سوپر شارژر ها و روش كار آنها

[Don Corleone]

از زمان اختراع موتورهاي درونسوز تاكنون، مهندسان خودرو و طراحان خودروهاي سرعت، همواره به دنبال راهي براي افزايش و ارتقاي قدرت موتور بوده‌اند.
يك راه افزايش قدرت موتور (توان موتور)، ساخت و توليد موتور بزرگتر است، اما ساخت اين موتور، افزايش وزن و هزينه بيشتر توليد و تعمير را به همراه دارد و راه‌حل خوبي نيست.
راه‌حل ديگر افزايش قدرت موتور، ساخت موتوري با بازده بالاتر است (البته با حفظ اندازه و بزرگتر نشدن موتور). اين امر زماني ميسر مي‌شود كه هوا با سرعت بيشتر و حجم بالاتر وارد محفظه احتراق موتور شود.
تراكم و حجم بالاي تركيب هوا و سوخت، باعث انفجار سريع و پرقدرت و در نتيجه افزايش توان خروجي و قدرت موتور مي‌شود.
استفاده از سوپرشارژرها، راه‌حل خوبي براي دسترسي به مكش هوا با تراكم بالا و سرعت بيشتر به داخل محفظه تراكم است.
در اين مقاله به معرفي سوپرشارژرها و اصول كاركرد آنها و همچنين مقايسه آنها با توربوشارژرها پرداخته مي‌شود.

اصول سوپرشارژرها
سوپرشارژر، وسيله تنظيم فشاري (افزايش فشار) است كه باعث مي‌شود هوا با فشاري بيشتر از فشار اتمسفر، به داخل محفظه تراكم موتور مكيده شود. توربوشارژرها نيز اين كار را انجام مي‌دهند. در واقع اصطلاح توربوشارژر همان كوتاه شده عبارت توربوسوپرشارژر است.
تفاوت بين توربوشارژر و سوپرشارژر در منبع تأمين انرژي آنهاست. توربوشارژرها، انرژي خود را از توربيني مي‌گيرند كه توسط جريان گازهاي خروجي و تخليه شده (از اگزوز خودرو) به چرخش در مي‌آيد. منبع تأمين انرژي سوپرشارژرها سيستمي كاملاً مكانيكي متشكل از تسمه يا زنجيره‌اي از چرخ دنده‌هاست كه به وسيله ميل‌لنگ موتور به حركت در مي‌آيند.
به‌طور معمول، چهار مرحله (كورس) در موتورهاي درونسوز تعريف مي‌شود كه يكي از آنها، مرحله «مكش» است. سه گام اين فرايند عبارتند از:
1. پيستون در داخل سيلندر به طرف پايين مي‌آيد.
2. خلاء ايجاد مي‌شود.
3. هوا در فشار اتمسفر، به داخل محفظه احتراق مكيده مي‌شود.
هواي مكيده‌شده به داخل موتور، بايد با سوخت تركيب شود و در ادامه، مخلوط سوخت و هوا با جرقه‌اي محترق شود و طي واكنشي شيميايي، انرژي پتانسيل به انرژي جنبشي قابل استفاده تبديل شود. جرقه، سبب اشتعال و انجام واكنش شيميايي منجر به احتراق كامل مي‌شود و انرژي زيادي آزاد مي‌گردد. انرژي حاصل از احتراق، به سيلندرها منتقل شده و در داخل سيلندر، پيستون به سمت پايين رانده مي‌شود و در نهايت، انرژي به چرخ‌ها منتقل مي‌شود.
ممكن است ميزان سوخت بيشتر، سبب انجام واكنش بهتر و سريع‌تر و در نهايت انرژي خروجي بيشتر شود، اما اين امر به‌سادگي ميسر نيست زيرا مخلوط هوا و سوخت بايد به نسبتي صحيح وجود داشته باشد تا احتراق كامل صورت گيرد (معمولاً نسبت هوا به سوخت 14 به 1 است).
سوپرشارژرها، فرايند مكش را با فشردن هوا (با فشار بيش از فشار اتمسفر) بدون ايجاد خلاء انجام مي‌دهند. اين عمل، باعث افزايش مقدار هواي ورودي به محفظه مي‌شود و توان موتور را ارتقا مي‌دهد. سوپرشارژرها، به‌طور ميانگين 46 درصد از توان موتور و 31 درصد از گشتاور خروجي آن را افزايش مي‌دهند.

