پایگاه خبری اسب بخار
مرجع تخصصی اخبار و ویدیو خودرو

موتورهای دیزل پرخوران (Turbo Diesel)

موتورهای رایج در بازار ازنظر نوع احتراق به دو دستهSI و CI تقسیم می ‌شوند که در موتورهای SI (Spark_Ignition)، احتراق سوخت و هوا در اثر اعمال جرقه ‌ای توسط شمع، که در بالای پیستون واقع است صورت می ‌گیرد.
در دسته دوم CI(Compression Ignition)، پس از ورود هوا و سوخت، دمای مخلوط در اثر فشار زیادی که توسط پیستون اعمال می ‌شود، بالا می ‌رود و این افزایش دما به حدی است که خوداشتعالی رخ می ‌دهد و احتراق مخلوط بدون جرقه شمع امکان ‌پذیر می ‌شود.
نسبت تراکم (Compression Ratio) در موتورهای دیزل معمولاً از ۱۴ به ۱ شروع می ‌شود و تاحدود ۲۴ به ۱ خاتمه می‌ یابد و این نسبت‌ها بستگی به نوع کاربرد موتور دارد، در طرف دیگر در موتورهای بنزینی یا SI این نسبت در بازه ۸ به ۱ تا ۱۲ به ۱ قرار دارد.
پرخورانی در موتورهای دیزل بسیار رایج تر از موتورهای بنزینی است زیرا قطعات موتورهای دیزل به علت این که فشار زیادی را تحمل می کنند باید استحکام و مقاومت بیش تری داشته باشند، بنابراین این امر نیازمند این است که قطعات سنگین ‌تر شوند و جرم آن ها بیش تر که همین جرم زیاد، اینرسی قطعات را افزایش داده و افزایش اینرسی مانع از به کارگیری موتور در دورهای (rpm) بالا می‌ شود، کار کردن موتور در دورهای پایین علت این است که هوای مورد نیاز موتور وارد محفظه سیلندر نمی ‌شود و به همین سبب در این موتورها از توربوشارژر استفاده می ‌شود تا هوای بیش تری وارد سیلندر کنیم و راندمان موردنظر را دریافت کنیم. در اکثر خودروهای سنگین مانند کامیون ‌ها و تریلرها و همچنین تانک ‌های جنگی که از موتورهای دیزل استفاده می کنند، از توربوشارژر برای پرخورانی موتور استفاده می‌ شود.
در موتورهای بنزینی به علت این که احتراق در فشار پایین ‌تری نسبت به احتراق در دیزل رخ می‌ دهد، نیازی به استفاده از قطعات محکم و با جرم بالا نیست و همین اینرسی پایین این اجازه را به ما می ‌دهد تا از این موتورها در دورهای (rpm) بالا بهره ببریم که این دسترسی به دورهای بالاتر باعث می ‌شود هوای بیش تری را وارد محفظه سیلندر کنیم تا نیاز ما به توربوشارژر حیاتی نباشد و در این موتورها فقط برای افزایش راندمان از پرخورانی استفاده شود.
پرخوران کردن موتورها نیازمند به کارگیری قطعاتی مانند توربوشارژر (Compressor)، اینترکولر (Intercooler) و ویست‌گیت (WasteGate) است. این ادوات باید در کنار دیگر قطعات موتور قرار گیرند که این ازدحام باعث می ‌شود دسترسی به قطعات سخت‌ تر شود و تعمیر موتور هم نیازمند زمان زیادی می ‌شود. اما این مشکلات در مقابل ارزشمندی قدرت و توانی که پرخورانی به موتور می ‌دهد کم اهمیت است و موجب کنار گذاشتن این عمل نمی ‌شود.
توضیح برخی از قطعاتی که موجب تمایز موتورهای پرخوران و تنفس طبیعی می ‌شود:
ویست‌گیت (Wastegate): این قطعه پس از اینترکولر و قبل از منیفولد هوا نصب می ‌شود تا فشار هوای داخل سیلندر از مقدار مجاز بیش تر نشود، طرز کار این قطعه شباهت زیادی به شیر فشارشکن دارد.

اینترکولر (Intercooler): پس از خروج هوای پرفشار از توربو دمای آن به علت در تماس بودن بدنه (Casing) توربوشارژر با گازهای خروجی از اگزوز بالا می ‌رود، در این جا با نصب اینترکولر دمای هوای پرفشار مورد نیاز سیلندر کاهش می‌ یابد و با این کاهش دما از احتراق پیش‌ بینی نشده مخلوط سوخت و هوا جلوگیری می شود و به همین ترتیب از کوبش موتور (knock) نیز کاسته می ‌شود.

در موتورهای پرخوران (بنزینی یا دیزل) ما شاهد به کارگیری قطعاتی هستیم که نسبت به موتورهای تنفس طبیعی دارای تحمل بیش تری نسبت به فشار هستند زیرا در موتورهای پرخوران فشار هوای ورودی بیش تر از خودروهای معمولی است (۵۰ درصد بیش تر) و حتا مجراها و لوله ‌های انتقال هوا هم از اتصالات مطمئن‌ تری بهره ‌مند شده‌ اند تا فشار بالای هوای خروجی از توربو موجب از هم گسیختگی مسیرهای انتقال نشود.
در این بخش از متن به نحوه افزایش فشار هوا در توربو می پردازیم. هوای ورودی به پوسته توربو به پره‌ هایی که در شکل مشخص شده‌ اند برخورد می ‌کنند، سپس به علت دوَران پره‌ ها دارای دو مؤلفه سرعت w1 و u1=ωr1 می ‌شود، و در انتهای پره همین دو مؤلفه سرعت وجود دارند اما این بار با زیروند ۲ نمایش داده‌ می ‌شوند.

