فاعل، موضوع:
- عملیات
- سوراخ توربو
- توربو دوقلو
- تری توربو
- توربو اسکرول دوقلو
- توربو هندسه متغیر
- شیر تخلیه
- ضایعات
- اینترکولر
- ویژگی کمپرسور (سرج و چوکلین)
- توربو و کمپرسور ترکیبی
- توربو الکترونیکی
کار کردن:
گازهای خروجی اگزوز از سیلندرها از منیفولد اگزوز به توربو تغذیه می شود. فشار گاز خروجی باعث چرخش چرخ توربین می شود (گازهای قرمز). سپس گازهای خروجی توربو را از طریق همان چرخ توربین به سمت اگزوز ترک می کنند. چرخ کمپرسور توسط یک شفت (گازهای آبی) به حرکت در می آید. چرخ کمپرسور هوا را از کناری (جایی که فیلتر هوا نشان داده شده است) می مکد و آن را تحت فشار (از طریق فلش آبی) از طریق شیلنگ توربو به داخلی. اینترکولر هوای فشرده را خنک می کند (موتور با هوای خنک تر عملکرد بهتری دارد). سپس هوا وارد منیفولد ورودی می شود.
هنگام استفاده از یک توربو، هوای بیشتری در طول کورس مکش وارد سیلندرها می شود تا با موتورهای تنفس طبیعی، که فقط به دلیل حرکت پیستون به سمت پایین به داخل سیلندرها وارد می شود. با تامین هوای بیشتر به سیلندرها از این طریق و افزودن سوخت بیشتر، توان بیشتری در دسترس خواهد بود.
فشار توربو توسط سنسور فشار شارژ. فشار توربو بر اساس سیگنالی که این سنسور به ECU ارسال می کند تنظیم می شود.
توربو تا حد امکان نزدیک به منیفولد اگزوز نصب می شود. گاهی اوقات منیفولد و توربو به صورت یکپارچه طراحی می شوند. توربو باید تا حد امکان نزدیک به سر سیلندر نصب شود، زیرا سرعت گازهای خروجی تا حد امکان کاهش می یابد و فشار کمتری از دست می رود.
تاخیر توربو:
توربوهای قدیمی اغلب از تأخیر بدنام توربو رنج می برند. توربو روی گازهای خروجی موتور کار می کند. اگر پدال گاز را یکباره تا انتها فشار دهید، موتور در سرعت کم به هوای زیادی نیاز دارد، اما در آن لحظه هنوز توربو باید از گازهای خروجی اگزوز شروع به کار کند. توربو هنوز فشار کافی را تامین نمی کند. تنها زمانی که موتور به سرعت بالاتری رسیده باشد، توربو به درستی راه اندازی می شود. این معمولاً در حدود 2000 دور در دقیقه اتفاق می‌افتد و به دلیل شتاب‌گیری بیشتر خودرو قابل توجه است.
این تاخیر توربو به عنوان یک نقطه ضعف بزرگ در نظر گرفته می شود. در نتیجه بسیاری از مردم طرفدار یکی هستند کمپرسور مکانیکی. این به طور مداوم کار می کند، زیرا مستقیماً توسط میل لنگ هدایت می شود و بنابراین همیشه با همان سرعت چرخش موتور حرکت می کند. هنگامی که شما شتاب می گیرید، یک کمپرسور فوراً فشار را از سرعت دور آرام تامین می کند. توربوهایی که امروزه در خودروها ساخته می شوند، تا حدودی به لطف توربوی متغیر، کمتر تحت تأثیر این موضوع قرار می گیرند.
توربو دوقلو:
اضافه شدن "توین توربو" نشان دهنده وجود دو توربو است. این 2 توربو را می توان در 1 ردیف سیلندر یا 1 توربو در هر ردیف سیلندر در کنار یکدیگر قرار داد. این به راننده می‌دهد از گشتاور بیشتر در سرعت‌های پایین، عملکرد بهتر در محدوده سرعت بالا و ویژگی موتور نرم‌تر بهره‌مند شود. در سرعت‌های پایین، هوا توسط یک توربو کوچک به موتور می‌رسد و در سرعت‌های بالاتر، توربو بزرگتر عملکردی می‌شود. توربو بزرگتر تاخیر توربو بیشتری دارد، زیرا برای شروع به هوای بیشتری نیاز دارد، اما توربو کوچک این مشکل را لغو می کند.
