هدف توربوشارژینگ در موتورهای احتراق داخلی
بطور کلی توربوشارژرها را به دو منظور عمده در موتورهای احتراق داخلی مورد استفاده قرار می دهند.
- استفاده از توربوشارژر به جهت بالا بردن توان و عملکرد بهتر موتور، دراین حالت می‌توان با افزایش فشار و چگالی هوای ورودی و اضافه کردن مقدار پاشش سوخت توان یک موتور را تا دو برابر افزایش داد. بنابراین با طراحی مناسب قطعاتی مانند پیستونها، شاتونها، یاتاقانها و سایر اجزا موتور برای شرایط توربوشارژرینگ می‌توان مقدار قدرت به وزن موتور را بالا برد و بجای استفاده از موتورهایی با حجم بالا و قدرت بالا، موتورهای کم حجم تر و مجهز به توربوشارژر با راندمان و قدرت بالا استفاده نمود.
- استفاده از توربوشارژر جهت کاهش آلایندگی موتور، هرگاه با ثابت نگه داشتن مقدار سوخت وارد شده به موتور مقدار هوای ورودی را افزایش دهیم می‌توانیم مقدار آلایندگی موتور را کاهش دهیم این روش عمدتًا در موتورهای دیزلی که مخلوط شدن سوخت و هوا بسیار مهم و کیفیت احتراق بسته به این موضوع می‌باشد بسیار حائز اهمیت می‌باشد. واردکردن هوای فشرده با ثابت نگه داشتن سوخت باعث بهبود احتراق و کاهش آلایندگی بدلیل بالا رفتن میزان نسبت هوا به سوخت در موتور می‌گردد.
در بعضی موارد هر دو روش را در یک موتور انجام می‌دهند یعنی با بالا بردن نسبتًا زیاد فشار هوای ورودی و افزایش کم سوخت نسبت به موتور معمولی می‌توان هم توان یک موتور را بالا برد هم مقدار آلایندگی موتور را کاهش داد .
انواع سیستمهای توربوشارژری
براساس نحوه ورود گازهای اگزوز به توربین توربوشارژر و ثبات یا نوسان جریان ورودی به توربین از دو نوع سیستم مختلف توربوشارژ کردن استفاده می‌شود.
۱- توربوشارژر فشار ثابت
یک موتور رفت و برگشتی ذاتاً یک وسیله با جریان غیردائم است. گازهای خروجی از سیلندر یک جریان غیردائمی را به وجود می‌آورد. از طرفی، توربو ماشینها برای جریان دائمی طراحی و ساخته می‌شوند. البته توربینها می‌توانند تحت شرایط غیر دائم کار کنند ولی بازده شان در مقایسه با شرایط دائم بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت. بنابراین ترکیب موتور و توربین عمل مشکلی خواهد بود. بوچی (مبتکر سوئیسی توربوشارژر) از یک محفظه با حجم مناسب برای کنترل و ثابت کردن جریان گاز غیردائمی خروجی از سیلندر استفاده کرد.
بنابراین بدین گونه جریان ورودی به توربین یکنواخت و فشار ثابت گردید. حجم منیفولد دود یا حجم مخزن، وابسته به فرکانس ضربان گازهای خروجی است که به تناوب از هر سیلندر خارج می‌شود. شدت ضربان گازهای خروجی تابعی از بار موتور، زمانبندی سوپاپ دود، سطح ورودی توربین و حجم منیفولد است. معمولا نسبت حجم منیفولد دود به حجم موتور برای تبدیل نوسانات به فشار ثابت بزرگتر از یک می‌باشد. این نسبت برای موتورهای با تعداد سیلندر بیشتر، در مقایسه با موتورها با تعداد سیلندر کمتر، کوچکتر است.
قاعده خاصی را نمی‌توان برای این امر بیان نمود ولی بازه آن ما بین ۴/۱ تا ۶ در تغییر است. یکی از مشکلات ایجاد فشار ثابت در ورودی توربین این است که در صورت تغییر ناگهانی بار یا دور موتور، فشار در مخزن بصورت آرام تغییر کرده و بنابراین انرژی گازهای ورودی به توربین بتدریج زیاد می‌شود که این امر باعث ایجاد تأخیر در پاسخ موتور است. بنابراین اگر تغییر سریع دور یا بار موتور مورد نظر باشد، سیستم فشار ثابت مناسب نخواهد بود. شکل (۲-۴) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور را نشان می‌دهد.
توربوشارژر فشار ثابت
حجم بزرگ چندراهه ورودی ما را از ثابت ماندن فشار در ورودی توربوشارژ مطمئن می سازد .برای دستیابی به نسبت فشارهای بالاتر از یک، توربوشارژ باید دارای راندمان بالای ۴۵ درصد باشد،پس با داشتن یک توربوشارژر با راندمان بالای ۴۵ درصد فشار ورودی از فشار خروجی بیشتر می‌شود. بنابراین هنگامی که سوپاپ های ورودی و خروجی با هم باز باشند(قیچی سوپاپ ها در زمان تخلیه) مقداری هوای تازه وارد سیلندر می‌شود که باعث تخلیه کامل گازهای سوخته از داخل سیلندر خواهد شد.
