پر خورانی ( توربو شارژ)

دستگاه توربو شارژ (دستگاه پرخورانی توربینی ) ، توربینی است که با گاز اگزوز به حرکت در می آید و پروانه یک کمپرسور گریز از مرکز را به حرکت در می آورد . کمپرسور غالباً  بین صافی هوا و منیفولد ورودی موتور قرار می گیرد ، در حالی که توربین آن بین منیفولد خروجی و خفه کن اگزوز قرار می گیرد . دستگاه توربو شارژ هوای ورودی موتور را فشرده می کند و هوای بیشتری وارد سیلندر می نماید . این عمل موجب می گردد که موتور مقدار بیشتری سوخت را به طور موثر بسوزاند و در نتیجه قدرت زیادتری تولید می نماید.

تمام گازهای اگزوز از بدنه توربین عبور می کند . انبساط این گازها روی پروانه توربین تأثیر می گذارد و باعث چرخیدن آن می شود . پس از آن که گازها از توربین عبور کرد از طریق دستگاه اگزوز به هوای محیط راه می یابد . در بعضی از موارد ، دستگیه توربو شارژ آنقدر صدای گاز اگزوز را خفه دستگاه توربو شارژ به عنوان یک شعله گیر عمل می کند . برای مثال باید گفت که وزارت کشاورزی آمریکا دستگاه توربو شارژ را به عنوان  یک شعله گیر مناسب و موثر برای کارهای جنگلبانی می شناسد .

طرز کار

کمپرسور و توربین در داخل بدنه مخصوص به خود قرار دارند و توسط یک شافت مستقیما بهم متصل شده اند . بدنه ها از آلیاژهای سبک ساخته شده اند و برای حداکثر تبادل حرارت طراحی شده اند . تنها تلفات قدرتی که از توربین به کمپرسور وجود دارد اصطکاک مختصری است که بین شافت و یاتاقانهای آن موجود می باشد . هوا از راه صافی دستگاه ورود هوا وارد کمپرسور می شود و توسط پروانه کمپرسور فشرده می گردد و سپس به داخل منیفولد ورودی تخلیه می گردد . هوای اضافی وارد شده توسط کمپرسور ، امکان احتراق سوخت بیشتر و تولید قدرت بیشتر را فراهم می سازد .

سرعت موتور زیاد می شود ، زمان باز ماندن سوپاپ ورودی کاهش می یابد و برای پر شدن سیلندر از هوا زمان کمتری صرف می شود . در یک موتور که با سرعت 2500rpm کار می کند ، زمان باز ماندن سوپاپهای ورودی کمتر از 17% ثانیه می باشد . فشار هوای وارد شده به سیلندر در موتوری که بطور معمولی تنفس می کند از فشار جو کمتر می باشد . دستگاه توربو شارژ در تمام سرعتها هوا را با فشاری بیشتر از فشار جو وارد سیلندرها مینماید .

جریان گاز هر سیلندر بلافاصله پس از باز شدن سوپاپ خروجی برقرار می گردد .این عمل باعث پیدایش نوساناتی در فشار گاز موسوم به انرژی ضربه ، در ناحیه ورودی توربین می شود . با بدنه معمولی توربین تنها مقدار کمی از انرژی ضربه مورد استفاده قرار می گیرد .

برای استفاده بهتر از این ضربانها ، در یکی از طرحها یک تقسیم داخلی در محفظه توربین و منیفولد خروجی وجود دارد که گازهای اگزوز را به پروانه توربین هدایت می کند و برای هر یک از دو نیمه اگزوز سیلندر موتور یک مجرای مجزا وجود دارد .

در بعضی از موتورهای چهار سیلندر و شش سیلندر مجهز به توربو شارژ یک مجرای مجزا برای دو یا سه سیلندر جلو و یک مجرای مجزا برای دو یا سه سیلندر عقب وجود دارد . با استفاده از دستگاه اگزوز کاملاً مجزا همراه با بدنه توربین مضاعف ، نتیجه کار بدست آمدن گازهایی با سرعت زیاد و بسیار موثر خواهد بود . با این عمل سرعت توربین زیادتر می شود و فشار منیفولد ورودی به دست آمده هم از فشاری که با دستگاه بدون انشعاب می توان به دست آورد بیشتر خواهد بود .

در ارتفاعات زیاد ، یک موتور که بطور معمولی تنفس می کند بازاء هر1000فوت ارتفاع 3% از قدرت خود را در اثر کاهش 3% از جرم مخصوص بازاء هر 1000 فوت از دست می دهد .

در یک موتور مجهز به توربو شارژ هم با افزایش ارتفاع ، افت فشار دو سر توربین افزایش می یابد . فشار ورودی توربین ثابت می ماند ، ولی با افزایش ارتفاع ، فشار خروجی کاهش می یابد . وقتی اختلاف فشار افزایش  یابد سرعت توربین نیز زیاد می شود . پروانه کمپرسور هم سریعتر می چرخد و فشار ورودی موتور را حتی با کم شدن جرم ویژه هوا مانند فشاری که در سطح دریا تولید می کند نگه می دارد .

البته برای مقدار واقعی جبران کنندگی دستگاه توربو شارژ بر حسب ارتفاع نیز محدودیتهایی وجود دارد . این محدودیتها اصولاً نتیجه متغیر بودن  مقدار فشار کمکی و تناسب دستگاه توربو شارژ با موتور می باشد . برای منظور کردن اختلاف در جبران کردن ارتفاع ، یک جبران کننده ارتفاع به دستگاه افزوده شده است . در موقع افزایش سرعت با شتاب زیاد یا تغییر ناگهانی بار موتور ، سرعت توربو شارژ که به صورت فشار منیفولد تجلی می کند ، از قدرت یا سوخت مورد نیاز که با باز کردن دریچه گاز تعیین می گردد ، عقب می ماند . این عقب ماندگی در دستگاه سوخت وجود ندارد ، بنابر این در لحظات اولیه یک مخلوط غنی همراه با دود غلیظ به وجود می آید تا این که دستگاه توربو شارژ به آن برسد .

در موتورهای دیزل دو نوع جبران کننده ارتفاع به کار می رود . یکی از آنها نوع هوای فشرده می باشد که از نظر شکل ظاهری شبیه توربو شارژ می باشد . این نوع یک هوای فشرده با فشاری نزدیک به فشار همسطح دریا به داخل منیفولد ورودی می فرستد . در این طرح سوخت اضافی برای احتراق وجود ندارد و در نتیجه افزایش قدرتی هم وجود نخواهد داشت . ولی هوای اضافی فراهم شده توسط جبران کننده ارتفاع معمولاً بازده احتراق را افزایش می دهد که آن هم صرفه اقتصادی سوخت را افزایش و مقدار دود را کاهش می دهد .

نوع دوم یک دستگاه تاخیر است . عمل دستگاه تاخیر این است که در عکس العمل دستگاه سوخت یک تاخیر مساوی با تأخیر توربو شارژ ایجاد نماید، تا به این ترتیب مشکلات مربوط به مخلوط کنترل بشود و دود کردن از بین برود. دستگاه تأخیر در موتورهای دیزل و بعضی از موتورهای بنزینی به کار می رود.

سوخت از ناحیه خروجی پمپ وارد دستگاه تأخیر می شود و از داخل ناحیه سوپاپ یکطرفه استارت عبور می کند. در طرحهای دیگر این سوپاپ باید در لوله تغذیه قرار بگیرد. سوپاپ یکطرفه استارت از عبوردادن فرعی سوخت توسط دستگاه تأخیر در موقع روشن کردن موتور جلوگیری می نماید. در سرعت های بالاتر از سرعت استارت زدن، فشار سوخت سوپاپ یکطرفه را باز می کند و به سوخت اجازه می دهد که به دهانه سوپاپ شافت دستگاه تأخیر جریان یابد. شافت و مجرای آن یک سوپاپ جریان فرعی تشکیل می دهد. این شافت و مجرای آن یک مانع در راه جریان سوخت مشابه پمپ تزریق نوع فشار- زمان به وجود می آورد.