سوپرشارژر Twin-screw

در مكان‌هاي مرتفع كه عملكرد موتور افت مي‌كند و فشار زيادي به موتور وارد مي‌شود (زيرا در اين مكان‌ها ميزان هوا كم و فشار هوا نيز كمتر است) سوپرشارژر با انتقال فشار بالاتر، باعث تقويت عملكرد موتور مي‌شود. با استفاده از سوپرشارژرها، عملكرد بهينه موتور را در اختيار خواهيم داشت. برخلاف توربوشارژرها كه از گازهاي خروجي و تخليه شده اگزوز براي ايجاد احتراق و درنهايت تأمين انرژي كمپرسور استفاده مي‌كنند، سوپرشارژرها مستقيماً انرژي خود را از ميل‌لنگ موتور تأمين مي‌كنند.
مشابه اغلب سيستم‌هاي مكانيكي و مكانيزم‌هاي انتقال قدرت، در سوپرشارژرها نيز، از چرخ‌دنده و تسمه براي انتقال نيرو استفاده مي‌شود. به طوري كه اين مكانيزم باعث چرخش روتور كمپرسور مي‌شود. روتور كمپرسور در طرح‌هاي مختلفي وجود دارد، اما كار آن كشيدن هوا به داخل، فشردن و متراكم كردن هوا و انتقال آن به محفظه كوچكتر و در نهايت ارسال هواي فشرده به منيفولد يا محفظه مكش است، يكسان مي‌باشد.
سوپرشارژرها ممكن است براي تنظيم فشار و رسيدن به فشار مناسب، به سرعت چرخش زيادي (حتي بيش از دور موتور) نياز داشته باشند. در اين حالت، چرخ‌دنده محرك سوپرشارژرها بزرگتر از چرخ‌دنده كمپرسور ساخته مي‌شود. سوپرشارژرها مي‌توانند سرعت‌هاي بيش از 50 هزار تا 65 هزار دور در دقيقه داشته باشند. سوپرشارژري كه مي‌تواند با سرعت 50 هزار دور در دقيقه بچرخد، حدود 6 تا 9 Psi فشار بيشتر (نسبت به فشار اتمسفر) تأمين مي‌كند و اين يعني حدود 50 درصد انتقال هواي بيشتر به محفظه احتراق موتور.


Procharger DISC centrifugal supercharger

هوا پس از تراكم و فشرده شدن، گرمتر مي‌شود. بر اثر گرم شدن هوا، چگالي آن پايين مي‌آيد و نمي‌تواند براي احتراق مناسب باشد. يعني از پتانسيل و توان كافي براي مشتعل شدن برخوردار نخواهد بود.
براي اينكه سوپرشارژرها با بالاترين ظرفيت و بيشترين بازده كار كنند، قسمت يا واحد شارژ مجدد در آنها تعبيه شده است كه هوا را قبل از ورود به منيفولد، خنك مي‌كند. به اين بخش، اينتركولر مي‌گويند. اينتركولر در دو طرح وجود دارد: 1. هوا به هوا 2. هوا به آب.
اينتركولر در هر دو طرح، مانند رادياتور كار مي‌كند كه هوا يا آب با حركت در مجموعه‌اي از لوله‌ها خنك مي‌شود. در واقع، هواي گرم شده خارج از سوپرشارژر، وارد لوله‌هاي اينتركولر شده و خنك مي‌شود. كاهش دماي هوا باعث افزايش چگالي و در نهايت وجود هواي بيشتر در محفظه احتراق مي‌شود.

انواع سوپرشارژرها
سه نوع سوپرشارژر وجود دارد:
1. Roots Supercharger يا شبه چرخ‌دنده‌اي (دنده مانند)
2. Twin- Screw Supercharger يا دو پره‌اي
3. Centrifugal Supercharger يا گريز از مركز
فرق اساسي اين سه نوع سوپرشارژر، در روش ارسال و انتقال هوا به منيفولد موتور است. نوع شبه چرخ‌دنده‌اي و دوپره‌اي از انواع مختلفي Meshing lobes (قطعات دنده يا پره مانند) استفاده مي‌كنند. سوپرشارژرهاي گريز از مركز، از پروانه‌هاي دوران كننده‌اي استفاده مي‌كنند كه باعث مكش هوا به داخل مي‌شوند.



The Eaton supercharger, a modified Roots supercharger

تمامي انواع سوپرشارژرها در نهايت باعث تقويت و افزايش توان موتور مي‌شوند، اما تفاوت قابل ملاحظه آنها در بازده آنهاست. هر كدام از انواع سوپرشارژرها، در اندازه‌هاي مختلف موجود بوده و بسته به كاربرد و استفاده خودرو در مسابقات ورزشي يا سرعت، انتخاب مي‌شوند.


Roots Supercharger

سوپرشارژر شبه چرخ‌دنده‌اي
در سوپرشارژر شبه چرخ‌دنده‌اي يا دنده مانند، با چرخش اجزاي دنده مانند، هوا به درون محفظه داخلي مكيده مي‌شود. با توجه به سرعت زياد چرخش و كوچكي محفظه داخلي، هوا با فشار و سرعت بالا خارج مي‌شود. سوپرشارژر شبه دنده‌اي مانند دمنده هواست و اغلب اصطلاح «دمنده هوا» را به عنوان معادل آن به كار مي‌برند.
سوپرشارژرهاي شبه چرخ دنده‌اي، معمولاً بزرگ و حجيم هستند و بالاي موتور نصب مي‌شوند. در بعضي از خودروها، به علت بزرگي اندازه، خارج از كاپوت خودرو نيز نصب مي‌شوند.
اين نوع سوپرشارژرها، داراي كمترين بازده هستند زيرا هم وزن زيادي را به خودرو اعمال مي‌كنند و هم هوا را به صورت گسسته و ناپيوسته به منيفولد انتقال مي‌دهند كه در نتيجه انفجار و احتراق پيوسته ايجاد نمي‌شود.


سوپرشارژر دوپيچه‌اي
اين نوع سوپرشارژرها از دو قطعه همانند و شبيه چرخ‌دنده مارپيچي ساخته شده‌اند كه هوا با عبور از بين آنها متراكم مي‌شود.
هوا در فضاي بين روتورها محصور شده و از محفظه مخروطي شكلي خارج مي‌شود، سپس به فضاي كوچكتري فشرده و پمپ مي‌گردد.


بازده اين نوع سوپرشارژرها بيشتر، اما هزينه ساخت و قيمت آنها بالاتر است زيرا فرايند ساخت اجزاي آن و روتور، به ظرافت و دقت بسياري نياز دارد. برخي انواع سوپرشارژرهاي دوپره‌اي، در قسمت فوقاني موتور (مانند سوپرشارژرهاي شبه چرخ‌دنده‌اي) نصب مي‌شوند. اين نوع سوپرشارژرها، نويز و سروصداي زيادي دارند زيرا هواي خروجي فشرده شده از قسمت خروجي، صدايي سوت‌‌مانند ايجاد مي‌كند.


Twin- screw supercharger


سوپرشارژر گريز از مركز
در اين نوع سوپرشارژرها، از قطعه‌اي پروانه مانند كه با سرعت بسيار بالا حول محور خود (مانند روتور) مي‌چرخد، استفاده مي‌شود. هوا توسط پروانه‌ دواري كه با سرعت بسيار بالا مي‌چرخد به محفظه كمپرسور مكيده مي‌شود. هواي خروجي در اين مرحله، داراي سرعت بسيار بالا، اما فشار پايين است. به وسيله ديفيوزري هواي سرعت بالا، فشار پايين به هواي سرعت پايين، فشار بالا تبديل مي‌شود. براثر برخورد مولكول‌هاي هوا به پره‌هاي ديفيوزر، هوا گرمتر و سرعت آن كمتر شده و فشار هوا افزايش مي‌يابد.