چهار تصویر زیر شرایطی را که در آن هر دو توربو کار می کنند، یا زمانی که تنها یکی از این دو کار می کند، توصیف می کند. چهار دایره سیلندرها، قسمت های قرمز و آبی گازهای خروجی و هوای ورودی هستند. اینترکولر "IC" مشخص شده است.
دور موتور کم و بار کم موتور:
در سرعت های کمتر از 1800 دور در دقیقه جریان حجم کمی از گاز خروجی وجود دارد. حجم کم امکان استفاده از توربو کوچک را فراهم می کند. دریچه بین منیفولد اگزوز و توربو بزرگ بسته است. بنابراین گاز خروجی تنها از توربو کوچک به توربو بزرگ منتقل می شود. توربو بزرگ در حال حاضر در حال افزایش است. این یک اتصال سری است، زیرا از هر دو توربو استفاده می شود.
سرعت متوسط موتور و بار متوسط:
بین 1800 تا 3000 دور در دقیقه سوپاپ بین منیفولد اگزوز و توربو بزرگ باز می شود. در حال حاضر، هر دو توربو مستقیماً توسط گازهای خروجی از موتور هدایت می شوند. این نیز یک اتصال سری است، زیرا از هر دو توربو استفاده می شود.
سرعت موتور بالا و بار زیاد:
بیش از 3000 دور در دقیقه، جریان حجمی گاز اگزوز برای توربو کوچک بسیار زیاد می شود. توربو خاموش است تا از به اصطلاح "خط چوکی" عبور نکند (به بخش مشخصات کمپرسور در پایین صفحه مراجعه کنید). دریچه ضایعات توربو کوچک باز می شود، به طوری که تمام گازهای خروجی که به توربو تغذیه می شود، به سمت توربو هدایت می شود. سپس گاز خروجی به چرخ کمپرسور نمی رسد.
توربو بزرگ به طور کامل با گاز اگزوز عرضه می شود. دریچه باز می ماند، به طوری که توربو بزرگ می تواند به سرعت بالایی برسد و بنابراین مقدار زیادی هوای ورودی را به منیفولد ورودی منتقل می کند.
تری توربو:
امروزه موتورهای "تری توربو" نیز ساخته می شوند. بر روی این موتورها سه توربو نصب شده است تا حداکثر سطح پر شدن را در هر محدوده سرعتی به دست آورد. بی ام و از فناوری سه توربو، در میان سایرین، M550d استفاده می کند. دو توربو کوچک از هندسه متغیر استفاده می کنند، بنابراین برای سرعت های پایین و بالا مناسب هستند. بسته به سرعت، توربو برای واکنش بهتر تنظیم می شود. توربو بزرگ از ضایعات استفاده می کند.
دو وضعیت در زیر توضیح داده شده است که نشان می دهد کدام توربو در چه زمانی کار می کند.
دور موتور کم و بار کم:
فقط یکی از دو توربو کوچک رانده می شود. با توجه به اندازه توربو، به سرعت قرقره می شود. توربو کوچک گاز خروجی را به توربو بزرگ منتقل می کند. این در حال حاضر توربو بزرگ را راه اندازی می کند.
سرعت و بار موتور متوسط و زیاد:
هر دو توربو کوچک رانده می شوند. دو توربو کوچک توربو بزرگ را به حرکت در می آورند. این به حداکثر فشار بوست در تمام سرعت های متوسط و بالا دست می یابد.