سوختی که از سوپاپ فرعی عبور می کند به ناحیه مکشی پمپ تزریق برمی گردد.

فشار منیفولد سوخت فرعی متناسب با شدت جریان سوخت فرعی می باشد. هنگامی که بازوی کنترل روی دستگاه تأخیر به پیچ تنظیم تکیه کند، شافت و غلاف سوخت را از مجرای فرعی عبور می دهد. مقدار سوخت فرعی با این پیچ که در کف بدنه دستگاه تأخیر قراردارد تنظیم می گردد. اهرم کنترل، که توسط شافت راه انداز به پیستون داخل بدنه دستگاه تأخیر متصل شده است. شافت را می چرخاند و دهانه سوپاپ را می بندد. این اهرم با فشار منیفولد در برابر پیستون و دیافراگم حرکت می کند. هر وقت که فشار منیفولد بالاتر از فشار هوای راه انداز موجود باشد، دستگاه تأخیر بطور موثر از دستگاه سوخت خارج می گردد. وقتی فشار از فشار تنظیم اولیه کمتر بشود، دستگاه تأخیر وارد دستگاه سوخت می شود.

در موتورهای بنزینی جدید اتومبیل و استانداردهای موکد کنترل آلودگی،تاخیر توربوشارژ توسط کنترل جرقه اصلاح شده و یا دستگاه تنظیم خلاء غنی کردن مخلوط منظور می گردد. دستگاه کنترل جرقه زمان بندی جرقه را برحسب نیاز تغییر می دهد و دستگاه تنظیم خلاء جریان خلاء در کاربوراتور را توسط یک مجرای غنی کننده مخلوط برای قدرت زیاد، تنظیم می نماید.

بعضی از موتورها مخصوصاً موتور اتومبیلهای سواری، که در آنها فشار کمکی باید در سطح پایین نگهداشته شود، دارای واحد دروازه ضایعات می باشند. نظر به اینکه توربوشارژر پیوسته به کار خود ادامه می دهد، کنترل نکردن کار آن باعث افزایش فشار کمکی فراتر از ظرفیت موتور خواهد شد. برای محدود نگهداشتن فشار کمکی باید از روش مناسبی استفاده بشود. روش اساسی قراردادن یک دروازه ضایعات در دستگاه می باشد. دروازه ضایعات که غالباً در مجموعه زانویی خروجی قرار داده می شود، موقعی فعال می گردد که فشار کمکی به یک سطح از پیش تعیین شده برسد (غالباً PSI 7-3 بر حسب کاربرد). دروازه ضایعات باز می شود و جریان گاز اگزوز را از اطراف توربین عبور می دهد.

