المواضيع:
- Werking
- ثقب توربو
- التوأم توربو
- ثلاثي توربو
- توربو مزدوج التمرير
- توربو الهندسة المتغيرة
- صمام نفايات
- النفايات
- INTERCOOLER
- خاصية الضاغط (الارتفاع والخنق)
- مزيج توربو وضاغط
- توربو الكتروني
عملية:
يتم تغذية غازات العادم الخارجة من الأسطوانات من مجمع العادم إلى التيربو. يؤدي ضغط غاز العادم إلى دوران عجلة التوربين (الغازات الحمراء). ثم تترك غازات العادم التوربو عبر نفس عجلة التوربين إلى العادم. يتم تشغيل عجلة الضاغط عن طريق عمود (الغازات الزرقاء). تقوم عجلة الضاغط بشفط الهواء من الجانب (حيث يظهر فلتر الهواء) وتزويده تحت الضغط (عبر السهم الأزرق) عبر خرطوم التوربو إلى المبرد. يقوم المبرد الداخلي بتبريد الهواء المضغوط (يعمل المحرك بشكل أفضل مع الهواء البارد). ثم يدخل الهواء إلى مشعب السحب.
عند استخدام التوربو، يدخل المزيد من الهواء إلى الأسطوانات أثناء شوط السحب مقارنةً بمحرك السحب الطبيعي، والذي يتم سحبه فقط لأن المكبس يتحرك للأسفل. ومن خلال إمداد الأسطوانات بمزيد من الهواء بهذه الطريقة وإضافة المزيد من الوقود، ستتوفر طاقة أعلى.
يتم قياس ضغط التوربو بواسطة مستشعر ضغط الشحن. يتم ضبط ضغط التوربو بناءً على الإشارة التي يرسلها هذا المستشعر إلى وحدة التحكم الإلكترونية.
يتم تركيب التوربو في أقرب وقت ممكن بعد مشعب العادم. في بعض الأحيان يتم تصميم المشعب والتوربو كوحدة واحدة. يجب تركيب التيربو في أقرب مكان ممكن من رأس الأسطوانة، لأن سرعة غازات العادم تقل قدر الإمكان ويفقد أقل قدر ممكن من الضغط.
تأخر توربو:
غالبًا ما تعاني التوربينات الأقدم من تأخر التوربو السيئ السمعة. يعمل التيربو على غازات العادم الصادرة من المحرك. إذا تم الضغط على دواسة الوقود حتى النهاية دفعة واحدة، فإن المحرك يحتاج إلى الكثير من الهواء بسرعة منخفضة، ولكن في تلك اللحظة لا يزال يتعين على التوربو أن يبدأ من غازات العادم التي يتم إطلاقها. التوربو لا يوفر حتى الآن ما يكفي من الضغط. فقط عندما يصل المحرك إلى سرعة أعلى يبدأ تشغيل التوربو بشكل صحيح. يحدث هذا عادة عند حوالي 2000 دورة في الدقيقة ويمكن ملاحظته لأن السيارة تتسارع بشكل أكبر.
يُنظر إلى هذا التأخر التوربيني على أنه عيب كبير. ونتيجة لذلك، كثير من الناس يؤيدون واحدة ضاغط ميكانيكي. يعمل هذا باستمرار، لأنه يتم تشغيله مباشرة بواسطة العمود المرفقي وبالتالي دائمًا بنفس سرعة دوران المحرك. سيقوم الضاغط بتزويد الضغط على الفور من سرعة التباطؤ عند التسارع. تعتبر التوربينات التي يتم تصنيعها في السيارات اليوم أقل تأثراً بهذا، ويرجع الفضل في ذلك جزئيًا إلى التوربو المتغير.
التوأم توربو:
تشير إضافة "twin-turbo" إلى وجود توربينين. يمكن وضع هذين التوربينين بجانب بعضهما البعض على صف أسطوانة واحد، أو توربو واحد لكل صف أسطوانة. وهذا يمنح السائق فائدة عزم دوران أكبر عند السرعات المنخفضة، وأداء أفضل في نطاق السرعات العالية وشخصية محرك أكثر سلاسة. عند السرعات المنخفضة، يتم تزويد المحرك بالهواء عن طريق توربو صغير، وعند السرعات الأعلى، يصبح التوربو الأكبر فعالاً. التوربو الأكبر لديه تأخر توربو أكبر، لأنه يحتاج إلى المزيد من الهواء للانطلاق، ولكن يتم إلغاء هذا بعد ذلك بواسطة التوربو الصغير.
