تبلیغات
وبلاگ تخصصی مهندسی خودرو و برق خودرو - سوپر شارژر، عملكرد و انواع آن
وبلاگ تخصصی مهندسی خودرو و برق خودرو

سوپر شارژر، عملكرد و انواع آن

جمعه 28 اسفند 1388  ساعت: 09:32 ق.ظ

 از زمان اختراع موتورهای درونسوز تاكنون، مهندسان خودرو و طراحان خودروهای سرعت، همواره به دنبال راهی برای افزایش و ارتقای قدرت موتور بوده‌اند.

یك راه افزایش قدرت موتور (توان موتور)، ساخت و تولید موتور بزرگتر است، اما ساخت این موتور، افزایش وزن و هزینه بیشتر تولید و تعمیر را به همراه دارد و راه‌حل خوبی نیست.

راه‌حل دیگر افزایش قدرت موتور، ساخت موتوری با بازده بالاتر است (البته با حفظ اندازه و بزرگتر نشدن موتور). این امر زمانی میسر می‌شود كه هوا با سرعت بیشتر و حجم بالاتر وارد محفظه احتراق موتور شود.

تراكم و حجم بالای تركیب هوا و سوخت، باعث انفجار سریع و پرقدرت و در نتیجه افزایش توان خروجی و قدرت موتور می‌شود.

استفاده از سوپرشارژرها، راه‌حل خوبی برای دسترسی به مكش هوا با تراكم بالا و سرعت بیشتر به داخل محفظه تراكم است.

در این مقاله به معرفی سوپرشارژرها و اصول كاركرد آنها و همچنین مقایسه آنها با توربوشارژرها پرداخته می‌شود.

اصول سوپرشارژرها

سوپرشارژر، وسیله تنظیم فشاری (افزایش فشار) است كه باعث می‌شود هوا با فشاری بیشتر از فشار اتمسفر، به داخل محفظه تراكم موتور مكیده شود. توربوشارژرها نیز این كار را انجام می‌دهند. در واقع اصطلاح توربوشارژر همان كوتاه شده عبارت توربوسوپرشارژر است.

تفاوت بین توربوشارژر و سوپرشارژر در منبع تأمین انرژی آنهاست. توربوشارژرها، انرژی خود را از توربینی می‌گیرند كه توسط جریان گازهای خروجی و تخلیه شده (از اگزوز خودرو) به چرخش در می‌آید. منبع تأمین انرژی سوپرشارژرها سیستمی كاملاً مكانیكی متشكل از تسمه یا زنجیره‌ای از چرخ دنده‌هاست كه به وسیله میل‌لنگ موتور به حركت در می‌آیند.

به‌طور معمول، چهار مرحله (كورس) در موتورهای درونسوز تعریف می‌شود كه یكی از آنها، مرحله «مكش» است. سه گام این فرایند عبارتند از:

1. پیستون در داخل سیلندر به طرف پایین می‌آید.

2. خلاء ایجاد می‌شود.

3. هوا در فشار اتمسفر، به داخل محفظه احتراق مكیده می‌شود.

هوای مكیده‌شده به داخل موتور، باید با سوخت تركیب شود و در ادامه، مخلوط سوخت و هوا با جرقه‌ای محترق شود و طی واكنشی شیمیایی، انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی قابل استفاده تبدیل شود. جرقه، سبب اشتعال و انجام واكنش شیمیایی منجر به احتراق كامل می‌شود و انرژی زیادی آزاد می‌گردد. انرژی حاصل از احتراق، به سیلندرها منتقل شده و در داخل سیلندر، پیستون به سمت پایین رانده می‌شود و در نهایت، انرژی به چرخ‌ها منتقل می‌شود.

ممكن است میزان سوخت بیشتر، سبب انجام واكنش بهتر و سریع‌تر و در نهایت انرژی خروجی بیشتر شود، اما این امر به‌سادگی میسر نیست زیرا مخلوط هوا و سوخت باید به نسبتی صحیح وجود داشته باشد تا احتراق كامل صورت گیرد (معمولاً نسبت هوا به سوخت 14 به 1 است).

