موتورهای با هواکشی طبیعی
در اغلب موتورها، فشار جوتنها نیروی رانش هوا به درون منیفولد بنزین است. این موتورها هواکشی طبیعی یا عادی دارند. فشار هوایی که وارد این موتور های میشود همان فشار طبیعی جو است. مقدار سوختی که در سیلندهای این نوع موتورها بسوزد محدود است و به مقدار هوایی که تحت فشار جو وارد موتور می شود بستگی دارد.
فرض کنید موتوری روشن است و دریچه گاز آن در حالت نیمه باز قرار دارد(شکل ۱). مقدار هوای ورودی به منیفولد بنزین به اختلاف فشار هوا در بالا و پایین دریچه گاز بستگی دارد. فشار هوای بالای دریچه همان فشار جو یا معادل ۱۰۱.۳ پاسکال (۱۴.۷ پوند بر اینچ مربع) است. فشار هوای زیر دریچه، وقتی دریچه نیمه باز است، از فشار جو کمتر است. فشار کمتر از فشار جو، فشار منفی است که معمولا آن را خلاء می نامیم.
شکل ۱
خلاء زیر دریچه گاز را پیستون ها، در حال حرکت مکش، ایجاد می کنند. وقتی پیستون ها از نقطه مرگ بالایی می گذرند و رو به پایین سیلندر می روند، حجم فضای بالای آنها بیشتر می شود. در نتیجه فشار در منیفولد بنزین کاهش می یابد و خلاء نسبی به نام مکش منیفولد بنزین در آن ایجاد می شود.
میزان مکش منیفولد، بسته به بار موتور و دریچه گاز از «زیاد» تا «کم» تغییر می کند. وقتی موتور درجا کار می کند و دریچه گاز کاملا بسته است، مکش ممکن است زیاد باشد و به ۵۶۰ میلیمتر (۲۲ اینچ) جیوه برسد(شکل ۱ الف). وقتی دریچه گاز باز می شود مکش کاهش می یابد (شکل ۱ ب). وقتی دریچه گاز کاملا باز است (شکل ۱ ج) فشار هوا در بالا و پایین دریچه برابر فشار جو است. در این حالت مکش منیفولد بنزین صفر یا تقریبا صفر است ( حتی وقتی که دریچه گاز کاملا باز است، محدودیت ناشی از عبور هوا از بدنه دریچه گاز ممکن است سبب ایجاد مکش شود).
هواکشیِ واداشته
توان موتور درسرعت مفروض وقتی بیشتر است که مخلوط هوا- سوخت بیشتری به درون سیلندر ها رانده شود. ورود مخلوط هوا- سوخت بیشتر به سیلندر ها به معنای فشار بیشتر در حرکت انبساط و در نتیجه توان خروجی بیشتر است. استفاده از پمپ برای راندن مقدار بیشتری مخلوط هوا- سوخت در سیلندر ها را هواکشی واداشته می نامند. هواکشی واداشته یکی از روش های افزایش بازده حجمی است. موتوری که بر اساس هواکشی واداشته کار می کند می تواند از موتور مشابه که هواکشی طبیعی داشته باشد، در حدود۳۵ تا ۶۰ درصد بیشتر توان تولید کند.
هواکشی واداشته را می توان به کمک سوپر شارژکن یا توربوشارژکن انجام داد. سوپر شارژ کن و توربوشارژکن پمپ هوا یا دمنده اند و می توانند مقدار بیشتری مخلوط هوا- سوخترا به داخل موتور برانند. در این حالت در منیفولد بنزین به جای مکش، فشار وجود دارد. این فشار را فشار تقویتی می نامند. وقتی موتور به فشار تقویتی نیازمند نباشد، به حالتی مانند موتور های با هواکشی طبیعی کار می کند. در نتیجه با استفاده از موتوری کوچک می توان در حالت عادی در مصرف سوخت صرفه جویی کرد و در هنگام نیاز به اندازه موتوری بزرگ کار کشید.
