توربو شارژر

توربوشارژ یا پرخوران (به انگلیسی: Turbocharger) و در اصطلاح عامیانه توربو، با هدف طراحی موتورهای سبک تر و در عین حال قدرتمند تر و با راندمان بالاتر اختراع شد. توربین تعبیه شده بین خروجی دود و ورودی هوا، قدرت خود را از دود خارج شده از منیفولد دود گرفته و به نوعی سبب بهینه تر شدن مصرف سوخت می‌شود.

نمای برش خورده یک توربوشارژر با یاتاقان هوا-فویلی. گازهای خروجی اگزوز وارد محفظه سیاه رنگ سمت چپ شده و پیش از خروج، چرخ پروانه را با سرعت می‌چرخانند. این چرخ پروانه به پروانه سمت راست کوپل بوده و سبب چرخیدن آن و در نتیجه مکش هوا توسط آن می‌شود.

در گذشته این وسیله توربوسوپرشارژ نامیده می‌شد چرا که همه دستگاه‌های القای اجباری توربوشارژر خوانده می‌شدند. امروزه از واژه (سوپرشارژ) تنها برای دستگاه‌های القای اجباری مکانیکی استفاده می‌شود. تفاوت اساسی(سوپرشارژ) و (توربوشارژ) این است که سوپرشارژر به صورت مکانیکی و توسط یک تسمه کوپل شده به میل‌لنگ، توسط موتور چرخانده می‌شود؛ درحالیکه توربوشارژر توسط گازهای خروجی (منیفولد دود) به حرکت در می‌آید. توربوشارژر در مقایسه با سوپرشارژر راندمان بالاتری دارد اما واکنش پذیری آن کمتر است. توین‌شارژر (به انگلیسی: Twincharger) موتوری است که شامل هر دو تجهیز (سوپرشارژ) و (توربوشارژ) باشد.

تاریخچه

فرآیند مکش، تراکم، احتراق و تخلیه در موتورهای احتراقی موجب چرخش میل لنگ و ایجاد گشتاور و نهایتا موجب حرکت خودرو می‌شود. در موتورهای احتراقی، سوخت توسط پمپ بنزین به سمت انژکتور با فشار بالا حرکت می‌کند و در آنجا با پاشش در درون محفظه احتراق، با اکسیژن موجود در هوا ترکیب می‌شود. در واقع وجود هوا و اکسیژن موجود در آن برای احتراق الزامی است؛ اما نسبت هوا و سوخت نباید تغییر کند. چنانچه هوا در سیلندر به نسبت سوخت کمتر باشد، نه تنها قدرت و کارائی موتور کم می‌شود بلکه آلایندگی و مصرف سوخت نیز افزایش می‌یابد.

این وضعیت در دورهای بالای موتور اتفاق می‌افتد و به عبارتی دیگر نسبت سوخت و هوا در دورهای پایین موتور قابل کنترل است ولی وقتی دور موتور افزایش می‌یابد، می‌توان میزان سوخت ورودی به سیلندر را افزایش داد اما جبران کمبود هوا بسیار مشکل است. وجود چنین مشکلی رویکرد طراحان و مهندسین را بر آن داشت تا برای جبران کمبود هوا در دورهای بالا راهی بیابند.

یکی از راهکارهایی که شرکت های خودروسازی برای جبران کمبود هوا در سیلندر در دورهای بالا به منظور افزایش توان و قدرت بالا به کار می‌گرفتند، این بود که حجم موتور را افزایش دهند؛ ولی افزایش حجم موتور پیامدهایی به دنبال داشت که از مهم ترین آنها می‌توان به افزایش مصرف سوخت و افزایش آلایندگی اشاره کرد.

از طرفی، یکی دیگر از معایب موتورها با حجم بالا راندمان پایین آنها بود. علاوه بر این، افزایش قیمت سوخت و همچنین ایجاد قوانین سخت گیرانه جهت جلوگیری از آلایندگی موجب شد تا خودروسازان به فکر ابداع راه حل دیگری بیافتند.

در سال 1885 میلادی یک مهندس آلمانی به نام گوتلیب دایملر ایدهای را برای تقویت موتورهای احتراقی مطرح کرد؛ وی در نظر داشت که به وسیله یک ساختار مکانیکی، هوا را فشرده کرده و آن را به داخل سیلندر خودرو تزریق نماید. پس از گذشت چندین سال از طرح این ایده، آلفرد بوچی مهندس مکانیک سوئیسی در سال 1900 میلادی سیستمی به نام توربو شارژر را اختراع کرد. وسیله ساخته شده توسط وی از یک منیفولد حلزونی تشکیل می‌شد که درون آن یک توربین قرار گرفته بود که با اتصال به خروجی اگزوز و با استفاده از گازهای آن توربین چرخانده می‌شد و با عملی شبیه به یک کمپرسور، تراکم هوای ورودی به داخل سیلندر را افزایش می‌داد.

مشکلات توربو شارژر

اولین مشکلی که به واسطه نصب سیستم توربوشارژر بر روی خودرو بوجود می‌آید این است که وقتی هوا توسط کمپرسور فشرده می‌شود، بنا بر قوانین فیزیک برخورد مولکول های آنها با هم به شدت زیاد می‌شوند که موجب میشود تا دمای هوا به شدت بالا برود؛ افزایش دمای هوا سبب می‌گردد که فاصله مولکول ها از هم بیشتر شود و چگالی هوا کاهش یابد؛ به عبارت ساده تر افزایش فاصله بین مولکول های هوا موجب می‌شود تا تعداد مولکول های هوا در واحد حجم کاهش یابد که این امر سبب می‌شود تعداد مولکول های هوا که به داخل سیلندر تزریق می‌شود، کم شود؛ که این برخلاف آن چیزی است که طراحان و مهندسان به دنبال آن بوده‌اند.

این مشکل به وسیله خنک کردن هوای فشرده شده برطرف می‌شود؛ بدین صورت که هوا را از یک رادیاتور عبور می‌دهند. این رادیاتور که آنرا Air Cooler می‌نامند، در جلوی خودرو و پشت جلو پنجره قرار دارد. شکل این قطعه مانند رادیاتور آب است ولی ابعاد آن کوچکتر است. هوای کمپرس شده که دمای بالائی دارد با عبور از این قطعه خنک شده و چگالی آن افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر تعداد مولکول های موجود در واحد حجم هوائی که از  Air Cooler خارج می‌شود، نسبت به هوای ورودی به آن، افزایش پیدا می‌کند. حال این هوا که علاوه بر فشار بالا دارای چگالی زیادی نیز می‌باشد از طریق دریچه گاز وارد منیفولد هوا و سیلندرها می‌شود.