شکل پوسته توربو (Casing) به صورت حلزونی و کار آن مشابه دیفیوزر (Diffuser) است، به طوری که در طول انجام فرآیند از سرعت هوا می ‌کاهد و به فشار آن می ‌افزاید. به این ترتیب فشار هوای ورودی، هم از طریق پره‌ ها (Blades) هوا را که سیالی تراکم ‌پذیر (Compressible) است، متراکم می‌ سازد و هم پوسته توربو که با شکل حلزونی خود از سرعت هوا می ‌کاهد و به فشار آن می ‌افزاید. به طور کلی توربو مانند پمپی عمل می ‌کند که هد (Head) (اصطلاحی سیالاتی) جریان ورودی را افزایش می ‌دهد اما در این میان ما تلفات هد (Head Loss) را هم داریم که مهندسان تلاش شان بر این است که این تلفات را با استفاده بهبود فرم‌ های پره‌ ها و پوسته کاهش دهند.

در موتورهای دارای سیستم توربوشارژ سیستم روانکاری از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا دور پره توربو تا ۲۰۰٫۰۰۰ دور بر دقیقه (۲۰۰۰۰۰rpm) هم می ‌رسد و این سرعت نیازمند روانکاری ویژه ‌ای است. به همین دلیل سرویس ‌های دوره ‌ای این مدل از موتورها در بازه ‌های زمانی کم تری صورت می ‌گیرد، همچنین در این مدل از موتورها پس از روشن کردن موتور بهتر است ۳۰ تا ۴۰ ثانیه منتظر بمانیم تا دمای روغن موجود در کارتل بالا برود و ویسکوزیته لازم را به دست آورد تا بتواند روانکاری را در قسمت شفت پره به بهترین شکل انجام دهد.
تفاوت‌ های عمده و مهم میان موتورهای پرخوران و ساده در قسمت‌ های قبلی توضیح داده‌ شد، اما اصلی‌ ترینِ آن ‌ها افزایش توان و قدرت است. همان طور که توضیح داده ‌شد هوای پرفشار پس از خروج از توربو وارد محفظه سیلندر شده و سپس سوخت از طریق انژکتور به روی هوای پرفشار تزریق می ‌شود. در همین نقطه تفاوت اساسی نمایان می ‌شود، به همان نسبت که هوای بیش تری توسط توربو وارد می ‌شود، سوخت بیشتری نیز تزریق می ‌شود و پاشش سوخت بیش تر، انرژی بیش تری آزاد
می ‌کند. درنتیجه طی یک سیکل احتراق توان بیش تری تولید می ‌شود و بر طبق این دلایل با مقایسه دو موتور، با حجم ثابت و از یک مدل، اما یکی با تنفس طبیعی و دیگری پرخوران شده، شاهد اختلاف قدرت چشم گیری میان این موتورها هستیم. با پرخوران کردن موتورها، ۵۰ درصد هوای بیش تر وارد سیلندر می ‌شود بنابراین باید انتظار حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد افزایش قدرت در موتور را داشته ‌باشیم (اگر توربوشارژر ما ایده‌آل می ‌بود، افزایش قدرت هم مانند افزایش هوای ورودی می ‌بایست ۵۰ درصد می ‌بود، اما تلفات به وجود آمده ۱۰ تا ۲۰ درصد از افزایش قدرت می ‌کاهد). به طور مثال اگر دارای موتوری با قدرت ۱۰۰hp ( hp= اسب بخار) باشیم، با پرخوران کردن موتور توسط توربوشارژر، توان آن به حدود ۱۳۰ تا ۱۴۰ اسب (hp) می ‌رسد که تغییر قابل ملاحظه‌ و کاملاً محسوسی است.
امروز شاهد کاهش حجم موتورهای رایج در بازار هستیم و کاهش حجم موتور مساوی است با کاهش قدرت و گشتاور. حال این پرسش مطرح می ‌شود که چگونه این کاهش قدرت جبران می ‌شود؟
پاسخ این است: با بهینه سازی موتور و قطعات آن نظیر تغییر زاویه پاشش سوخت، نوع پاشش سوخت (Gasoline Direct Injection)، افزایش تعداد سوپاپ‌ها، استفاده از شاتون با طول متغیر و از همه مهم تر پرخورانی است. علت برتری پرخورانی نسبت به بقیه پارامترها این است که افزایش راندمان قابل ملاحظه ‌ای نسبت به بقیه پارامترها دارد و همین علت موجب شده بیش تر خودروهای به روز دنیا از این فرآیند بهره ‌مند شوند.
محمد جبارزاده شیاده/ کارشناسی مهندسی مکانیک
پایگاه خبری اسب بخار