ساختمان و طرز کار سوپر شارژکن با توربوشارژکن تفاوت دارد. یکی از تفاوت های اساسی آنها در نحوه به حرکت در آمدن است. سوپر شارژکن به صورت مکانیکی و به وسیله تسمه یا زنجیر از میل لنگ نیرو می گیرید. توربو شارژکن را دود خروجی از موتور به کار می اندازد.
سوپر شارژکن ها
انواع سوپر شارژ کن
در چند نوع خودروی قدیمی از سوپر شارژ کن استفاده می شد، اما راننده ها از سر و صدای آن و مصرف سوخت زیاد شکایت داشتند. به تدریج توربوشارژکن جای آن را گرفت. اما به تازگی به دلیل پس افت توربو، بعضی از خودرو سازان دوباره به سوپر شارژکن رو آورده اند و در موتور های پر قدرت به جای توربوشارژکن از آن استفاده می کنند. جوابدهی سوپر شارژکن فوری است و بلافاصله پس از فشردن پدال گاز واکنش نشان می دهد. در سوپر شارژکن های جدید سر و صدا و مصرف سوخت هم کاهش یافته است.
سازندگان خودرو از دو نوع سوپر شارژکن استفاده می کنند: سوپر شارژکن روتس و سوپر شارژکن مارپیچی.
سوپر شارژکن روتس
سوپر شارژکن روتس از انواع دیگر رایج تر است(شکل۲). این سوپر شارژکن دو روتور طویل دارد که داخل پوسته ای می چرخند. هر روتور دو یا سه برجستگی دارد (شکل ۳) که مستقیم یا حلزونی اند. روتور ها به وسیله چرخ دنده با هم درگیر می شوند و به وسیله تسمه یا زنجیر از میل لنگ نیرو می گیرید. دور سوپر شارژکن دو تا سه برابر دور موتور است.
شکل٢
شکل ٣
کاربراتور یا واحد سوخت پاشی در بدنه دریچه گاز معمولا در سمت ورودی هوای سوپر شارژکن نصب می شود. مخلوط هوا- سوخت از سوپر شارژکن می گذرد. اما در صورتی که از سیستم سوخت پاشی در دریچه بنزین استفاده شود، فقط هوا از سوپر شارژکن عبور می کند.
در شکل ۴ نحوه عبور هوای ورودی از سوپر شارژکن روتس، برای سیستم سوخت پاشی در دریچه بنزین نشان داده شده است. هوا از هواکش و جریان سنج یا حسگر هوا عبور می کند. این حسگر مقدار هوای ورودی را به کامپیوتر موتور اطلاع می دهد. سپس هوا از دریچه گاز عبور می کند و وارد سوپر شارژکن می شود.
هوا، فضای بین برجستگی های روتور ها و پوسته سوپر شارژکن را پر می کند(شکل۲). روتورها هوای به دام افتاده را دور پوسته می چرخانند و به دریچه های خروجی می رسانند. سپس روتورهای درگیر هوا را با فشار بیرون می رانند و آن را به داخل منیفولد بنزین یا سردکن میانی می فرستند(شکل ۴). هوای تخلیه شده از سوپرشارژکن یا هوای تقویت شده به هوای جلوتر از خود فشار وارد می کند. در نتیجه در سیستم هواکشی واداشته فشار منیفولد یا فشار تقویتی ایجاد می شود.
شکل ۴
سوپرشارژکم روتس نوعی پمپ هوا با جا به جایی مثبت است. وقتی دریچه گاز باز است، در هر دور چرخش روتور مقدار مساوی هوا وارد منیفولد بنزین می شود. مقدار هوای ورودی به منیفولد به دور موتور بستگی ندارد. در یک نوع موتور، حداکثر فشار تقویتی به میزان تقریبا ۸۲.۵ کیلوپاسکال (۱۲ پوند بر اینچ مربع) در حدود دور موتوری معادل ۴۰۰۰ دور در دقیقه حاصل می شود. سرعت چرخش نظیر سوپرشارژکن ۱۰۴۰۰ دور در دقیقه است.