توربو اسکرول دوقلو:
هنگامی که چندین گاز خروجی در منیفولد اگزوز با هم جمع می شوند، مشکلات تداخلی ممکن است ایجاد شود. امواج فشار مانع یکدیگر می شوند. با توربو Twin-scroll، گازهای خروجی از یکدیگر جدا شده و در دو کانال به داخل توربو هدایت می شوند. گازهای خروجی از سیلندرهای 1 و 2 در منیفولد ورودی به هم نمی رسند، بلکه مستقل از یکدیگر به چرخ توربین برخورد می کنند. استفاده از توربو اسکرول دوقلو منجر به پاسخ سریعتر دریچه گاز و راندمان بالاتر می شود. تصویر زیر نشان می دهد که گازهای خروجی از سیلندرهای 1 و 4 با هم و گازهای خروجی از سیلندرهای 2 و 3 به هم می رسند.
در یک توربو معمولی، گازهای خروجی در منیفولد اگزوز با یکدیگر تماس پیدا می کنند. ما به این "تداخل" می گوییم. تصویر زیر پالس های فشار ایجاد شده در منیفولد اگزوز یک سیلندر را نشان می دهد.
از آنجایی که ما با همپوشانی سوپاپ ها سر و کار داریم (دریچه های ورودی و خروجی هر دو در هنگام تغییر از کورس اگزوز به کورس ورودی باز هستند)، فشارهای منفی نیز ایجاد می شود (کمتر از فشار اتمسفر). با همپوشانی سوپاپ، گازهای خروجی به جذب هوای تازه به داخل محفظه احتراق و خروج گازهای خروجی باقی مانده کمک می کند. این باعث می شود که شانه احتراق با اکسیژن بیشتری تامین شود، به طوری که راندمان حجمی افزایش می یابد.
وقتی به فشارهای منیفولد اگزوز یک موتور چهار سیلندر نگاه می کنیم، تداخل زیادی را می بینیم. هر پالس مثبت به دلیل فشار منفی ناشی از همپوشانی دریچه، کمتر می شود. این یک نقطه ضعف تاخیر توربو است (زمان واکنش برای چرخش)
استفاده از توربو دوقلو زمان پاسخگویی را بهبود می بخشد، زیرا گازهای خروجی از سیلندرهای 1+4 و 2+3 جدا می شوند. پالس ها بسیار قوی تر هستند زیرا در آن لحظه تحت تأثیر پالس های منفی قرار نمی گیرند. بنابراین سازنده می‌تواند زمان همپوشانی سوپاپ را برای دستیابی به راندمان حجمی بالاتر نیز افزایش دهد.
توربو هندسه متغیر:
یک توربو با ضایعات از تاخیر توربو رنج می برد. تنها زمانی که موتور تعداد دور معینی بچرخد، توربو با گازهای خروجی کافی برای راه اندازی عرضه می شود. یک توربو هندسه متغیر فاقد ضایعات است، اما دارای پره های قابل تنظیم در کانال اگزوز است. این تیغه ها را می توان با چرخاندن یک حلقه تنظیم تنظیم کرد. این حلقه تنظیم با استفاده از خلاء چرخانده می شود. مقدار خلاء مورد نیاز توسط یک شیر برقی (شیر برقی) بر اساس بار موتور و دور موتور تامین می شود که توسط ECU کنترل می شود.
با تنظیم تیغه ها می توان جریان هوا را هدایت کرد. به دلیل تغییر در جریان هوا، توربو می تواند در سرعت های پایین موتور، از جمله فشار گاز خروجی کمتر، با سرعت بالاتری کار کند. موقعیت تیغه ها مقدار گاز خروجی را که می تواند به داخل جریان یابد محدود می کند. برای اینکه بتوانید در سرعت های بالاتر حرکت کنید، تیغه ها با دور موتور بالاتر به سمت داخل تنظیم می شوند. فشار پر شدن بالا را می توان در هر دو سرعت کم و بالا به دست آورد. این تضمین می کند که توربو در یک محدوده سرعت گسترده به طور بهینه عمل می کند، زیرا موتور همان فشار بوست را در سرعت پایین دریافت می کند که در سرعت های بالاتر دریافت می کند.