سوپرشارژرها، فرایند مكش را با فشردن هوا (با فشار بیش از فشار اتمسفر) بدون ایجاد خلاء انجام می‌دهند. این عمل، باعث افزایش مقدار هوای ورودی به محفظه می‌شود و توان موتور را ارتقا می‌دهد. سوپرشارژرها، به‌طور میانگین 46 درصد از توان موتور و 31 درصد از گشتاور خروجی آن را افزایش می‌دهند.

در مكان‌های مرتفع كه عملكرد موتور افت می‌كند و فشار زیادی به موتور وارد می‌شود (زیرا در این مكان‌ها میزان هوا كم و فشار هوا نیز كمتر است) سوپرشارژر با انتقال فشار بالاتر، باعث تقویت عملكرد موتور می‌شود. با استفاده از سوپرشارژرها، عملكرد بهینه موتور را در اختیار خواهیم داشت. برخلاف توربوشارژرها كه از گازهای خروجی و تخلیه شده اگزوز برای ایجاد احتراق و درنهایت تأمین انرژی كمپرسور استفاده می‌كنند، سوپرشارژرها مستقیماً انرژی خود را از میل‌لنگ موتور تأمین می‌كنند.

مشابه اغلب سیستم‌های مكانیكی و مكانیزم‌های انتقال قدرت، در سوپرشارژرها نیز، از چرخ‌دنده و تسمه برای انتقال نیرو استفاده می‌شود. به طوری كه این مكانیزم باعث چرخش روتور كمپرسور می‌شود. روتور كمپرسور در طرح‌های مختلفی وجود دارد، اما كار آن كشیدن هوا به داخل، فشردن و متراكم كردن هوا و انتقال آن به محفظه كوچكتر و در نهایت ارسال هوای فشرده به منیفولد یا محفظه مكش است، یكسان می‌باشد.

سوپرشارژرها ممكن است برای تنظیم فشار و رسیدن به فشار مناسب، به سرعت چرخش زیادی (حتی بیش از دور موتور) نیاز داشته باشند. در این حالت، چرخ‌دنده محرك سوپرشارژرها بزرگتر از چرخ‌دنده كمپرسور ساخته می‌شود. سوپرشارژرها می‌توانند سرعت‌های بیش از 50 هزار تا 65 هزار دور در دقیقه داشته باشند. سوپرشارژری كه می‌تواند با سرعت 50 هزار دور در دقیقه بچرخد، حدود 6 تا 9 Psi فشار بیشتر (نسبت به فشار اتمسفر) تأمین می‌كند و این یعنی حدود 50 درصد انتقال هوای بیشتر به محفظه احتراق موتور.

هوا پس از تراكم و فشرده شدن، گرمتر می‌شود. بر اثر گرم شدن هوا، چگالی آن پایین می‌آید و نمی‌تواند برای احتراق مناسب باشد. یعنی از پتانسیل و توان كافی برای مشتعل شدن برخوردار نخواهد بود.

برای اینكه سوپرشارژرها با بالاترین ظرفیت و بیشترین بازده كار كنند، قسمت یا واحد شارژ مجدد در آنها تعبیه شده است كه هوا را قبل از ورود به منیفولد، خنك می‌كند. به این بخش، اینتركولر می‌گویند.

 اینتركولر در دو طرح وجود دارد: 1. هوا به هوا 2. هوا به آب.

اینتركولر در هر دو طرح، مانند رادیاتور كار می‌كند كه هوا یا آب با حركت در مجموعه‌ای از لوله‌ها خنك می‌شود. در واقع، هوای گرم شده خارج از سوپرشارژر، وارد لوله‌های اینتركولر شده و خنك می‌شود. كاهش دمای هوا باعث افزایش چگالی و در نهایت وجود هوای بیشتر در محفظه احتراق می‌شود.