تصف الصور الأربع أدناه الحالات التي يعمل فيها كلا التوربينين، أو عندما يعمل أحدهما فقط. الدوائر الأربع هي الأسطوانات، والأجزاء الحمراء والزرقاء هي غازات العادم وهواء السحب. تم وضع علامة "IC" على المبرد الداخلي.
انخفاض سرعة المحرك وانخفاض حمل المحرك:
عند السرعات التي تقل عن 1800 دورة في الدقيقة، يوجد تدفق صغير الحجم لغاز العادم. الحجم الصغير يجعل من الممكن استخدام التوربو الصغير. الصمام الموجود بين مشعب العادم والتوربو الكبير مغلق. وبالتالي يتم نقل غاز العادم فقط من التوربو الصغير إلى التوربو الكبير. يتم بالفعل تسريع التوربو الكبير. هذا اتصال متسلسل، لأنه يتم استخدام كلا التوربينين.
سرعة المحرك المتوسطة والحمل المعتدل:
بين 1800 و3000 دورة في الدقيقة، يفتح الصمام الموجود بين مشعب العادم والتوربو الكبير. حاليًا، يتم تشغيل كلا التوربينين مباشرة بواسطة غازات العادم المنبعثة من المحرك. يعد هذا أيضًا اتصالًا متسلسلًا، لأنه يتم استخدام كلا التوربينين.
سرعة المحرك العالية والحمل العالي:
عند تجاوز 3000 دورة في الدقيقة، يصبح حجم تدفق غاز العادم كبيرًا جدًا بالنسبة للتوربو الصغير. يتم إيقاف تشغيل التوربو حتى لا يتم عبور ما يسمى بـ "خط الاختناق" (راجع الفصل الخاص بخصائص الضاغط في أسفل الصفحة). يتم فتح بوابة النفايات في الشاحن التوربيني الصغير، بحيث يتم توجيه جميع غازات العادم التي يتم تغذيتها إلى الشاحن التوربيني عبر الشاحن التوربيني. ثم لا يصل غاز العادم إلى عجلة الضاغط.
يتم تزويد التوربو الكبير بالكامل بغاز العادم. يظل الصمام مفتوحًا، حتى يتمكن التوربو الكبير من الوصول إلى سرعة عالية وبالتالي نقل الكثير من الهواء الداخل إلى مشعب السحب.
ثلاثي توربو:
وفي الوقت الحاضر، يتم تصنيع محركات "ثلاثية التوربو" أيضًا. يتم تركيب ثلاثة توربينات على هذه المحركات، بحيث يمكن تحقيق الحد الأقصى لمستوى التعبئة في كل نطاق سرعة. تستخدم BMW تقنية التوربو الثلاثي مع طراز M550d من بين أشياء أخرى. يستخدم التوربينان الصغيران هندسة متغيرة، لذا فهما مناسبان للسرعات المنخفضة والعالية. اعتمادًا على السرعة، يتم ضبط التوربو للحصول على استجابة أفضل. يستخدم التوربو الكبير بوابة النفايات.
تم وصف حالتين أدناه، تشيران إلى نوع التوربو الذي يعمل في أي وقت.
انخفاض سرعة المحرك والحمل المنخفض:
يتم تشغيل واحد فقط من التوربينين الصغيرين. نظرًا لحجم التيربو، يتم تخزينه بسرعة. يقوم التوربو الصغير بتمرير غاز العادم إلى التوربو الكبير. سيؤدي هذا بالفعل إلى بدء تشغيل التوربو الكبير.
سرعة المحرك المتوسطة والعالية والحمل:
يتم تشغيل كلا التوربينات الصغيرة. التوربينان الصغيران يقودان التوربو الكبير. وهذا يحقق أقصى ضغط معزز في جميع السرعات المتوسطة والعالية.
