ماذا تعرف عن الشاحن التوربينى وفوائده؟
يرجع الفضل في ‘مفهوم’ الشاحن التوربيني للمهندس السويسري الدكتور ألفريد Buchi، وبراءة الاختراع له تعود إلى عام 1904. الدكتور Buchi كان قد أنهى محرك ديزل يعمل مع شاحن توربيني وكم بتشغيله في عام 1911، وفي عام 1915 قدم براءة اختراع توربو لم تتحقق حتى 1980.
وكان الدكتور Buchi بشكل واضح سابقاً وقته، لأن التوربو لم يستخدم في سيارات الركاب حتى بعد الحرب العالمية الثانية. الكثير من التطور خلال 1950s و ’60S يحيط استخدام شاحن هواء توربو على محركات الديزل للاستخدام في الحافلات والشاحنات. الكثير من الشركات خلال هذا الوقت بدأت مزيد من الصقل على التوربو لاستخدامه في رياضة السيارات.
لم يكن حتى عام 1976 وإطلاق سيارة ساب 99 (في الصورة أعلاه) أن تم إصدار سيارة إنتاج مع محرك بنزين توربو. ومن 1980s فصاعدا معظم شركات السيارات في جميع أنحاء العالم أصبح لديها سواء نموذج أو سيارة إنتاج بمحرك توربو في مصنعها.
السوبرشارجر والذي هو من نفس عائلة توربو، بدأ كمفهوم من قبل غوتليب دايملر الذي اقترح ضغط شحن الهواء على البراءة الأصلية لسيارته في عام 1889. وبحلول عام 1893، كان دايملر قد بنى سوبرشارجر يحركه مكبس (piston). توربو وسوبرشارجر معروفان على حد سواء بإسم Forced Induction.
كيف يعمل محرك السيارة؟
شاحن الهواء توربو والسوبرشارجر من عائلة واحدة
التوربو والسوبرشارجر يعملان على ضغط الهواء الذي يدخل في المحرك، وبالتالي المزيد من الهواء يناسب في نفس المساحة في الاسطوانة. هذا يعني أنه يمكنك إضافة المزيد من الوقود مع الحفاظ على نسبة ثابتة الوقود / الهواء، وبالتالي الحصول على مزيد من القوة.
هذا هو السبب في أن المحركات التوربينية الصغيرة يمكن أن تنتج نفس طاقة محرك أكبر بدون توربو (المعروف باسم “Naturally Aspirated”، أو NA). يسحب التوربو كمية كبيرة من الهواء ويضغطه في مساحة صغيرة. ويعتمد محرك NA على سحب كمية كبيرة من الهواء إلى مساحة أكبر ولكن لا يضغطه.
الفرق بين الشاحن التوربيني والسوبرشارجر بسيط. في التوربو الضاغط يشغله توربين( “مروحة”) تقوم بالدوران بواسطة غازات العادم. السوبرشارجر موصول مباشرة عبر حزام إلى المحرك. هناك زيادة في القوة وعزم الدوران عن طريق الشحن التوربيني أو السوبرشارجر بنسبة 40٪ و 30٪ على التوالي.
على عكس الشاحن التوربيني الذي يعتمد على غازات العادم لتدوير التوربينات (مروحة)، السوبرشارجر يرتبط مباشرة إلى العمود المرفقي، عادة عن طريق حزام. هذا الحزام يلتف حول بكرة مما يساعد على تحويل تدوير الضاغط. عندما يبدأ الضاغط بالدوران ( يصل إلى 50،000 + دورة في الدقيقة) هناك هواء يضغط ويقحم داخل المحرك. وهكذا يمكن حقن المزيد من الوقود، وبالتالي المزيد من القوة وعزم الدوران يمكن أن تنتج بسبب الانفجار الأكبر.
كيف يعمل الشاحن التوربيني (Turbo)؟
عادة، فإن كلا التوربو والسوبرشارجر يضخان حوالي ثمانية أرطال لكل بوصة مربعة (8psi) من الهواء المضغوط الى المحرك. وهذا يشكل مجموع حوالي مرتين ضغط الغلاف الجوي الطبيعي وهو 14.7psi. وهذا يعني، يمكنك قبول عام لزيادة أداء المحرك عن طريق الشحن التوربيني، أو السوبرشارجر، بنحو 40٪ أو أقل قليلا (هناك خسائر الكفاءة أثناء العملية).
وخلافا للسوبرشارجر الذي يستخدم محرك السيارة لتشغيل التوربينات، يستخدم التوربو غازات العادم لتدوير التوربينات / مروحة التي يمكن أن تدور بسرعات تصل إلى 200،000rpm. ثم يجبر الهواء المضغوط على الدخول إلى الاسطوانات التي، جنبا إلى جنب مع المزيد من الوقود المحقون تسمح بمزيد من القوة على أن تنتج بسبب انفجار أكبر.