 

انواع سوپرشارژرها

سه نوع سوپرشارژر وجود دارد:

1. Roots Supercharger یا شبه چرخ‌دنده‌ای (دنده مانند)

2. Twin- Screw Supercharger یا دو پره‌ای

3. Centrifugal Supercharger یا گریز از مركز

فرق اساسی این سه نوع سوپرشارژر، در روش ارسال و انتقال هوا به منیفولد موتور است. نوع شبه چرخ‌دنده‌ای و دوپره‌ای از انواع مختلفی Meshing lobes (قطعات دنده یا پره مانند) استفاده می‌كنند. سوپرشارژرهای گریز از مركز، از پروانه‌های دوران كننده‌ای استفاده می‌كنند كه باعث مكش هوا به داخل می‌شوند.

تمامی انواع سوپرشارژرها در نهایت باعث تقویت و افزایش توان موتور می‌شوند، اما تفاوت قابل ملاحظه آنها در بازده آنهاست. هر كدام از انواع سوپرشارژرها، در اندازه‌های مختلف موجود بوده و بسته به كاربرد و استفاده خودرو در مسابقات ورزشی یا سرعت، انتخاب می‌شوند.

سوپرشارژر شبه چرخ‌دنده‌ای

در سوپرشارژر شبه چرخ‌دنده‌ای یا دنده مانند، با چرخش اجزای دنده مانند، هوا به درون محفظه داخلی مكیده می‌شود. با توجه به سرعت زیاد چرخش و كوچكی محفظه داخلی، هوا با فشار و سرعت بالا خارج می‌شود. سوپرشارژر شبه دنده‌ای مانند دمنده هواست و اغلب اصطلاح «دمنده هوا» را به عنوان معادل آن به كار می‌برند.

سوپرشارژرهای شبه چرخ دنده‌ای، معمولاً بزرگ و حجیم هستند و بالای موتور نصب می‌شوند. در بعضی از خودروها، به علت بزرگی اندازه، خارج از كاپوت خودرو نیز نصب می‌شوند.

این نوع سوپرشارژرها، دارای كمترین بازده هستند زیرا هم وزن زیادی را به خودرو اعمال می‌كنند و هم هوا را به صورت گسسته و ناپیوسته به منیفولد انتقال می‌دهند كه در نتیجه انفجار و احتراق پیوسته ایجاد نمی‌شود.

سوپرشارژر دوپیچه‌ای

این نوع سوپرشارژرها از دو قطعه همانند و شبیه چرخ‌دنده مارپیچی ساخته شده‌اند كه هوا با عبور از بین آنها متراكم می‌شود.

هوا در فضای بین روتورها محصور شده و از محفظه مخروطی شكلی خارج می‌شود، سپس به فضای كوچكتری فشرده و پمپ می‌گردد.

بازده این نوع سوپرشارژرها بیشتر، اما هزینه ساخت و قیمت آنها بالاتر است زیرا فرایند ساخت اجزای آن و روتور، به ظرافت و دقت بسیاری نیاز دارد. برخی انواع سوپرشارژرهای دوپره‌ای، در قسمت فوقانی موتور (مانند سوپرشارژرهای شبه چرخ‌دنده‌ای) نصب می‌شوند. این نوع سوپرشارژرها، نویز و سروصدای زیادی دارند زیرا هوای خروجی فشرده شده از قسمت خروجی، صدایی سوت‌‌مانند ایجاد می‌كند.

 

سوپرشارژر گریز از مركز

در این نوع سوپرشارژرها، از قطعه‌ای پروانه مانند كه با سرعت بسیار بالا حول محور خود (مانند روتور) می‌چرخد، استفاده می‌شود. هوا توسط پروانه‌ دواری كه با سرعت بسیار بالا می‌چرخد به محفظه كمپرسور مكیده می‌شود. هوای خروجی در این مرحله، دارای سرعت بسیار بالا، اما فشار پایین است. به وسیله دیفیوزری هوای سرعت بالا، فشار پایین به هوای سرعت پایین، فشار بالا تبدیل می‌شود. براثر برخورد مولكول‌های هوا به پره‌های دیفیوزر، هوا گرمتر و سرعت آن كمتر شده و فشار هوا افزایش می‌یابد.