کاهش نیروی مقاوم سوپر شارژکن
به کار انداختن سوپر شارژکن، بویژه زیر بار کامل، سبب مصرف توان موتور می شود. این اتلاف توان را اتلاف سرباری می نامند. بعضی از سوپر شارژکن ها برای کاهش میزان اتلاف سرباری کلاچ مغناطیسی دارند. این کلاچ را کامپیوتر موتور کنترل می کند و کار آن درگیر و خلاص کردن سوپر شارژکن در هنگام لزوم است. وقتی بار موتور کم باشد سوپر شارژکن خلاص می شود.
روش دیگر کاستن از نیروی مقاوم سوپرشارژکن استفاده از شیر تنظیم تقویت یا شیر کنار گذر است. وقتی دریچه گاز نیمه باز باشد در منیفولد بنزین خلاء ایجاد می شود. در این هنگام شیر کنار گذر مقداری از هوای خارج شده از سوپر شارژکن را به ورودی آن باز می گرداند. در نتیجه قدرت موتور بیشتر و مصرف سوخت کمتر می شود. شیر کنار گذر یا بر اساس خلاء ایجاد شده در منیفولد بنزین و یا به وسیله میله بندی گاز کنترل می شود. وقتی موتور درجا کار می کند (دریچه گاز بسته است) شیر کنارگذر کاملا باز است. وقتی دریچه گاز کاملا باز می شود، شیر کنار گذر بسته است.
سوپر شارژکن ماپیچی
نوع دیگری از پمپ هوا با جا به جایی مثبت، سوپرشارژکن مارپیچی است. کارخانه فولکس واگن این نوع سوپرشارژکن را «شارژکن G» می نامد. زیرا شکل مارپیچ های آن شبیه حرف G است. در پوسته این نوع سوپر شارژکن، جا به جا کننده ای وجود دارد که در داخل مارپیچ ها حرکت می کند و هوا را فشرده می سازد(شکل ۵) . این جا به جا کننده نمی چرخد بلکه حرکت خارج از مرکز (لنگ) دارد.
در این نوع سوپرشارژکن از دو محور لنگ استفاده می شود. محور محرک جا به جا کننده، جا به جا کننده را به حرکت در می آورد.محور دیگر مانع چرخش جا به جا کننده می شود. با استفاده از یک تسمه تنظیم دندانه دار کوچک، رابطه چرخشی دو محور حفظ می شود تا محور ها هم فاز بچرخند.
جا به جا کننده هوای ورودی را بین دو محفظه داخلی و خارجی تقسیم می کند. با چرخش محور جا به جا کننده (شکل ۵) بادامک های روی محور، جا به جا کننده را به حرکت دایره ای وامی دارند. در نتیجه محفظه های داخلی و خارجی که به وسیله مارپیچ ها تشکیل می شوند باز و بسته می شوند. در نتیجه این عمل هوا به دام می افتد، فشرده می شود و از مجراهای تخلیه واقع در حوالی مرکز پمپ بیرون رانده می شود.
شکل ۵
توربوشارژکن ها
ساختمان و طرز کار توبروشارژکن
توربوشارژکن (شکل ۶) یک پمپ هوای گریز از مرکز (سانتریفوژ) است که به وسیله دود موتور به کار می افتد. این پمپ مقدار بیشتری هوا یا مخلوط سوخت– هوا را به داخل موتور می راند. در نتیجه فشار احتراق و توان موتور افزایش می یابد.
شکل۶
شکل ٧
در شکل های ۶ (ب) و ۷ جریان هوا و دود عبوری از توربوشارژکن نشان داده شده است. دو موتور یا چرخ- یک کمپرسور و یک توربین- روی دو سر یک محور نصب شده اند. این محور و چرخ ها مجموعه چرخ و محور را تشکیل می دهد. وقتی موتور روشن است دود وارد توربین می شود. دود ورودی به توربین به تیغه ها برخورد می کند و توربین را می چرخاند به طوری که سرعت چرخش آن به ۱۲۰۰۰۰ دور دردقیقه یا بیشتر می رسد. کمپرسور هم روی همین محور نصب شده است، بنا بر این با همین سرعت می چرخد. وقتی کمپرسور می چرخد، هوا تازه را به درون می کشد، آن را فشرده می کند و سپس هوای فشرده را بیرون می راند تا وارد منیفولد بنزین شود.