Centrifugal Supercharger

سوپرشارژرهاي گريز از مركز، داراي بيشترين بازده در مقايسه با انواع مختلف سوپرشارژر هستند. اين سوپرشارژرها، كوچك و سبك بوده و به جاي بالاي موتور در قسمت بالاي آن نصب مي‌شوند. همچنين، استفاده از اين نوع سوپرشارژرها باعث مطلوب شدن صداي كاركرد موتور مي‌شود. برخي سوپرشارژرها در تعميرگاه‌ها و نمايندگي‌ها قابل نصب هستند. برخي از سازندگان خودرو، كيت مناسبي براي نصب سوپرشارژر پيشنهاد مي‌كنند و برخي از سازندگان خودرو، بعضي از محصولات خويش را با سوپرشارژر عرضه مي‌كنند.

مزايا، معايب و سير تكاملي سوپرشارژرها
بزرگترين مزيت استفاده از سوپرشارژرها، افزايش توان و قدرت موتور است. براستي از بين سوپرشارژر و توربوشارژر كدام را انتخاب كنيم؟ اين سؤال بسياري از مهندسين و علاقه‌مندان به خودرو است.
نظرات مختلفي در مورد اين دو سيستم و بهينه بودن هر يك، وجود دارد. برخي بر اين باورند كه توربوشارژر به دليل استفاده از دود اگزوز كه انرژي هدر رفته‌اي تلقي مي‌شود، نسبت به سوپرشارژري كه نيروي خود را از موتور خودرو مي‌گيرد و خود باعث كاهش قدرت موتور مي‌شود، بهتر عمل مي‌كند. از طرف ديگر، وجود يك توربين درون اگزوز، خود باعث ايجاد فشار در تخليه دود موتور مي‌شود. از سوي ديگر به دليل كم بودن فشار گازهاي خروجي از اگزوز در دورهاي پايين موتور، عملاً توربوشارژرها در دورهاي پايين كارايي ندارند. اين مورد باعث ايجاد تأخير از زمان فشردن پدال گاز تا به كار بردن توربوشارژر مي‌شود. به اين تأخير، Turbo Lag يا كاستي قدرت گفته مي‌شود. البته اين مورد با استفاده از دو توربين در مدل‌هايي از تويوتا، مزدا، سوبارو، آئودي و مرسدس، تا حدودي حل شده است. مشكل ديگر در مواردي بروز مي‌كند كه كمپرسور توربين، كوچك باشد. گرماي پروانه درون اگزوز به قسمت هواي ورودي منتقل شده و باعث گرم شدن بيشتر هوا مي‌شود (فشرده شدن هوا نيز باعث افزايش حرارت آن مي‌شود). از آنجا كه هواي خنك براي سوختن در خودرو مناسب‌تر است، استفاده از يك اينتركولر در اين سيستم‌ها ضروري است. در سوپرشارژرها نيز قبل از ورود هوا به سيلندرها از اينتركولر استفاده مي‌شود. در گذشته، عملاً بيشتر توربوشارژر در خودروهاي ديزلي استفاده مي‌شد و در مورد موتورهاي بنزيني تنها در مدل‌هايي از پورشه، ساآب و خودروي مسابقه‌اي، مورد استفاده قرار مي‌گرفت. با پيشرفت علم و تكنولوژي و تغييرات جديد در اين سيستم، خودروسازان در سال‌هاي اخير براي موتورهاي بنزيني خود به اين سيستم روي آورده‌اند. از آن جمله به نظر مي‌رسد رويكرد جديد مرسدس بنز، استفاده از توربوشارژر باشد زيرا در ليست موتور مدل‌هاي سري A و B جديد اين شركت، موتورهاي بنزيني Turbo200 خودنمايي مي‌كنند.