سوپرشارژرهای گریز از مركز، دارای بیشترین بازده در مقایسه با انواع مختلف سوپرشارژر هستند. این سوپرشارژرها، كوچك و سبك بوده و به جای بالای موتور در قسمت بالای آن نصب می‌شوند. همچنین، استفاده از این نوع سوپرشارژرها باعث مطلوب شدن صدای كاركرد موتور می‌شود. برخی سوپرشارژرها در تعمیرگاه‌ها و نمایندگی‌ها قابل نصب هستند. برخی از سازندگان خودرو، كیت مناسبی برای نصب سوپرشارژر پیشنهاد می‌كنند و برخی از سازندگان خودرو، بعضی از محصولات خویش را با سوپرشارژر عرضه می‌كنند.

 

مزایا، معایب و سیر تكاملی سوپرشارژرها

بزرگترین مزیت استفاده از سوپرشارژرها، افزایش توان و قدرت موتور است. براستی از بین سوپرشارژر و توربوشارژر كدام را انتخاب كنیم؟ این سؤال بسیاری از مهندسین و علاقه‌مندان به خودرو است.

نظرات مختلفی در مورد این دو سیستم و بهینه بودن هر یك، وجود دارد. برخی بر این باورند كه توربوشارژر به دلیل استفاده از دود اگزوز كه انرژی هدر رفته‌ای تلقی می‌شود، نسبت به سوپرشارژری كه نیروی خود را از موتور خودرو می‌گیرد و خود باعث كاهش قدرت موتور می‌شود، بهتر عمل می‌كند.

 از طرف دیگر، وجود یك توربین درون اگزوز، خود باعث ایجاد فشار در تخلیه دود موتور می‌شود. از سوی دیگر به دلیل كم بودن فشار گازهای خروجی از اگزوز در دورهای پایین موتور، عملاً توربوشارژرها در دورهای پایین كارایی ندارند. این مورد باعث ایجاد تأخیر از زمان فشردن پدال گاز تا به كار بردن توربوشارژر می‌شود. به این تأخیر، Turbo Lag یا كاستی قدرت گفته می‌شود. البته این مورد با استفاده از دو توربین در مدل‌هایی از تویوتا، مزدا، سوبارو، آئودی و مرسدس، تا حدودی حل شده است.

 مشكل دیگر در مواردی بروز می‌كند كه كمپرسور توربین، كوچك باشد. گرمای پروانه درون اگزوز به قسمت هوای ورودی منتقل شده و باعث گرم شدن بیشتر هوا می‌شود (فشرده شدن هوا نیز باعث افزایش حرارت آن می‌شود). از آنجا كه هوای خنك برای سوختن در خودرو مناسب‌تر است، استفاده از یك اینتركولر در این سیستم‌ها ضروری است. در سوپرشارژرها نیز قبل از ورود هوا به سیلندرها از اینتركولر استفاده می‌شود. در گذشته، عملاً بیشتر توربوشارژر در خودروهای دیزلی استفاده می‌شد و در مورد موتورهای بنزینی تنها در مدل‌هایی از پورشه، ساآب و خودروی مسابقه‌ای، مورد استفاده قرار می‌گرفت. با پیشرفت علم و تكنولوژی و تغییرات جدید در این سیستم، خودروسازان در سال‌های اخیر برای موتورهای بنزینی خود به این سیستم روی آورده‌اند. از آن جمله به نظر می‌رسد رویكرد جدید مرسدس بنز، استفاده از توربوشارژر باشد زیرا در لیست موتور مدل‌های سری A و B جدید این شركت، موتورهای بنزینی Turbo200 خودنمایی می‌كنند.

در مقابل، سوپرشارژر كه چند سالی است در كلاس‌های SLR,E,C و SLK مرسدس و همچنین مینی‌كوپرها دیده می‌شود، به دلیل تأمین نیروی چرخنده از موتور، در هر لحظه با فشردن پدال در هر دور موتور قدرت لازم را به راننده ارائه می‌دهد. این سیستم همواره و در هر حالتی فعال است، یعنی زمانی كه خودرو در جا كار می‌كند و یا با سرعت كم حركت می‌كند، سوپرشارژر فعال می‌باشد. این مشكل، در سال‌های اخیر توسط مرسدس و با افزودن یك هرزگرد در پولی كمپرسور، حل شده است. مبحث كاهش قدرت موتور به خاطر تأمین نیروی كمپرسور سوپرشارژر نیز صحیح است، اما قدرتی كه این سیستم تولید می‌كند، به مراتب بیشتر از نیرویی است كه از موتور می‌گیرد و یا به اصطلاح هدر می‌دهد.