شیر تخلیه:
شیر تخلیه همچنین "شیر دمنده" نامیده می شود. سوپاپ تخلیه روی یک شیلنگ توربو نصب شده است، جایی که هوا از توربو به سمت ورودی موتور هدایت می شود. هنگام شتاب گیری، توربو یک خودروی سواری می تواند به 200.000 چرخش در دقیقه برسد. در آن سرعت به حداکثر فشار شارژ می رسد. هنگامی که پدال گاز به یکباره رها می شود، فشار هوای زیادی در سمت ورودی موتور وجود دارد، اما دریچه گاز بسته است.
بدون شیر تخلیه، یک فشار برگشتی به سمت توربو ایجاد می‌شود که باعث می‌شود هوای شارژ عرضه‌شده به سرعت سرعت توربو را کاهش دهد. وقتی دوباره شتاب می گیرید، زمان زیادی طول می کشد تا توربو به سرعت خود بازگردد. شیر تخلیه از این امر جلوگیری می کند. هنگامی که گاز آزاد می شود، مقدار مشخصی از هوای عرضه شده را خارج می کند. سپس هوای اضافی از سیستم ورودی ناپدید می شود. پره‌های توربو کند نمی‌شوند و بنابراین با شتاب گرفتن مجدد گاز، سریعتر شروع به کار خواهند کرد. دریچه تخلیه بلافاصله پس از دمیدن هوای عرضه شده بسته می شود. برخلاف آنچه بسیاری از مردم فکر می کنند، شیر تخلیه قدرت بیشتری را ارائه نمی دهد.
هنگامی که گاز در هنگام شتاب گیری در خودروی توربو آزاد می شود، سوپاپ تخلیه صدای معمولی دمیدن را ایجاد می کند.
Wastegate:
روی هر توربو بدون پره های متغیر، یک ضایعات نصب می شود. ضایعات تضمین می کند که فشار در محفظه توربین (یعنی در سمت اگزوز) خیلی زیاد نمی شود. هنگامی که توربو در حال کار است و فشار زیاد می شود، دریچه زباله بسته می شود. تمام هوایی که در طول کورس اگزوز از سیلندرها خارج می شود در واقع برای به حرکت درآوردن چرخ توربین استفاده می شود. این به حداکثر فشار پر شدن می رسد.
با این حال، در حالت دور آرام، نیازی به فشار تقویت کننده نیست. در آن لحظه دریچه زباله باز می شود. برخی از گازهای خروجی به اگزوز منحرف می شوند. می تواند مستقیماً به سمت اگزوز جریان یابد. Wastegate اساساً یک سوپاپ بین منیفولد اگزوز و اگزوز موتور است. تمام هوایی که از طریق ضایعات جریان می یابد از توربو عبور نمی کند. بنابراین اصولاً از انرژی موجود استفاده نمی شود. بنابراین می توان نام زباله را نیز توضیح داد. "ضایعات" انگلیسی به معنای "از دست دادن" است.
دریچه زباله نیز با رسیدن به سرعت معین باز می شود. هنگام شتاب گیری، توربو باید سریع سرعت بگیرد، اما زمانی که توربین از جمله چرخ کمپرسور به سرعت معینی رسید، این سرعت باید ثابت نگه داشته شود. با باز کردن دریچه زباله با این سرعت می توان گاز خروجی اضافی را مستقیماً به سمت اگزوز هدایت کرد. سرعت توربو را می توان با تنظیم زاویه باز شدن ضایعات کنترل کرد. ECU بر اساس داده ها تنظیم می کند سنسور فشار شارژ میزان کنترل زباله.
اینترکولر:
دمای هوای فشرده می تواند بسیار گرم شود (بیش از 60 درجه سانتیگراد). برای احتراق بهتر هوا نیاز به خنک شدن دارد. اینترکولر از آن مراقبت می کند. اینترکولر یک قسمت جداگانه است و بنابراین در صفحه دیگری به تفصیل توضیح داده شده است. صفحه را ببینید داخلی.