توربو مزدوج التمرير:
عندما تتجمع غازات العادم المتعددة معًا في مجمع العادم، يمكن أن تنشأ مشاكل التداخل؛ موجات الضغط تعيق بعضها البعض. مع توربو مزدوج التمرير، يتم فصل غازات العادم عن بعضها البعض وتوجيهها إلى التوربو في قناتين. غازات العادم من الأسطوانات 1 و 2 لا تتجمع معًا في مشعب السحب، ولكنها تضرب عجلة التوربين بشكل مستقل عن بعضها البعض. يؤدي استخدام توربو مزدوج التمرير إلى استجابة أسرع للخانق وكفاءة أعلى. الصورة أدناه توضح أن غازات العادم من الأسطوانتين 1 و 4 تتجمع معًا، وتلك من 2 و 3 تتجمع معًا.
مع التوربو التقليدي، تتلامس غازات العادم مع بعضها البعض في مجمع العادم. نحن نسمي هذا "التدخل". الصورة أدناه توضح نبضات الضغط الناتجة في مجمع العادم لأسطوانة واحدة.
نظرًا لأننا نتعامل مع تداخل الصمامات (يكون كل من صمامي الدخول والعادم مفتوحين أثناء التغيير من شوط العادم إلى شوط السحب)، يتم أيضًا إنشاء ضغوط سلبية (أقل من الضغط الجوي). مع تداخل الصمامات، تساعد غازات العادم على سحب الهواء النقي إلى غرفة الاحتراق وإبعاد غاز العادم المتبقي. وهذا يزود مشط الاحتراق بمزيد من الأكسجين، وبالتالي تزيد الكفاءة الحجمية.
عندما ننظر إلى الضغوط في مجمع العادم لمحرك رباعي الأسطوانات، نرى الكثير من التداخل. كل نبضة موجبة تصبح أقل ارتفاعاً بسبب الضغط السلبي الناتج عن تداخل الصمام. وهذا هو عيب التأخر التوربيني (زمن رد الفعل للتخزين المؤقت)
يؤدي استخدام التوربو المزدوج إلى تحسين زمن الاستجابة، لأن غازات العادم الصادرة من الأسطوانات 1+4 و2+3 منفصلة. النبضات أقوى بكثير لأنها لا تتأثر بالنبضات السلبية في تلك اللحظة. وبالتالي يمكن للشركة المصنعة أيضًا زيادة الوقت الذي يحدث فيه تداخل الصمام لتحقيق كفاءة حجمية أعلى.
توربو الهندسة المتغيرة:
توربو مع بوابة النفايات يعاني من تأخر توربو. فقط عندما يدور المحرك لعدد معين من الثورات، يتم تزويد التوربو بغازات عادم كافية لبدء التشغيل. لا يحتوي التوربو ذي الهندسة المتغيرة على بوابة نفايات، ولكن يحتوي على شفرات قابلة للتعديل في قناة العادم. يمكن تعديل هذه الشفرات عن طريق تدوير حلقة التعديل. يتم تدوير حلقة الضبط هذه عن طريق الفراغ. يتم توفير الكمية المطلوبة من الفراغ بواسطة صمام الملف اللولبي (صمام الملف اللولبي) بناءً على حمل المحرك وسرعة المحرك، والذي يتم التحكم فيه بواسطة وحدة التحكم الإلكترونية.
ومن خلال ضبط الشفرات، يمكن توجيه تدفق الهواء. ونظرًا للتغير في تدفق الهواء، يمكن للتيربو أن يعمل بالفعل بسرعة أعلى عند سرعات المحرك المنخفضة، بما في ذلك انخفاض ضغط غاز العادم. يحد موضع الشفرات من كمية غاز العادم التي يمكن أن تتدفق إلى الداخل. لكي تتمكن من العمل بسرعات أعلى، سيتم ضبط الشفرات للداخل عند سرعة أعلى للمحرك. يمكن تحقيق ضغط تعبئة عالٍ عند السرعات المنخفضة والعالية. وهذا يضمن أن يعمل التوربو على النحو الأمثل على نطاق واسع من السرعة، لأن المحرك سيتلقى نفس الضغط المعزز عند السرعة المنخفضة كما هو الحال عند السرعة الأعلى.