در هر شكل، مشكلات این دو سیستم طی سال‌های گذشته، در حال برطرف شدن است، اما به نظر می‌رسد آینده از آن سیستم‌هایی باشد كه نیروی توربین خود را به صورت الكتریكی تأمین می‌كنند. این سیستم‌ها هم اینك با نام سوپرشارژر برای تیونینگ خودروها به كار برده می‌شوند.

نتیجه اینكه سوپرشارژرها به علت مزایای بیشتری كه نسبت به توربوشارژرها دارند، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. این قابلیت‌ها و مزیت‌ها عبارتند از:

- میزان تأخیر در سوپرشارژرها كمتر است. یعنی زمانی كه پدال گاز را فشار می‌دهیم تا زمانی كه واكنش مناسبی از موتور دریافت كنیم در سوپرشارژرها كمتر است، اما در توربوشارژرها این میزان تأخیر به سبب مكانیزم عملكرد آن كه از گاز خروجی از اگزوز برای چرخاندن توربین استفاده می‌شود، بیشتر است كه در سوپرشارژرها هیچ تأخیری به این دلیل كه حركت خود را مستقیماً از میل‌لنگ موتور می‌گیرند، وجود ندارد.

- سوپرشارژرها در دور موتور پایین‌تر بازده بیشتری دارند. این امر باعث داشتن توان بیشتر در دور موتور پایین‌تر می‌شود. سوپرشارژرهای گریز از مركز كه دارای بیشترین بازده هستند، در دور موتور بالاتر توان بیشتری فراهم می‌كنند.

- نصب و راه‌اندازی توربوشارژر، به تغییرات گسترده و نصب قطعات مختلف روی سیستم تخلیه گاز خروجی از اگزوز نیاز دارد، اما  سوپرشارژرها روی موتور یا كنار آن نصب می‌شوند. ارزان‌تر بودن، نصب آسان و تعمیر ساده، از دیگر مزایای استفاده از سوپرشارژرها، است.

- سوپرشارژرها بی‌نیاز از روغن‌كاری هستند، اما توربوشارژرها به مكانیزم روغنكاری نیاز دارند. توربوشارژرها نیاز به خنك شدن دارند و از روغنكاری و CoolDown استفاده می‌كنند. در كل، می‌توان نتیجه گرفت كه در دمای یكسان، سوپرشارژرها عملكرد مناسب‌تری دارند.

- یكی از بزرگترین معایب سوپرشارژرها، محدودیت در مشخصه‌های فنی آنهاست. یعنی آنها تا حد معین و محدودی می‌توانند فشار هوا و در نهایت توان موتور را بالا ببرند زیرا میل‌لنگ كه عامل حركت آنهاست مقداری از توان موتور را مصرف می‌كند و مقداری انرژی تلف شده وجود خواهد داشت، سوپرشارژرها حدود 20 درصد از توان خروجی موتور را می‌گیرند اما در حالت بهینه كاركرد، حدود 46 درصد توان موتور را ارتقا می‌دهند.

در ضمن، به دلیل عملكرد مكانیزم و واكنش‌های داخلی سوپرشارژر، تنش اضافه‌ای به موتور وارد می‌شود. با وجود معایبی كه در مورد سوپرشارژرها ذكر شد، كماكان استفاده از آنها به دلیل عملكردی كه در افزایش توان موتور دارند و از نظر اقتصادی نیز به صرفه می‌باشند ، رایج است.

 



نوشته شده توسط:مهندس سعید ابوالحسنی

ویرایش:سه شنبه 3 فروردین 138906:51 ب.ظ

آرشیو

آخرین پستها

نویسندگان

لینکدونی

نظرسنجی

  • نظرتان درباره وبلاگ چیست





آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :

جستجو