ویژگی کمپرسور (سرج و چوکلین)
هنگام طراحی یک موتور، اندازه توربو باید در نظر گرفته شود. تطبیق اندازه توربو با موتور "تطبیق" نامیده می شود. اگر توربو خیلی بزرگ باشد، یک «شکاف توربو» بزرگ ایجاد می‌شود. توربو با سرعت کمتری راه اندازی می شود زیرا محفظه توربین برای مقدار کم گازهای خروجی بسیار بزرگ است. تنها در سرعت‌های بالاتر، توربو به سرعت بالا می‌رود و می‌تواند فشار بالا را تحویل دهد. اگر توربو خیلی کوچک باشد، تاخیر توربو تقریباً وجود نخواهد داشت. چرخ توربین به سرعت با مقدار کمی گاز خروجی راه اندازی می شود. فشار توربو بالا در حال حاضر در سرعت های پایین به دست می آید. نقطه ضعف این است که در سرعت های بالاتر مقدار گاز خروجی برای این توربو کوچک بسیار زیاد است. گاز اگزوز بیشتر از آنچه در توربو جا می شود وجود دارد. در این صورت دریچه زباله باید زودتر باز شود و گازهای خروجی زیادی را منحرف کند. ضایعات ترجمه‌ای برای «از دست دادن» است که در اینجا نیز صدق می‌کند. گازهای خروجی از اگزوز که از طریق دریچه ضایعات جریان می‌یابند، به رانندگی توربو کمکی نمی‌کنند.
بنابراین اندازه توربو برای طراحی موتور بسیار مهم است. در طول طراحی به هر توربو یک ویژگی کمپرسور داده شده است. مشخصه کمپرسور را می توان برای تعیین مناسب بودن آن برای یک موتور خاص استفاده کرد. تصویر زیر نمونه ای از مشخصه کمپرسور را نشان می دهد.
نسبت فشار P2/P1 (روی محور Y) نسبت بین ورودی (P1) و خروجی توربو (P2) است. فشار بعد از چرخ توربین همیشه کمتر از قبل است. نسبت فشار (بدون ابعاد) 2,0 به این معنی است که فشار قبل از چرخ توربین دو برابر بیشتر از فشار پس از چرخ توربین است. ضریب جریان حجمی (در محور X) مقدار هوایی است که در توربو جریان می یابد. خطوط منحنی و افقی نشان دهنده سرعت شفت توربو است.
شکل نشان می دهد که خط قرمز خط موج و خط آبی خط چوک است. جراحي كه حد پمپ نيز ناميده مي شود، حدي است كه سرعت چرخ كمپرسور خيلي كم است. جراحي محدوديت جريان هوا به دليل كوچك بودن چرخ كمپرسور است. نسبت فشار خیلی زیاد و جریان حجمی خیلی کم است. هوا دیگر توسط کمپرسور مکش نمی شود، بنابراین متوقف می شود و بعداً سرعت خود را از سر می گیرد. این جریان ناپایدار هوا باعث نوسانات فشار و ضربان در مجرای ورودی می شود. ضربان را "سرخ" کمپرسور نیز می نامند. از این رو نام "جراحی" است. جریان هوا به جلو و عقب باعث ایجاد نیروهای زیادی می شود که می تواند توربو را اضافه بار کند. تیغه های چرخ کمپرسور می توانند شکسته شوند و یاتاقان ها بیش از حد بارگذاری شوند.
چوکلین محدودیت دیگری است که کمپرسور نباید از آن تجاوز کند. در اینجا حداکثر جریان حجمی در نسبت فشار کم رخ می دهد. قطر محفظه کمپرسور حداکثر دبی حجمی را تعیین می کند. وقتی از چوکلین فراتر رفت، چرخ کمپرسور برای کنترل جریان حجم (بزرگتر) خیلی کوچک است. در نتیجه مقدار زیادی از قدرت موتور از بین می رود. به چوکلین "چوک بیش از حد چرخش" نیز می گویند.