در مقابل، سوپرشارژر كه چند سالي است در كلاس‌هاي SLR,E,C و SLK مرسدس و همچنين ميني‌كوپرها ديده مي‌شود، به دليل تأمين نيروي چرخنده از موتور، در هر لحظه با فشردن پدال در هر دور موتور قدرت لازم را به راننده ارائه مي‌دهد. اين سيستم همواره و در هر حالتي فعال است، يعني زماني كه خودرو در جا كار مي‌كند و يا با سرعت كم حركت مي‌كند، سوپرشارژر فعال مي‌باشد. اين مشكل، در سال‌هاي اخير توسط مرسدس و با افزودن يك هرزگرد در پولي كمپرسور، حل شده است. مبحث كاهش قدرت موتور به خاطر تأمين نيروي كمپرسور سوپرشارژر نيز صحيح است، اما قدرتي كه اين سيستم توليد مي‌كند، به مراتب بيشتر از نيرويي است كه از موتور مي‌گيرد و يا به اصطلاح هدر مي‌دهد.
در هر شكل، مشكلات اين دو سيستم طي سال‌هاي گذشته، در حال برطرف شدن است، اما به نظر مي‌رسد آينده از آن سيستم‌هايي باشد كه نيروي توربين خود را به صورت الكتريكي تأمين مي‌كنند. اين سيستم‌ها هم اينك با نام سوپرشارژر براي تيونينگ خودروها به كار برده مي‌شوند.
نتيجه اينكه سوپرشارژرها به علت مزاياي بيشتري كه نسبت به توربوشارژرها دارند، بيشتر مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اين قابليت‌ها و مزيت‌ها عبارتند از:
- ميزان تأخير در سوپرشارژرها كمتر است. يعني زماني كه پدال گاز را فشار مي‌دهيم تا زماني كه واكنش مناسبي از موتور دريافت كنيم در سوپرشارژرها كمتر است، اما در توربوشارژرها اين ميزان تأخير به سبب مكانيزم عملكرد آن كه از گاز خروجي از اگزوز براي چرخاندن توربين استفاده مي‌شود، بيشتر است كه در سوپرشارژرها هيچ تأخيري به اين دليل كه حركت خود را مستقيماً از ميل‌لنگ موتور مي‌گيرند، وجود ندارد.
- سوپرشارژرها در دور موتور پايين‌تر بازده بيشتري دارند. اين امر باعث داشتن توان بيشتر در دور موتور پايين‌تر مي‌شود. سوپرشارژرهاي گريز از مركز كه داراي بيشترين بازده هستند، در دور موتور بالاتر توان بيشتري فراهم مي‌كنند.
- نصب و راه‌اندازي توربوشارژر، به تغييرات گسترده و نصب قطعات مختلف روي سيستم تخليه گاز خروجي از اگزوز نياز دارد، اما سوپرشارژرها روي موتور يا كنار آن نصب مي‌شوند. ارزان‌تر بودن، نصب آسان و تعمير ساده، از ديگر مزاياي استفاده از سوپرشارژرها، است.
- سوپرشارژرها بي‌نياز از روغن‌كاري هستند، اما توربوشارژرها به مكانيزم روغنكاري نياز دارند. توربوشارژرها نياز به خنك شدن دارند و از روغنكاري و CoolDown استفاده مي‌كنند. در كل، مي‌توان نتيجه گرفت كه در دماي يكسان، سوپرشارژرها عملكرد مناسب‌تري دارند.
- يكي از بزرگترين معايب سوپرشارژرها، محدوديت در مشخصه‌هاي فني آنهاست. يعني آنها تا حد معين و محدودي مي‌توانند فشار هوا و در نهايت توان موتور را بالا ببرند زيرا ميل‌لنگ كه عامل حركت آنهاست مقداري از توان موتور را مصرف مي‌كند و مقداري انرژي تلف شده وجود خواهد داشت، سوپرشارژرها حدود 20 درصد از توان خروجي موتور را مي‌گيرند اما در حالت بهينه كاركرد، حدود 46 درصد توان موتور را ارتقا مي‌دهند.
در ضمن، به دليل عملكرد مكانيزم و واكنش‌هاي داخلي سوپرشارژر، تنش اضافه‌اي به موتور وارد مي‌شود. با وجود معايبي كه در مورد سوپرشارژرها ذكر شد، كماكان استفاده از آنها به دليل عملكردي كه در افزايش توان موتور دارند و از نظر اقتصادي نيز به صرفه مي‌باشند ، رايج است.

منابع:
• "All about blowers: The ins and outs of compressing air." Muscle Mustangs and Fast Fords.
[External Link Removed for Guests]
• Barnes, Dan. "Supercharger Overview: Everything you wanted to know about supercharger." Sport compact car.
[External Link Removed for Guests]
• Brauer, Karl. "Charge it!" Edmunds.com
[External Link Removed for Guests]
• Ferrari, Brian. "Overview: Supercharger vs. turbocharger". Automotive Articles.com
[External Link Removed for Guests]
• Phenix, Matthew. "The turbo- and superchraged car". Popular science. October 2005.
نويسنده : مهران قنبري