إذا كنت قد قدت مسبقاً سيارة بنزين توربو قديمة ستشعر بشيء يسمى ‘Lag’، في الأساس يصف هذا الزمن الذي يستغرقه الشاحن التوربيني لبدء الغزل وسحب إلى المحرك. وهذا يعطيك شعور الضغط على دواسة الوقود ومن ثم لا شيء، لا شيء، لا شيء، وبعد ذلك كل شيء. التوربو القديم يميل ليكون أكبر، وبالتالي أبطأ للدوران. الوحدات الحديثة، من ناحية أخرى، هي أصغر، ولديها أقل احتكاك بسبب العمليات الهندسية الجديدة والمواد المستخدمة، وبالتالي يبدأ الغزل عاجلا. إذا اخترت توربو صغير جداً ، يمكن أن يصبح عدو نفسه، وسيبدأ الغزل بسرعة كبيرة كلما زادت سرعة دوران المحرك. وقد اتخذت بعض شركات صناعة السيارات إلى تركيب محركاتها مع اثنين من توربو )Twin Charging)، واحد صغير لتوفير دفعة بسرعات أقل وواحد أكبر يتولى السرعة العالية.
ماذا عن محرك الديزل التوربيني؟
كل من محركات البنزين والديزل هي ما نسميه محركات الاحتراق الداخلي. ولكن الاحتراق ينتج بطرق مختلفة. وقود الديزل لديه نقطة حرق أعلى بكثير من البنزين، محرك ديزل يعتمد على ضغط من خليط الوقود والهواء، داخل الاسطوانة، في أي مكان بين 14 إلى 20 مرة حجمه الأصلي (محرك البنزين يميل إلى ضغط خليط الوقود والهواء أقل من ذلك بكثير). يتسبب هذا الضغط في الاحتراق التلقائي ودفع المكبس إلى أسفل. لا ضرورة الشمعة إحتراق (spark Plug). محركات الديزل القديمة كانت تستخدم ميزة شمعات وهج Glow Plugs لتدفئة الهواء قبل احتراقه في الاسطوانات. لا تتطلب محركات توربو ديزل الحديثة هذا النوع من الشعمات.
كما هو الحال في محرك البنزين، الشحن التوربيني في سيارة الديزل يسمح لمزيد من الهواء إلى أن يضخ في المحرك، ويمكن في كثير من الأحيان زيادة الانتاج بنسبة 50٪ بالمقارنة مع محرك الديزل غير التوربيني من نفس الحجم والتكنولوجيا. ويمكن أيضا أن يتم تخفيض استهلاك الوقود.
محركات الديزل أكثر كفاءة كلما أصبحت أكثر سخونة وعادة ما يتأكد من هذه الفوائد سائقو الديزل الذين يقودون لمسافات طويلة. بسبب تصميمها وطريقة احتراق الوقود، محركات الديزل تميل إلى إنتاج الطاقة وعزم الدوران عند سرعة محرك أقل من 3000RPM بينما تميل سيارة البنزين إلى إنتاج ذروة القوة وعزم الدوران عند سرعة محرك فوق 3000RPM. وهذا يعني أن السيارات التي تعمل بالديزل يمكن أن تظهر في الواقع أكثر كفاءة في استهلاك الوقود من أشقاء البنزين.
ما هي فوائد التوربو؟
ما هي عيوب التوربو؟
غالبا ما يعاني توربو من تأخر (Lag)، على الرغم من أن هذا الأمر أصبح أقل عقبة مع سيارات التوربو الحديثة. التوربو يميل أيضا للعمل ضمن نطاق دورة في الدقيقة معين فقط، ويمكن أن تزيد حرارته تماما في كثير من الأحيان وذلك يتطلب سباكة إضافية لضخ زيت المحرك من حوله للحفاظ عليه بارداً. وهذا يعني أن محركات التوربو يمكن أن تكون في بعض الأحيان أثقل قليلا على الزيت من محركات غير توربو.
ما هو محرك الإستنشاق الطبيعي NA؟
أي سيارة دون الشحن التوربيني أو السوبرشارجر يعتبر NA. وهذا يعني أن المحرك يعتمد على الضغط الجوي والفراغ الناجم عن حركة الاسطوانة لامتصاص الهواء إلى المحرك.
هل هناك أنواع مختلفة من التوربو؟
نعم، معظم سيارات التوربو تستخدم فقط شاحن توربيني واحد، ومعروفة باسم Single Turbo. وتتميز بعض المحركات بتوربو مزدوج (بي ام دبليو مشهورة بهذه التركيبة) والذي يستخدم توربو صغير وتوربو كبير كما شرحنا مسبقاً. بعض المحركات تعمل بالتوازي مع توأم توربو، وهو ما يسمى أيضا Bi-Turbo.
ثم هناك أيضاً Twin-scroll turbocharger (معظم التوربو يأتي single scroll) وهو ما يعني أن غازات العادم تنقسم، للسماح بتغذية مجموعة واحدة من الاسطوانات لتمرير واحد ومجموعة أخرى لتغذية التمرير الآخر وذلك يحافظ على الضغط في الشاحن التوربيني بغض النظر عن تسلسل إطلاق الاسطوانة (firing order). النوع القادم من الشاحن التوربيني هو بهندسة متغيرة (variable geometry)، والذي يسمح للتوربو أن يقدم أداء مستقر في جميع أنحاء مجموعة السرعة، والتكيف بفعالية لأكثر أو أقل من الضغط. وبذلك يحقق أقل تأخر وسلاسة تسليم القوة.
أما المرحلة المقبلة في تطوير التوربو ستكون توربو كهربائي يسمح لمحرك كهربائي أن يكون متصلا بالضاغط في الشاحن التوربيني لتوفير الطاقة عندما يكون هناك غازات العادم غير كافية، والقضاء على lag والسماح للمحرك بانتاج الكثير من عزم الدوران عند سرعات محرك منخفضة.