به دلیل بالا بودن سرعت چرخش محور توربوشارژکن باید از یاتاقان های آن مراقبت ویژه ای به عمل آید. معمولا جریان یکنواختی از روغن موتور در این یاتاقان ها جریان دارد (شکل ۶). درنتیجه یاتاقان ها خنک و چرب می مانند. در بعضی از موتور ها، مایع خنک کننده موتور (آب) از پوسته یاتاقان ها میگذرد تا به سرد کردن یاتاقان ها و روغن موتور کمک کند.
مجرای تخلیه توبروشارژکن
توبوشارژکن می تواند فشار تقویتی را تا جایی افزایش دهد که سبب وقوع انفجار و آسیب دیدن موتور شود. برای محدود کردن فشار تقویت و جلوگیری از تقویت اضافی، بیشتر توربوشارژکن ها یک مجرای تخلیه دارند( شکل ۸). مجرای تخلیه شیری است که وقتی فشار تقویت به میزان معین می رسد باز می شود. در این هنگام بخشی از دود وارد توربین نمی شود. و از مجرای تخلیه عبور می کند. این دود«تلف» می شود زیرا به چرخش توبین کمک نمی کند.
مجرای تخلیه با هوای فشرده یا به وسیله کامپیوتر کنترل می شود. در شکل ۹ طرز کار مجرای تخلیه پنوماتیکی نشان داده شده است( پنوماتیکی یعنی آنچه با هوای فشرده کار می کند). وقتی فشار تقویتی از نیروی فنر دیافراگم کارانداز بیشتر شود فنر فشرده می شود. (شکل ۸ ب). در نتیجه مجرای کنا گذر مجرای تخلیه باز می شود. افزایش سرعت توربین دیگر امکان پذیر نیست؛ بنابر این فشار تقویتی محدود می شود.
شکل ٨
در منیفولد بنزین موتورهایی که مجرای تخلیه آنها با کامپیوتر کنترل می شود یک حسگر فشار وجود دارد(شکل ۹). وقتی فشار تقویتی بیش از اندازه بالا می رود، این حسگر به کامپیوتر موتور سیگنال می فرستد. کامپیوتر موتور شیر سلونوئیدی را کار اندازی می کند که کار آن کنترل کار انداز مجرای تخلیه است. این کارانداز مجرای تخلیه را باز می کند.
شکل ٩
سرد کن میانی
وقتی هوا فشرده می شود دمای آن افزایش می یابد. در نتیجه افزایش دما، هوا منقبض و رقیق می شود. هوای گرم اکسیژن کمتری برای احتراق دارد. برای خنک کردن هوا و افزایش چگالی آن، بیشتر موتور های دارای توربوشارژکن یا سوپرشارژکن یک سرد کن میانی دارند(شکل های ۴ و ۱۰). این سرد کن میانی یک مبادله کن گرما، شبیه رادیاتور، است که هوای فشرده را خنک می کند. در نتیجه هوای ورودی به موتور خنک است و می توان بدون نگرانی از بابت خطر انفجار، نسبت تراکم را بالا گرفت.
شکل ١٠
سردکن میانی نشان داده شد در شکل های ۴ و ۱۰ سردکن میانی هوا خنک است. این نوع سردکن گرمای هوای داغ را به هوای سرد می دهد. هوای فشرده داغ از مجراهای داخلی سردکن میانی میگذرد. هوای سرد بیرون از میان پره هایی که این مجراها را احاطه کرده اند عبور می کند. مقداری از گرمای فشرده از طریق پره ها به هوای سرد بیرون منتقل می شود.
بسیاری از موتورهای توربوشارژکن دار و سوپرشارژکن دار یک سیستم کنترل انفجار الکترونیکی دارند. این سیستم شامل یک حسگر انفجار یا حسگر ضربه است. (شکل۹) در صورت آغاز انفجار این حسگر به کامپیوتر موتور سیگنا می دهد که جرقه را به تاخیر بیاندازد.