روغنکاری

نظر به این که در حالت عادی سرعت توربین به rpm 140000 (دور در دقیقه) می رسد، روغنکاری کافی آن اهمیت بسیار دارد. دستگاههای توربوشارژ با روغن موتور روغنکاری می شوند. بر حسب کاربرد دستگاه، روغنکاری ممکن است تحت فشار یا با نیروی ثقل انجام بگیرد. در مواردی که از بار زیاد استفاده می شود یا هنگامی که خاموش کردن دستگاه پس از کارکردن با حداکثر قدرت متداول می باشد، از روغنکاری تحت فشار همراه با یک پمپ مجزا استفاده می شود. در مواردی که از پمپ مجزا استفاده می شود، پمپ روغن در زمان کاهش سرعت دستگاه در موقع خاموش کردن آن نیز کار می کند. نظر به این تمام قطعات گردان با قشر نازکی از روغن محافظت می شوند، تماس فلز با فلز به وجود نمی آید. در نتیجه سایش قابل ملاحظه ای به وجود نمی آید. اگر جریان روغن تمیز نگه داشته شود، عمر یاتاقانها بی پایان خواهد بود. اگر دستگاه یاتاقان غلافی شناور داشته باشد، یک قشر نازک روغن بین یاتاقان و بدنه و همچنین بین یاتاقان و شافت فراهم می شود. وقتی دستگاه توربوشارژ در حال کارکردن باشد، یاتاقان هم با شافت خواهد چرخید. در دستگاه توربوشارژ تمام لقی ها بطور دقیق کنترل می شود و تمام قطعات بدقت ماشین کاری می شود. هر گونه چرک در روغن بشدت عمر کارکردن قطعات را کوتاه می کند. تعویض روغن و صافی باید بموقع انجام بگیرد. بعضی از کارخانجات سازنده توصیه می کنند که روغن موتور مجهز به دستگاه توربوشارژ زود به زود تعویض گردد. در هر صورت در موتورهای مجهز به توبوشارژ فیلتر (های) روغن باید همزمان با تعویض روغن موتور تعویض گردد. همیشه از روغنی با ویسکوزیته توصیه شده برای موتور موردنظر استفاده کنید. برای کسب اطلاع از فواصل تعویض روغن یا ویسکوزیته آن به کتابچه راهنمای موتور یا اتومبیل مراجعه نمایید.

کاربرد دو حالتی

توربوشارژ را می توان برای فرآیند دوحالتی نیز به کاربرد. در این صورت هوا به داخل دمنده یا پمپ اولیه کشیده می شود و سپس به توربوشارژ منتقل می گردد تا متراکم و به داخل سیلندر فرستاده شود.

در بار کم، انرژی کمی برای حرکت دادن توربوشارژ وجود دارد. دمنده ای که بطور مکانیکی گردانده می شود به تنهایی هوا را به داخل سیلندرها می فرستند. وقتی بار افزایش یابد توربوشارژ سرعت می گیرد و بمقدار کافی هوای اضافی را به داخل خود می کشد و باعث می شود که فشار ورودی از فشار محیط نیز کمتر بشود، و سوپاپ یکطرفه دمنده باز بشود. در این سرعت موتور دمده از کار می افتد و در قدرت مصرفی موتور صرفه جویی می شود، و توربوشارژ بتنهایی وارد بار می شود و هوای فشرده مورد نیاز موتور را تامین می نماید. در شرایط ایده آل، هوای استارت زدن موتور انرژی کافی برای به راه انداختن توربوشارژ و همچنین هوای کافی برای احتراق را دارا می باشد. البته در بعضی از موارد (کاربردها) دستگاه توربوشارژ را می توان به وسائل دیگری مجهز نمود که در موقع راه اندازی موتور هوای کافی در اختیار موتور قرار بدهد. برای دستیابی به این هدف یا از روش مکانیکی استفاده می شود که در آن دستگاه توربوشارژ با یک کوپلینگ به میل کنگ موتور متصل می گردد به طوری که در زمان راه اندازی موتور، توربوشارژ بطور مکانیکی حرکت می کند و پس از روشن شدن موتور که فشار گاز اگزوز باندازه کافی زیاد می شود توربو شارژ بطور خودکار از میل لنگ جدا می شود ، یا این که از فوران هوا استفاده ، که در آن هوا از طریق افشانکهایی به پرده های توربین یا کمپرسور توربو شارژ برخورد می کند . هوایی که ازداخل کمپرسور عبور می کند به هوارسانی موتور در زمان راه اندازی کمک می کند .

خنک کن میانی 

وقتی هوا در داخل کمپرسور متراکم می گردد گرم می شود و انبساط می یابد . هوای منبسط شده جرم ویژه کمتری دارد ، در نتیجه هوای کمتری به داخل موتور فرستاده می شود . این وضعیت با فرایند پرخورانی موتور مغایرت دارد . برای غلبه بر این وضعیت ، بعضی از موتور مبدل حرارتی دارند که خنک کن میانی نیز نامیده می شود .خنک کن میانی دمای هوای ورودی موتور را تا 90 درجه فارنهایت کاهش می دهد .