شکل مشخصه کمپرسور را با موتور در بار جزئی نشان می دهد. موتور باید کمترین مصرف سوخت را در بار جزئی داشته باشد. کمترین مصرف سوخت ویژه با کوچکترین جزیره به دست می آید. دریچه زباله فشار را طوری تنظیم می کند که مستقیماً از جزیره میانی عبور کند. در ابتدا دریچه زباله بسته می شود تا فشار توربو افزایش یابد. سیستم مدیریت موتور همانگونه که با خط سبز در تصویر نشان داده شده است، دریچه زباله را باز می کند. سرعت شفت توربو بین 8000 تا 9000 دور در دقیقه است.
هنگام رانندگی در کوهستان، ارتفاع جغرافیایی بیشتری وجود دارد. هوا آنجا رقیق تر است این بر عملکرد توربو تأثیر می گذارد، زیرا هوای رقیق تر حاوی اکسیژن کمتری است که باعث کاهش فشار کمپرسور می شود. نسبت فشار، از جمله سرعت کمپرسور، باید افزایش یابد تا به فشار پر شدن نهایی برسد. این وضعیت در شکل قابل مشاهده است.
خط سبز وضعیت بار قطعه را هنگام رانندگی در سطح دریا و خط نارنجی هنگام رانندگی در کوهستان را نشان می دهد. با توجه به هوای رقیق تر، سرعت کمپرسور به 100000 دور در دقیقه افزایش می یابد.
سرعت بیشتر کمپرسور باعث افزایش دمای هوای ورودی به موتور نیز می شود. بنابراین اینترکولر باید گرمای بیشتری را دفع کند. اکنون تفاوت را می توان در مصرف سوخت نیز مشاهده کرد. در کوهستان، مصرف سوخت به دلیل نسبت فشار بیشتر P2/P1 و سرعت بیشتر توربو افزایش می یابد.
ترکیب توربو و کمپرسور:
امروزه خودروسازان به طور فزاینده ای ترجیح می دهند موتور را به توربو و کمپرسور مجهز کنند. توربو اغلب دارای اندازه بزرگتر است و مجهز به دروازه زباله است. کمپرسور از تاخیر توربو جلوگیری می کند. در دورهای پایین موتور، کمپرسور فشار بوست را فراهم می کند و توربو را راه اندازی می کند. در سرعت های بالاتر، توربو قدرت را به دست می گیرد.
هوای فشرده از طریق کمپرسور یا شیر بای پس به توربو و از طریق توربو از طریق اینترکولر به منیفولد ورودی می رود.
برای اطلاعات بیشتر در مورد کمپرسور Roots اینجا را کلیک کنید.
توربو الکترونیکی:
یک توربو معمولی از تاخیر توربو در سرعت های پایین رنج می برد، زیرا گازهای خروجی اگزوز برای به حرکت درآوردن چرخ توربین مورد نیاز است. یک کمپرسور از این مشکل رنج نمی برد و فشار شارژ را از سرعت دور آرام تامین می کند. ترکیبی از این دو ایده آل به نظر می رسد. با این حال، یک کمپرسور مکانیکی Roots باید توسط میل لنگ هدایت شود. انرژی در این فرآیند از بین می رود. بنابراین سازندگان خودرو در حال آزمایش چندین توربو گاز اگزوز یا توربوهای الکتریکی هستند تا از تاخیر توربوی توربو گاز اگزوز جلوگیری کنند.
توربو الکتریکی توسط واحد کنترل موتور کنترل می شود. چرخ کمپرسور تنها در 250 میلی ثانیه به سرعت کمتر از 70.000 دور در دقیقه می رسد. موتور الکتریکی در توربو چرخ کمپرسور را به حرکت در می آورد. چرخ کمپرسور هوای ورودی را تحت فشار به چرخ کمپرسور توربو گاز اگزوز منتقل می کند. چرخ کمپرسور با موتور الکتریکی خیلی سریع به بالا می چرخد در حال تبدیل شدن است کنترل می شود.
با کمک توربو الکتریکی، موتور رفتار واکنش سریع تری دارد.در سرعت های بالاتر، جایی که توربو گاز اگزوز قادر به ارائه فشار بوست کامل است، توربو الکترونیکی خاموش می شود.