۲- توربوشارژینگ با سیستم ضربانی
نقطه ضعف سیستم فشار ثابت این است که بطور کامل از انرژی جنبشی گازهائی خروجی استفاده نمی‌کند. زمانی که گاز با فشار زیاد از سطح نیمه باز سوپاپ تخلیه عبور می‌کند سرعتش به طور محسوس افزایش می‌یابد ولی این گازهای سرعت بالا بطور ناگهانی وارد محفظه تخلیه با حجم وسیع می‌شود و با گاز سرعت پائین برخورد می‌کند و بدلیل پدیده مخلوط شدن اتلافات اصطکاکی بوجود می‌آید و تمام انرژی جنبشی گاز به انرژی فشاری تبدیل نمی‌شود و بخشی از آن به هدر می‌رود. با استفاده از توربوشارژینگ ضربانی می‌توان بخش عمده ای از انرژی گازهای خروجی را به توربین منتقل نمود.
برای رسیدن به این منظور بهتر است تلفات ناشی از خفانش جریان در هنگام عبور از سوپاپ خروجی را کاهش داد. بنابراین هر چقدر سوپاپ دود سریعتر باز شود، این تلفات کمتر می‌شود. تلفات ناشی از خفانش وقتی اتفاق می‌افتد که مدت زمان اندکی از باز شدن سوپاپ دود گذشته و سطح جریان گذرنده از اطراف سوپاپ بسیار کم است. در این حالت سرعت سیال به سرعت صوت می‌رسد و هنگامی که سیال به پورت خروجی می‌رسد ناگهان بدلیل افزایش سطح مقطع منبسط می‌شود که این امر باعث تلفات خفانشی می‌گردد. بنابراین هر چه سوپاپ خروجی سریعتر باز شود و همچنین هرچه نسبت سطح گلوگاه سوپاپ به سطح پورت خروجی به مقدار ۱ میل کند تلفات خفانشی کمتر می‌شود.
از مزیت های پرخورانی ضربانی این است که می‌توان با طراحی مناسب، فشار را در پائین دست سوپاپ خروجی به نحو مطلوبی کمتر از فشار سیلندر و فشار منیفولد ورودی(در لحظه ای که سوپاپ ورودی و خروجی هر دو باز است) رساند. اما در پرخورانی با فشار ثابت فشار در مخزن و رانرهای خروجی برابر است. بنابراین نمی‌توان فشار را در پائین دست سوپاپ خروجی کاهش داد. در طراحی منیفولد خروجی یک موتور پرخورانی شده طول رانرهای خروجی را باید نسبتًا طولانی در نظر گرفت تا امواج فشاری منعکس شده از توربین به سوپاپ خروجی در حالیکه باز می‌باشد نرسد.
ولی معمولا طول رانرهای خروجی را کوتاه تر در نظر می‌گیرند تا انرژی گازهای خروجی از سیلندر کاهش نیابد در عوض همان طور که بیان شد زمان باز ماندن سوپاپ خروجی را کاهش می‌دهند تا امواج فشاری منعکس شده به داخل سیلندر راه نیابند[۲۴]. همچنین انتخاب منیفولد خروجی کوچک باعث خواهد شد که فشار در منیفولد خروجی در لحظه ای که سوپاپ دود باز می‌شود سریعتر افزایش یابد و در نتیجه سرعت پاسخ نیز بیشتر شود.
یکی از بزرگترین مزایای پرخورانی ضربانی نسبت به پرخورانی فشار ثابت این است که می‌توان انرژی بیشتری از گازهای خروجی را که قابلیت تبدیل شدن به کار مفید را دارند در اختیار توربین قرار داد. اما نکته ای که باید به آن توجه کرد این است که ناپایا بودن جریان باعث می‌شود که توربین در ناحیه ای با بازده پائین کار کند. زیرا در پورخورانی ضربانی وقتی که فشار گازهای خروجی بالا می‌رود، این امر باعث شتاب گرفتن پره های توربین می‌شود و وقتی که فشار پائین می‌آید حرکت پره های توربین نیز کند می‌شود. بنابراین مقداری از انرژی همیشه صرف شتاب دهی به پره های توربین می‌شود و این امر باعث کاهش کارایی توربین می‌گردد[۲۴].
اگر در این سیستم از توربین با کارایی بالا استفاده نشود تمام انرژی هایی که از سیستم فشار ثابت، بیشتر جذب می‌شود از بین می‌رود و این سیستم دیگر مزیتی نسبت به سیستم فشار ثابت ندارد چون راندمان توربین مستقیما بر راندمان موتور تاثیر می‌گذارد[۱۷]. برای بالا بردن راندمان توربین باید فواصل بین گازرسانی به توربین را کاهش داد و در ضمن از قیچی سوپاپ ها استفاده کنیم، با این حال راندمان توربین از حالتی که جریان پایا داریم کمتر است. اگر دو سیلندر به ورودی توربین متصل باشد، بازدهی توربین به دلیل فاصله هوایی ایجاد شده، کاهش می‌یابد. به همین دلیل سیستم ضربه ای هنگامی مناسب می‌باشد که تعداد سیلندرهای ورودی به توربین حداقل سه عدد باشند
