جديد مرسدس بنز، استفاده از توربوشارژر باشد زيرا در ليست موتور مدل‌هاي سري A و B جديد اين شرکت، موتورهاي بنزيني Turbo200 خودنمايي مي‌کنند.
در مقابل، سوپرشارژر که چند سالي است در کلاس‌هاي SLR,E,C و SLK مرسدس و همچنين ميني‌کوپرها ديده مي‌شود، به دليل تأمين نيروي چرخنده از موتور، در هر لحظه با فشردن پدال در هر دور موتور قدرت لازم را به راننده ارائه مي‌دهد. اين سيستم همواره و در هر حالتي فعال است، يعني زماني که خودرو در جا کار مي‌کند و يا با سرعت کم حرکت مي‌کند، سوپرشارژر فعال مي‌باشد. اين مشکل، در سال‌هاي اخير توسط مرسدس و با افزودن يک هرزگرد در پولي کمپرسور، حل شده است. مبحث کاهش قدرت موتور به خاطر تأمين نيروي کمپرسور سوپرشارژر نيز صحيح است، اما قدرتي که اين سيستم توليد مي‌کند، به مراتب بيشتر از نيرويي است که از موتور مي‌گيرد و يا به اصطلاح هدر مي‌دهد.
در هر شکل، مشکلات اين دو سيستم طي سال‌هاي گذشته، در حال برطرف شدن است، اما به نظر مي‌رسد آينده از آن سيستم‌هايي باشد که نيروي توربين خود را به صورت الکتريکي تأمين مي‌کنند. اين سيستم‌ها هم اينک با نام سوپرشارژر براي تيونينگ خودروها به کار برده مي‌شوند.
نتيجه اينکه سوپرشارژرها به علت مزاياي بيشتري که نسبت به توربوشارژرها دارند، بيشتر مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اين قابليت‌ها و مزيت‌ها عبارتند از:
- ميزان تأخير در سوپرشارژرها کمتر است. يعني زماني که پدال گاز را فشار مي‌دهيم تا زماني که واکنش مناسبي از موتور دريافت کنيم در سوپرشارژرها کمتر است، اما در توربوشارژرها اين ميزان تأخير به سبب مکانيزم عملکرد آن که از گاز خروجي از اگزوز براي چرخاندن توربين استفاده مي‌شود، بيشتر است که در سوپرشارژرها هيچ تأخيري به اين دليل که حرکت خود را مستقيماً از ميل‌لنگ موتور مي‌گيرند، وجود ندارد.
- سوپرشارژرها در دور موتور پايين‌تر بازده بيشتري دارند. اين امر باعث داشتن توان بيشتر در دور موتور پايين‌تر مي‌شود. سوپرشارژرهاي گريز از مرکز که داراي بيشترين بازده هستند، در دور موتور بالاتر توان بيشتري فراهم مي‌کنند.
- نصب و راه‌اندازي توربوشارژر، به تغييرات گسترده و نصب قطعات مختلف روي سيستم تخليه گاز خروجي از اگزوز نياز دارد، اما سوپرشارژرها روي موتور يا کنار آن نصب مي‌شوند. ارزان‌تر بودن، نصب آسان و تعمير ساده، از ديگر مزاياي استفاده از سوپرشارژرها، است.
- سوپرشارژرها بي‌نياز از روغن‌کاري هستند، اما توربوشارژرها به مکانيزم روغنکاري نياز دارند. توربوشارژرها نياز به خنک شدن دارند و از روغنکاري و CoolDown استفاده مي‌کنند. در کل، مي‌توان نتيجه گرفت که در دماي يکسان، سوپرشارژرها عملکرد مناسب‌تري دارند.
- يکي از بزرگترين معايب سوپرشارژرها، محدوديت در مشخصه‌هاي فني آنهاست. يعني آنها تا حد معين و محدودي مي‌توانند فشار هوا و در نهايت توان موتور را بالا ببرند زيرا ميل‌لنگ که عامل حرکت آنهاست مقداري از توان موتور را مصرف مي‌کند و مقداري انرژي تلف شده وجود خواهد داشت، سوپرشارژرها حدود ۲۰ درصد از توان خروجي موتور را مي‌گيرند اما در حالت بهينه کارکرد، حدود ۴۶ درصد توان موتور را ارتقا مي‌دهند.
در ضمن، به دليل عملکرد مکانيزم و واکنش‌هاي داخلي سوپرشارژر، تنش اضافه‌اي به موتور وارد مي‌شود. با وجود معايبي که در مورد سوپرشارژرها ذکر شد، کماکان استفاده از آنها به دليل عملکردي که در افزايش توان موتور دارند و از نظر اقتصادي نيز به صرفه مي‌باشند ، رايج است.