صمام نفايات:
ويسمى صمام التفريغ أيضًا "صمام النفخ". يتم تركيب صمام التفريغ على خرطوم توربو، حيث يتم تغذية الهواء من التيربو إلى جانب السحب في المحرك. عند التسارع، يمكن أن يصل التوربو في سيارة الركاب إلى 200.000 دورة في الدقيقة. وبهذه السرعة يتم الوصول إلى الحد الأقصى لضغط الشحن. عندما يتم تحرير دواسة الوقود مرة واحدة، يكون هناك وفرة من ضغط الهواء على جانب السحب في المحرك، ولكن صمام الخانق مغلق.
بدون صمام التفريغ، يتم إنشاء ضغط خلفي باتجاه التيربو، مما يتسبب في تقليل هواء الشحن المزود من سرعة التيربو بسرعة. عندما تقوم بالتسارع مرة أخرى، يستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى يعود التوربو إلى سرعته. صمام التفريغ يمنع ذلك. عندما يتم إطلاق الغاز، فإنه سوف ينفخ كمية معينة من الهواء الموردة. ثم يختفي الهواء الزائد من نظام السحب. لا يتم إبطاء شفرات التوربو، وبالتالي ستبدأ التشغيل بشكل أسرع عند تسريع دواسة الوقود مرة أخرى. يتم إغلاق صمام التفريغ فورًا عند نفخ الهواء المزود. على عكس ما يعتقده الكثير من الناس، فإن صمام التفريغ لا يوفر المزيد من الطاقة.
يُصدر صمام التفريغ صوت النفخ النموذجي عند إطلاق الغاز أثناء التسارع في سيارة مزودة بمحرك توربيني.
النفايات:
يتم تركيب بوابة النفايات على كل توربو بدون دوارات متغيرة. يضمن بوابة النفايات أن الضغط في مبيت التوربين (أي على جانب العادم) لا يصبح كبيرًا جدًا. عندما يكون التوربو قيد التشغيل ويتزايد الضغط، يتم إغلاق بوابة النفايات. يتم استخدام كل الهواء الذي يخرج من الأسطوانات أثناء شوط العادم في الواقع لقيادة عجلة التوربين. هذا يصل إلى الحد الأقصى لضغط التعبئة.
ومع ذلك، عند التباطؤ، لا يلزم زيادة الضغط. في تلك اللحظة يفتح باب النفايات. يتم تحويل بعض غازات العادم إلى العادم؛ يمكن أن تتدفق مباشرة إلى العادم. بوابة النفايات هي في الأساس صمام بين مشعب العادم وعادم المحرك؛ كل الهواء الذي يتدفق عبر بوابة النفايات لا يمر عبر التوربو. لذلك من حيث المبدأ لا يتم استخدام الطاقة المتاحة. وبالتالي يمكن أيضًا تفسير اسم بوابة النفايات؛ "النفايات" هي كلمة إنجليزية تعني "الخسارة".
يتم فتح بوابة النفايات أيضًا عند الوصول إلى سرعة معينة؛ عند التسارع، يجب أن يتسارع التيربو بسرعة، ولكن عندما يصل التوربين، بما في ذلك عجلة الضاغط، إلى سرعة معينة، يجب أن تظل هذه السرعة ثابتة. ومن خلال فتح بوابة النفايات بهذه السرعة، يمكن توجيه غاز العادم الزائد مباشرة إلى العادم. يمكن التحكم في سرعة التيربو عن طريق ضبط زاوية فتح بوابة النفايات. تنظم وحدة التحكم الإلكترونية بناءً على البيانات الواردة من مستشعر ضغط الشحن مدى السيطرة على النفايات.
المبرد:
يمكن أن تصبح درجة حرارة الهواء المضغوط دافئة جدًا (أكثر من 60 درجة مئوية). من أجل احتراق أفضل، يجب أن يبرد الهواء. المبرد الداخلي يعتني بذلك. يعتبر المبرد الداخلي جزءًا منفصلاً، وبالتالي يتم وصفه بالتفصيل في صفحة أخرى؛ انظر الصفحة المبرد.