خنک کن میانی که بین دستگاه توربو شارژ و منیفولد ورودی قرار می گیرد ، شامل یک سری لوله های متصل به یکدیگر پره دار می باشد ، تا حرارت را بخوبی منتقل نماید ، و از داخل آنها ماده خنک کن موتور جریان می یابد . گرفتن حرارت از هوا باعث افزایش جرم ویژه آن می شود و هوای بیشتری به داخل موتور فرستاده شود . این عمل موجب می گردد که قدرت افزایش یابد ، در مصرف سوخت صرفه جویی بشود و احتراق آرامتر بشود .

دستور العمل کلی برای به کار انداختن موتور با توربو شارژ :

1-پس از روشن شدن موتور و قبل از افزایش دور با موتور ، از موجود بودن فشار کافی روغن اطمینان حاصل کنید .

2- در موقع راه اندازی موتور در هوای سرد ، اجازه بدهید که موتور برای مدت کافی کار کند (تا  پنج دقیقه برای موتورهای دیزل در هوای بسیار سرد ) و سپس دور و بار آن را افزایش دهید .

3- اگر موتور در دمای عدی کارکردن دچار سکته بشود ، فوراً دوباره آن را راه اندازی نمایید . این عمل از افزایش سریع دمای توربو شارژ جلوگیری می کند . همچنین اگر توربو شارژ در موقع کارکردن داغ باشد ، ممکن است در اثر جمع شدن روغن داغ در قسمت مرکزی ، مقداری ذغال کک تولید بشود .تولید این ذغال ممکن است باعث گرفتگی مجاری روغن و معیوب شدن دستگاه بشود .

4- قبل از خاموش کردن موتور ، بگذارید موتور مدت کوتاهی کار کند ( برای 2 تا 3 دقیقه برای بعضی از موتورهای دیزل ) تا دمای داخلی موتور به حالت عادی برسد . اگر این موضوع رعایت نشود ممکن است مجاری روغن در اثر تشکیل ذغال در آنها دچار گرفتگی یا خستگی حرارتی بشود .

 احتیاط در موقع حمل ونقل یک موتور مجهز به توربو شارژ همیشه دهانه خروجی اگزوز را مسدود نمایید . این عمل از ورود مواد خارجی و یا گردش توربیت جلو گیری می نماید . چرخش توربین در یک موتور خاموش ممکن است باعث معیوب شدن یاتاقانهای آن بشود ، زیرا دستگاه روغنکاری آن کار نمی کند .

نگهداری جلوگیری کننده

1-  تمام پایه ها و اتصالات را بطور منظم بازرسی کنید تا از محکم بودن آنها و نبودن نشتی اطمینات حاصل کنید .

2-     دقت کنید که مانعی در راه جریان هوا در دستگاه تهویه محفظه لنگ وجود نداشته باشد .

3-  موتور را با سرعتهای مختلف عادی به کارکردن وا دارید و به صدای توربو شارژ معمولاً یک صدای سوت تیز از خود خارج می کند . یاتاقانهایی هم که نزدیک به معیوب شدن باشند یک صدای سوت تیز تولید می کنند که تا اندازه ای با صدای عادی توربو شارژ متفاوت می باشد . کوشش کنید این دو صدا را از هم تمیز بدهید .

4-     دستگاه را از نظر ارتعاشات غیر عادی در موقع کارکردن بازرسی نمائید .

5-  دستگاه را از نظر دود کردن غیر عادی در شرائط تحت بار بازدید نمائید . دود کردن زیاد نشانه درست نبودن نسبت هوا و سوخت خواهد بود .

6-     صافی هوا را طبق دستور کتابچه راهنمای اتومبیل بازدید یا تعویض نمائید .

عیب یابی

توربو شارژ دستگاه نسبتاً ساده ای است . بیشتر اشکاللات در سایر قطعات موتور ، مانند دستگاه روغنکاری یا سوخت رسانس به وجود می آید . با تعمیرات دوره ای صحیح ، دستگاه بدون اشکال کار خواهد کرد .