مطلب ديگه اي بود که شايد براي خيليا سئوال باشه که آيا ميشه روي ماشينمون توربو يا سوپرچارجر نصب کنيم يا نه؟
اصولا فرآيند نصب توربوچارجر روي موتور اينجوريه که وقتي تيم مهندسي داره يه موتور رو طراحي ميکنه همون موقع به اين موضوع فکر ميکنه که آيا قراره اين موتور بعدا به اصطلاح turbocharged بشه يا نه و اگه تصميم گرفتن که مثلا قراره بعدا اين موتور به صورت توربوچارج مورد استفاده قرار بگيره همون موقع طراحي ملاحظات مقاومت موتور رو (از لحاظ تحمل تنشهايي که در پست قبل گفتم) انجام ميدن.
در مرحله بعد که موتور طراحي شد . دو راه وجود داره يا اينکه خود تيم مهندسي که موتور رو طراحي کرده مياد و يه توربوچارجر هم براش طراحي ميکنه و يا اينکه مياد و يه شرکتي که کارش توربوچارجر اطلاعات فني موتور رو ميده و اون شرکت هم مياد و براي اون موتور توربو چارجر طراحي ميکنه.
از همينجا معلوم ميشه که اصولا توربوچارجر وسيله ي اصطلاحا compatible نيست يعني نميشه هر توربوچارجر رو روي هر موتور بست . حالا اگر دو تا موتور داراي خصوصيات نزديک به هم باشن و يکي از موتورها بصورت استاندارد توربوچارج شده باشه شايد دقت کنيد شايد بشه تنظيمات اون موتور رو براي موتور ديگه هم پياده کرد. بازم ميگم اين کار اصلا علمي و فني نيست.
توربوشارژ و نيتروس
توربو با اجبار موتور به تنفس بيشتر و سوراندن سوخت بيشتر نيروي بيشتر توليد مي کند. توربو با نيرو گازهاي خروجي کار مي کند. توربو وسيله اي کاربردي هست اما يکي دو مشکل عمده دارد.
اگر توربين به اندازه کافي کوچک باشد که در دور پايين موتور به چرخش در آيد در دور بالا به يک مانع تبديل مي شود که حداکثر قدرت را محدود مي کند. زيرا اگر موتر موفق به خروج گاز هاي حاصل از سوخت نشود…..!
اگر توربين به اندازه کافي بزرگ باشد که در برابر حداکثر قدرت منطقي مانع نباشد آنگاه با مشکلي به نام واماندگي(lag) در دورهاي پايين روبرو مي شويم. به اين علت که موتور در دور پايين گاز زيادي توليد نمي کند که توربين بزرگ را با سرعت مناسب به چرخش در آورد که فشار توليد شود. اما اگر بتوانيد توربو را در دور پايين موتر به گردش با دور مناسب وادار کنيد خود توربو فشار لازم براي تحريک بيشتر توليد خواهد کرد!
حال اگر ما مقدار بسيار کمي نيتروس را در دريچه سوخت(wot)تزريق کنيم موتور فوراً توليد نيرو خواهد کرد! و حتي در دور هاي پايين توربو شارژ سرعت مي گيرد به علت گاز خروجي توليد شده! اکنون يک سنسور کوچک در ورودي سوخت افزايش فشار را متوجه شده و تزريق نيتروس را خاموش مي کند. اکنون محرک خودبه خود پيش ميرود. در عمل مقدار بسيار کمي نيتروس مصرف مي گردد. نتيجه يک سيستم توربو بدون وامانگي هست حتي اگر از توربيهاي عظيم استفاده شود.
انواع گوناگوني سيستم هاي تزريق نيتروس وتوربوشارژرهاي عظيم براي کار باهمديگر توليد مي شود.

ج) اندازه توربوشارژر: اندازه توربوشارژر هم مزايا و معايبي به همراه دارد. هر چه توربوشارژر كوچكتر باشد، زمان تاخير كمتري دارد و سريعتر قدرت را اعمال مي ...

هنگامي كه مردم در مورد خودروهاي مسابقه اي و يا خودروهاي ورزشي با كيفيت صحبت مي كنند (از جمله خودروهاي فرمول يك)، خواه ناخواه صحبت از توربوشارژر هم به ...

از زمان اختراع موتورهاي درونسوز تاکنون، مهندسان خودرو و طراحان خودروهاي سرعت، همواره به دنبال راهي براي افزايش و ارتقاي قدرت موتور بوده اند. يک راه اف ...

دانلود نسخه PDF - سوپرشارژرها