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.

همان‌طور که می‌دانید با افزایش حجم هوا (اکسیژن) در داخل سیلندر، بعد از جرقه‌زنی شمع، انفجار قوی‌تری رخ می‌دهد که باعث بالا رفتن توان پیشرانه می‌شود. به همین دلیل برای بالا بردن حجم هوا قبل از مرحله تراکم در سیلندر، از توربو شارژ‌ر یا سایر روش‌ها استفاده می‌شود. توربو شارژر در واقع یک نوع مکنده پرقدرت هواست که جریان هوای ورودی به سیلندر را فشرده می‌کند و باعث می‌شود تا هوای بیشتری به سیلندرها وارد شود. توربو شارژر نسبت قدرت به وزن پیشرانه را افزایش می‌دهد، بدین صورت که از گازهای خروجی اگزوز یک توربین را که به یک کمپرسور متصل است می‌چرخاند. بد نیست بدانید توربین متصل به توربو شارژر با سرعت دورانی بیش از 150000 دور بر دقیقه می‌چرخد که حدودا 30 برابر بیشتر از حالت عادی دوران پیشرانه است.توربو شارژر از دو قسمت اصلی با نام‌های توربین و کمپرسور تشکیل شده است. همان‌طور که گفته شد توربو شارژر به خروجی اگزوز متصل است و گازهای خروجی از اگزوز باعث چرخش توربین می‌شوند. ازآنجا که توربین توسط یک شفت به کمپرسور متصل است، کمپرسور می‌چرخد و با مکش هوای بیرون، هوای فشرده شده را وارد سیلندر می‌کند. هرچه حجم گازهای ورودی به داخل توربین بیشتر باشد، سرعت دورانی آن نیز بیشتر می‌شود. در نتیجه هوای فشرده بیشتری نیز وارد سیلندر می‌شود. پس از این که مخلوط سوخت و هوای فشرده در داخل سیلندر متراکم شد، احتراق انجام می‌شود و انرژی زیادی تولید می کند که در نهایت به چرخ‌ها و زمین منتقل می‌شود. اما متراکم کردن هوای ورودی به سیلندر به تنهایی باعث افزایش توان پیشرانه نمی‌شود. با افزایش فشار و سرعت دوران، دما افزایش می‌یابد. در نتیجه هوایی که توسط توربوشارژ فشرده و وارد سیلندر می‌شود، داغ است و افزایش دما نیز باعث عدم تراکم مولکول‌های هوا می‌شود. این هوای داغ پس از ورود به سیلندر و فشرده شدن توسط پیستون باز هم گرم‌تر می‌شود. مشکل اصلی در این مرحله این است که اگر سوخت به داخل سیلندر پاشیده شود، پیش از وقوع احتراق توسط جرقه شمع، این عمل توسط هوای داغ ورودی انجام می‌شود که به آن احتراق زودرس یا خودسوزی می‌گویند و باعث ناک زدن (لگد زدن) پیشرانه می‌شود. برای جلوگیری از وقوع ناک زدن باید از سیستم خنک کننده استفاده کرد و تا حد ممکن هوای ورودی از کمپرسور را خنک کرد. به همین دلیل از یک نوع رادیاتور که معمولا جنسی از آلومینیوم دارد، استفاده می‌شود (هیت‌سینک CPU که آن هم جنسش از آلومینیوم است در تبادل گرمایی عمل مشابهی انجام می‌دهد). هوای داغ بعد از متراکم شدن در کمپرسور از این سیستم خنک کننده عبور داده می‌شود و دمای آن تا حد مطلوبی کاهش پیدا می‌کند. سپس هوای متراکم و خنک وارد سیلندر می‌شود و پدیده احتراق به صورت بهینه و قدرتمندتری صورت می‌پذیرد.

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 چرخاندن 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.

انواع توربو شارژر

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

توربو شارژر حلزونی ساده

اين 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 توربين می‌شوند و از ميان پره‌های توربين، سبب چرخش آن شده و سپس توربين را ترک و وارد اگزوز می‌شوند. همچنین در این نوع توربو، شارژر پره‌های کمپرسور یک انحنا دارند که تحت تاثير نيروی گريز از مرکز هوا را فشرده می‌کنند.

توربو شارژر حلزونی با افزاينده سرعت

اين نوع توربو شارژر يک حلزون و يک افزاينده سرعت دارد. گازهای خروجی وارد منيفولد دود شده سپس وارد حلزون می‌شوند اما به‌جای ورود مستقيم به توربين از پره‌های ثابت روی پوسته توربين عبور کرده و با زاويه زياد و انرژی بیشتری به پره‌های توربين برخورد می‌کنند.

توربو شارژر ضربانی

برای استفاده از توربو شارژر ضربانی وجود يک منيفولد دود از نوع ضربانی لازم است زيرا این نوع توربو شارژر از ضربات گازهای خروجی که از سيلندر خارج می‌شود، استفاده می‌کند و باعث افزايش سرعت توربو شارژر می‌شود. منيفولد ضربانی از هر سيلندر یک گذرگاه دارد که در انتها به دو کانال اصلی جداگانه تبديل می‌شوند. منيفولد برای اینکه از ضربات استفاده بيشتری کند، مقطع نسبتا کوچکی دارد زیرا در منيفولدهای بزرگ‌تر، اتلاف انرژی زیادی را شاهد هستیم.