پس افت توربوشارژکن
وقتی بار موتور کم است و خودرو با سرعت بهینه حرکت می کند، توربوشارژکن درجا کار میکند. منیفولد بنزین تحت خلاء است و مقدار کمی دود .ارد توربین می شود. در نتیجه کمپرسور آهسته تر از آن میچرخد که هوای ورودی را فشرده کند.
وقتی راننده پدال گاز را فشار می دهد. تا موتور توان بیشتری پیدا کند در یچه گاز باز می شود. در این هنگام هوا- سوخت بیشتری وارد موتور می شود به طوری که خلاء در منیفولد بنزین کاهش می یابد. با سوخت این مخلوط اضافی هوا–سوخت، جریان گاز های حاصل از احتراق افزایش می یابد. در نتیجه دور توربین و کمپرسور بالا می رود تا جایی که کمپرسور هوای تقویتی تولید کند.
بسیباری از رانندگان خودروهای مجهز به توربوشارژکن از «پس افت توربو» شکوه می کنند. پس افت توربو تاخیری است که بین باز شدن دریچه گاز و افزایش توان حاصل از به کار افتادن توربوشارژکن وجود دارد. پس افت، زمانی است که توربینی که درجا کار میکند نیاز دارد تا به سرعت مناسب برای تقویت برسد. پس افت شامل زمان لازم برای پر شدن سردکن میانی و لوله ها را نیز شامل می شود. پس افت کل ممکن است در حدود نیم ثانیه یا بیشتر باشد. این زمان چشمگیر است و بسیاری از رانندگان به آن معترض اند.
یکی از راه حل ها ۀن است که قطعات چرخان- چرخ های کمپرسور و توربین- را تا حد امکان سبک بسازند. قطعات سبک زود تر سرعن می گیرند. راه حل دیگر استفاده از دو توربوشارژکن کوچک به جای یک توربوشارژکن بزرگ است. وقتی قطعات چرخنده کوچک و سبک باشند زمان پس افت کاهش می یابد.
توربوشارژکن با شکل هندسی متغیر
استفاده از توربوشارژکن با شکل هندسی متغیر راه دیگری برای کاهش زمان پس افت است. در این روش زاویه برخورد دود به تیغه های توربین را تغییر می دهند. در نتیجه می توان در دور کمِ موتور سرعت توربین را افزایش و پس افت توربو را کاهش داد. وقتی از این نوع توربوشارژکن استفاده می شود به مجرای تخلیه نیازی نیست. با حرکت دادن پره ها می توان سرعت توربین و میزان تقویت را کنترل کرد. دو نوع توربو شارژکن با شکل هندسی متغیر عبارت اند از توربوشارژکن با شیپوره متغیر و توربوشارژکن با سطح متغیر.
شکل ١١
توربوشارژکن با شیپوره متغیر ۱۰ تا ۱۵ پره متحرک دارد که در پیرامون چرخ توربین نصب شده اند(شکل ۱۱). کار اندازی که کامپیوتر موتور آن راکنترل می کند، وضعیت پره ها را کنترل می کند. وقتی دور موتور پایین است، این پره ها فقط اندکی باز هستند. در نتیجه مقابل عبور دود مانع جدی نیست و فشار هوا به طور غیر ضروری افزایش نمی یابد. وقتی دریچه گاز باز می شود، پره ها کاملا باز می شوند. دود خروجی از موتور آزادانه به میان پره های توربین می رود. در نتیجه دور موتور و توان آن افزایش می یابد.
توربوشارژکن با سطح متغیر نیز همین اثر را ایجاد می کند. کامپیوتر موتور یک یا چند پره را در ورودی توربین کنترل می کند. این پره ها دود را به سمت تیغه های توربین هدایت می کنند. در نتیجه این عمل سرعت دود و بنا بر این دور توربین کنترل می شود. برای افزایش سرعت خودرو، پره ها طوری حرکت می کنند که سرعت دود افزایش یابد. در نتیجه فشار هوا سریعتر افزایش می یابد.