پايان راه موتورهای تنفس طبيعی / ده دقیقه برای زندگی

نه تنها صنعت خودروسازی، بلکه هر صنعتی در جهان شاهد پیشرفت‌های روزافزون و چشمگیری است و هر نسل به نوبه خود سهمی از این پیشرفت‌ها برده‌اند. پدر و مادرهایمان یا پدربزرگ و مادربزرگ‌هایمان و یا حتی پدران آنان بدون شک صنعت خودروسازی را درک کرده‌اند و هر کدام سهمی از پیشرفت این صنعت داشته‌اند.

در سالیان دور به جای استفاده از یک کلید و فرستنده، شروع به کار ماشین‌ها و موتورهایشان بوسیله یک هندل دستی صورت می‌گرفت که از جلو به میل لنگ متصل می‌شد و با چرخاندن آن، موتور شروع به حرکت می‌کرد تا اینکه سیستم‌های برقی و استارت اختراع شد که به عنوان یک پیشرفت بسیار مهم در صنعت خودروسازی برای نسل‌های گذشته قلمداد می‌شود. مثلا موتورهای ۸ سیلندر V شکل برای اولین بار در دهه ۵۰ میلادی به وسیله جنرال موتورز روی کار آمدند که برای آن نسل که تشنه قدرت و سروصدا بودند، یک پیشرفت فوق العاده بشمار می‌رفت و دیگر مثال‌های اینچنینی مثل ECU ها، انژکتور و سیستم‌های دیگر که تحولی در صنعت خودروسازی بوجود آوردند و باعث کنار رفتن سیستم‌های قدیمی با وظیفه‌ای مشابه شدند.

با تمام این اوصاف، می‌توان پیشرفت‌های متعدد و قابل ملاحظه‌ای را در صنعت خودروسازی معرفی کرد که با تمامی نسل‌ها سروکار داشته‌اند، حال نوبت به یک تحول دیگر رسیده و آن هم جاودانه شدن موتورهای توربوشارژ میان خودروسازان است که کم کم موتورهای درون سوز تنفس طبیعی را مغلوب می‌کند.

البته این اتفاق زیاد هم بد نیست، چون موتورهای توربوشارژ حجم کمتری اشغال می‌کنند و در عوض نیروی بیشتر و مصرف سوخت و آلایندگی کمتر برای مالک خود به ارمغان می‌آورند، پس دیگر چه نیازی است همچنان از موتورهای درون سوز تنفس طبیعی استفاده کرد، هرچند موتورهای تنفس طبیعی برای خود مزیت‌هایی دارند، ولی در شرایط فعلی کفه ترازو به سمت موتورهای توربوشارژ سنگینی می‌کند.

در این خصوص اگر هم به شرکت‌های خودروسازی مرسدس بنز، آئودی و یا بی ام و نگاه کنید، شاید تنها یک محصول پیدا کنید که پیشرانه‌ای تنفس طبیعی دارد و مابقی همگی به موتورهای توربوشارژ مجهز شده‌اند. پس با فاکتور گرفتن بازار کشور و یا کشورهای جهان سوم که خود ماشین تولید و مونتاژ می‌کنند و بیشتر محصولاتشان از موتورهای تنفس طبیعی استفاده می‌کنند، وقت آن رسیده کم کم کوله بار موتورهای تنفس طبیعی را ببندیم تا به سالن افتخارات صنعت خودروسازی ملحق شوند.

 

     تاریخچه‌ی توربوشارژرها

 

نخستین استفاده از سیستم‌های پرخوران به اواخر قرن ۱۹ بازمی‌گردد؛ در سال ۱۸۸۵ گوتلیب دایملر مهندس آلمانی ایده‌ای مبنی بر استفاده از یک پمپ مکانیکی برای تزریق هوا به پیشرانه‌های احتراق داخلی داشت. اما اختراع توربوشارژر به شکلی که امروزه می‌شناسیم، توسط مخترع سوئیسی، آلفرد بوشی انجام شد. البته سال‌های زیادی طول کشید تا این سیستم بتواند به‌صورت عمده و عملی مورد استفاده قرار گیرد. در سال ۱۹۱۸ یکی از مهندسان شرکت جنرال الکتریک به نام سانفورد الکساندر ماس اقدام به نصب سیستم توربوشارژر روی یک پیشرانه‌ی ۱۲ سیلندر کرد. این پیشرانه با نام لیبرتی دارای ۲۷ لیتر حجم بود و برای استفاده در تانک و هواپیماهای جنگ جهانی اول طراحی شده بود. الکساندر ماس این پیشرانه را برای آزمایش به کوه‌ پایکس پیک در کلرادو برد. در ارتفاع حدود ۵۵۰۰ متری از سطح دریا، فشار هوا تقریبا نصف فشار هوای سطح دریا است. از لحاظ تئوری این یعنی یک پیشرانه‌ی احتراقی در چنین ارتفاعی نصف حالت عادی قدرت خواهد داشت. نتایج آزمایشات وی نشان داد که پیشرانه‌ی توربوشارژردار در ارتفاعات بالا افت بسیار کمتری نسبت به پیشرانه‌های اتمسفریک یا تنفس طبیعی دارند. همان‌طور که واضح است هر چقدر ارتفاع از سطح دریا افزایش یابد به دلیل رقیق‌تر شدن هوا میزان چگالی آن کاهش‌ می‌یابد و پیشرانه‌های احتراقی دچار افت توان می‌شوند.