خاصية الضاغط (الارتفاع والخنق)
عند تصميم المحرك يجب أن يؤخذ حجم التيربو بعين الاعتبار. إن مطابقة حجم التوربو مع المحرك تسمى "مطابقة". إذا كان التوربو كبيرًا جدًا، فستحدث "فجوة توربو" كبيرة. سيبدأ تشغيل التوربو بسرعة أقل لأن مبيت التوربين كبير جدًا بالنسبة لكمية غازات العادم المنخفضة. فقط عند السرعات الأعلى سيكون التوربو قادرًا على تحقيق السرعة ويكون قادرًا على توفير ضغط عالٍ. إذا كان التوربو صغيرًا جدًا، فسيكون التأخر التوربيني معدومًا تقريبًا. ستبدأ عجلة التوربين في العمل بسرعة بكمية صغيرة من غاز العادم. يتم تحقيق ضغط توربو مرتفع بالفعل عند السرعات المنخفضة. العيب هو أنه عند السرعات العالية تكون كمية غاز العادم كبيرة جدًا بالنسبة لهذا التوربو الصغير. يوجد غاز عادم أكثر مما يمكن احتواؤه في التوربو. وفي هذه الحالة، يجب أن يتم فتح بوابة النفايات مبكرًا وتحويل الكثير من غازات العادم. الهدر هو ترجمة لكلمة "الخسارة"، والتي تنطبق هنا أيضًا؛ لم تساهم غازات العادم المتدفقة عبر بوابة النفايات في دفع التوربو.
ولذلك فإن حجم التوربو مهم جدًا لتصميم المحرك. تم منح كل توربو خاصية الضاغط أثناء التصميم. يمكن استخدام خاصية الضاغط لتحديد ما إذا كان مناسبًا لمحرك معين. توضح الصورة أدناه مثالاً لخاصية الضاغط.
نسبة الضغط P2/P1 (على المحور Y) هي النسبة بين مدخل (P1) ومخرج التوربو (P2). يكون الضغط بعد عجلة التوربين دائمًا أقل من ذي قبل. نسبة الضغط (بدون أبعاد) البالغة 2,0 تعني أن الضغط قبل عجلة التوربين يكون ضعف الضغط بعد عجلة التوربين. عامل تدفق الحجم (على المحور السيني) هو كمية الهواء التي تتدفق عبر التوربو. تشير الخطوط الأفقية المنحنية إلى سرعة عمود التوربو.
يوضح الشكل أن الخط الأحمر هو خط الاندفاع والخط الأزرق هو خط الاختناق. إن خط التدفق، والذي يُطلق عليه أيضًا حد المضخة، هو الحد الذي تكون فيه سرعة عجلة الضاغط منخفضة جدًا. خط التدفق هو تقييد تدفق الهواء نظرًا لكون عجلة الضاغط صغيرة جدًا. نسبة الضغط مرتفعة جدًا وتدفق الحجم منخفض جدًا. لم يعد الضاغط يمتص الهواء، لذلك يتوقف ثم يستأنف سرعته لاحقًا. يتسبب تدفق الهواء غير المستقر في حدوث تقلبات في الضغط ونبضات في قناة السحب. يُطلق على النبض أيضًا اسم "ارتفاع" الضاغط. ومن هنا جاء اسم "Surgeline". يتسبب تدفق الهواء ذهابًا وإيابًا في حدوث قوى كبيرة يمكنها زيادة التحميل على التوربو. يمكن أن تنكسر شفرات عجلة الضاغط وتصبح المحامل محملة بشكل زائد.
يعتبر خط الاختناق حدًا آخر يجب ألا يتجاوزه الضاغط. هنا يحدث الحد الأقصى لتدفق الحجم عند نسبة ضغط منخفضة. يحدد قطر غلاف الضاغط الحد الأقصى لحجم التدفق. عندما يتم تجاوز خط الاختناق، تكون عجلة الضاغط صغيرة جدًا بحيث لا يمكنها التعامل مع تدفق الحجم (الأكبر). ونتيجة لذلك، يتم فقدان الكثير من قوة المحرك. يُطلق على خط الاختناق أيضًا اسم "الخنق الزائد".
يوضح الشكل خاصية الضاغط مع المحرك عند التحميل الجزئي. يجب أن يتمتع المحرك بأقل استهلاك للوقود عند التحميل الجزئي. يتم تحقيق أقل استهلاك محدد للوقود باستخدام أصغر جزيرة. ينظم بوابة النفايات الضغط بحيث يمر مباشرة عبر الجزيرة الوسطى. في البداية يتم إغلاق بوابة النفايات بحيث يزداد ضغط التوربو. يقوم نظام إدارة المحرك بفتح باب النفايات كما هو موضح بالخط الأخضر في الصورة. تتراوح سرعة عمود التوربو بين 8000 و 9000 دورة في الدقيقة.
عند القيادة في الجبال هناك ارتفاع جغرافي أكبر؛ الهواء أرق هناك. يؤثر هذا على تشغيل التيربو، لأن الهواء الرقيق يحتوي على كمية أقل من الأكسجين، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط على الضاغط. ويجب زيادة نسبة الضغط، بما في ذلك سرعة الضاغط، للوصول إلى ضغط التعبئة النهائي. يمكن رؤية هذا الوضع في الشكل.
يشير الخط الأخضر إلى حالة التحميل الجزئي عند القيادة على مستوى سطح البحر والخط البرتقالي عند القيادة في الجبال. ونظرًا للهواء الرقيق، ستزيد سرعة الضاغط إلى 100000 دورة في الدقيقة.
ستؤدي السرعة الأعلى للضاغط أيضًا إلى زيادة درجة حرارة الهواء الداخل المزود إلى المحرك. لذلك سيتعين على المبرد البيني تبديد المزيد من الحرارة. والآن يمكن رؤية الفرق أيضًا في استهلاك الوقود؛ في الجبال، سيزداد استهلاك الوقود بسبب ارتفاع نسبة الضغط P2/P1 وسرعة التوربو العالية.
مزيج من توربو وضاغط:
في الوقت الحاضر، يختار مصنعو السيارات بشكل متزايد تزويد المحرك بشاحن توربيني وضاغط. غالبًا ما يكون حجم التوربو أكبر ومجهزًا ببوابة النفايات. يعمل الضاغط على منع تأخر التوربو. عند سرعات المحرك المنخفضة، يوفر الضاغط ضغطًا معززًا ويبدأ تشغيل التوربو. عند السرعات الأعلى، يتولى التوربو المسؤولية.
يمر الهواء المضغوط عبر الضاغط أو الصمام الالتفافي إلى التوربو ومن خلال التوربو عبر المبرد الداخلي إلى مشعب السحب.
انقر هنا لمزيد من المعلومات حول ضاغط الجذور.
توربو إلكتروني:
يعاني التوربو التقليدي من تباطؤ التوربو عند السرعات المنخفضة، وذلك لأن غازات العادم ضرورية لدفع عجلة التوربين. لا يعاني الضاغط من هذا ويزود ضغط الشحن من سرعة التباطؤ. مزيج من الاثنين يبدو مثاليا. ومع ذلك، يجب أن يتم تشغيل ضاغط الجذور الميكانيكي بواسطة العمود المرفقي. يتم فقدان الطاقة في هذه العملية. لذلك يقوم مصنعو السيارات بتجربة توربينات غاز العادم المتعددة أو التوربينات الكهربائية لمنع التأخر التوربيني لتوربو غاز العادم.
يتم التحكم في التوربو الكهربائي بواسطة وحدة التحكم في المحرك. وفي 250 مللي ثانية فقط، تصل عجلة الضاغط إلى سرعة لا تقل عن 70.000 دورة في الدقيقة. يقوم المحرك الكهربائي الموجود في التوربو بتشغيل عجلة الضاغط. تقوم عجلة الضاغط بنقل الهواء الداخل تحت الضغط إلى عجلة الضاغط الخاصة بشاحن توربو غاز العادم. تدور عجلة الضاغط بسرعة كبيرة عند تشغيل المحرك الكهربائي هو خاضع للسيطرة.
بمساعدة التوربو الكهربائي، يتمتع المحرك بسلوك استجابة أسرع، وعند السرعات العالية، حيث يكون توربو غاز العادم قادرًا على توفير الضغط المعزز الكامل، يتم إيقاف تشغيل التوربو الإلكتروني.