 

     نحوه‌ی عملکرد توربوشارژرها

 

توربوشارژر در حقیقت یک توربین است که هوا را فشرده می‌کند و به داخل محفظه‌ی احتراق می‌فرستد. سوپرشارژر و توربوشارژر هر دو همین کار را انجام می‌دهند و تفاوت آن‌ها تنها در نحوه‌ی تأمین نیروی مورد نیازشان است. سوپرشارژرها نیروی مورد نیاز خود را مستقیما از میل لنگ خودرو دریافت می‌کنند که می‌تواند با استفاده از تسمه باشد، اما توربوشارژر نیروی مورد نیاز خود را از گازهای خروجی اگزوز تأمین می‌کند. مزیت سوپرشارژرها در این است که چون مستقیما به میل‌لنگ متصل هستند، دیگر تأخیری در عملکرد آن‌ها وجود ندارد و از ابتدای گاز دادن راننده، وارد عمل می‌شوند. اما توربوشارژر برای چرخش نیاز به انتقال انرژی گازهای اگزوز به توربین دارد تا آن را به چرخش دربیاورند. بنابراین لازم است پیشرانه کمی دور بگیرد تا توربوشارژرها بتوانند کار خود را انجام دهند. این قضیه سبب تأخیر زمانی در عملکرد توربو می‌شود که اصطلاحا به آن لگ (Lag) گفته می‌شود. اما عملکرد این سیستم چگونه است؟

می‌دانیم در یک پیشرانه‌ی تنفس طبیعی (اتمسفریک) هنگامی که پیشرانه در حال مکش هوا است، تنها نیرویی که هوا را به داخل سیلندر می‌کشاند، فشار اتمسفر است (دقیقا همانند پر کردن یک سرنگ). توربوشارژرها با اعمال نیروی اضافی به هوای ورودی و پمپ کردن هوای فشرده به داخل محفظه‌ی احتراق، سبب ورود اکسیژن بیشتری به سیلندر می‌شوند و پیستون در یک کورس خود می‌تواند اکسیژن بیشتری به داخل سیلندر مکش کند و مسلم است که اکسیژن بیشتر به معنای احتراقی کامل‌تر و قدرتمند‌تر است. همین عامل سبب افزایش قدرت پیشرانه‌های توربوشارژردار است.

توربوشارژرها از دو بخش تشکیل شده‌اند که یکی توربین و دیگر کمپرسور است. گازهای خروجی از اگزوز که دارای سرعت زیادی هستند با توربین برخورد می‌کنند و آن را به چرخش درمی‌آورند.  از آنجایی که توربین و کمپرسور هم‌محور هستند، با چرخش توربین کمپرسور نیز به چرخش درمی‌آید و شروع به پمپ کردن هوا به داخل سیلندر‌ها می‌کند.

 

     اینترکولرها و نقش آنها

 

اینترکولر از آن دسته تکنولوژی‌هایی است که امروز تقریبا به عضوی جداناپذیر از سیستم‌های توربوشارژر تبدیل شده است. وظیفه‌ی اینترکولر کاهش دمای هوای فشرده ‌شده توسط توربوشارژر و محل قرار‌گیری این قطعه بین توربوشارژر و سیلندر است. هوایی که توسط سیستم توربو فشرده و به داخل سیلندر فرستاده می‌شود، دارای دمای بسیار بالایی در حدود ۱۲۰ تا ۱۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد است. دمای بالای این هوا دو دلیل عمده دارد، یکی اینکه سیستم توربو فشار هوا را افزایش می‌دهد و افزایش فشار همواره افزایش دما نیز به دنبال خود دارد. دوم این‌که توربین، با گازهای اگزوز که دمای بسیار بالایی دارند، در تماس است و این سبب افزایش دمای توربین می‌شود. چون توربوشارژر مجموعه‌‌ای بسیار جمع‌وجور است، در نتیجه حرارت از سمت توربین به سمت کمپرسور نیز انتقال‌ می‌یابد و باعث گرم شدن آن در سمت توربوشارژر نیز می‌شود.

گرم بودن هوا از چند منظر برای پیشرانه‌ی خودرو مناسب نیست. یکی این‌که با افزایش دما چگالی (دانسیته) آن کاهش پیدا می‌کند که به معنای افت عملکرد پیشرانه است و دوم اینکه دمای بالا می‌تواند سبب افزایش دمای مخلوط هوا و سوخت نیز بشود که خود سبب پدیده‌های مخربی نظیر انفجار زودهنگام می‌شود. در انفجار زودهنگام (که با نام‌های Knock یا Pre-ignition نیز شناخته می‌شود) دمای مخلوط هوا و سوخت آن‌قدر افزایش پیدا می کند که پیش از جرقه‌زنی شمع‌ها، مشتعل می‌شود. این انفجار خارج از کنترل و زودهنگام نه‌تنها افت توان پیشرانه را به همراه دارد بلکه می‌تواند آثار مخربی نیز روی آن بگذارد. همچنین افزایش بیش از حد دمای پیشرانه می‌تواند تأثیرات منفی روی قطعات بگذارد و عمر کاری ‌آن‌ها را کاهش دهد. برای حل این مشکلات خودروسازان اقدام به نصب اینترکولر در مدار توربو می‌کنند. اینترکولر قطعه‌ای است همانند رادیاتور که هوای گرم از داخل آن می‌گذرد تا دمای آن کاهش پیدا کند. اینترکولر معمولا می‌تواند دمای هوای ورودی به سیلندر را تا ۴۰ الی ۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد کاهش دهد. کاهش دما نیز به دو صورت می‌تواند باشد: با استفاده از هوا یا آب. اینترکولرهایی که با هوا خنک می‌شوند، دارای ساختار ساده‌تری هستند؛ اما انواع خنک شونده با مایع نیاز به یک رادیاتور دوم دارند تا آب را نیز خنک کنند.

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *