ENGIN

خصوصيات احتراقي هيدروژن

         محدوده وسيع قابليت احتراق

         انرژي مشتعل شدن كم

         ضخامت كم لايه خاموش شدن(quench )

         دماي خودسوزي بالا (اكتان زياد )

         سرعت سوختن زياد در نسبت استوكيو متريك

         ضريب پخش زياد

         چگالي خيلي كم

محدوده وسيع قابليت اشتعال

n       هيدروژن در مقايسه با ديگر سوخت ها محدوده وسيعي در قابليت اشتعال دارد . يعني موتور ميتواند در نسبت هاي مختلفي از مخلوطهاي هوا به سوخت كار كند. يك مزيت مهم آن اين است كه هيدرژن مي تواند در يك مخلوط رقيق هم روشن باشد. اين همان علت آن ست كه موتور هيدروژني واقعا به آساني روشن مي شود.هيدروژن از نسبت 34:1 تا 180:1 مي تواند كار كند.

انرژي مشتعل شدن كم

n       هيدروژن انرژي مشتعل شدن كمي دارد. ميزان انرژي مورد احتياج براي مشتعل شدن هيدروژن حدودا يك مرتبه بزرگي كمتر از بنزين است. اين موتور هيدروژني را توانا مي كند تا در مخلوطهاي رقيق روشن شود و روشن شدن سريع را اطمينان دهد.

ضخامت كم لايه خاموش شدن(quench )

n       هيدروژن ضخامت لايه خاموش شدن كمي دارد ،كمتر از بنزين. در نتيجه ، شعله هاي هيدروژن نسبت به سوخت هاي ديگر  قبل از اينكه خاموش شوند به ديواره سيلندر نزديكتر مي شوند. بنابراين يك شعله هيدروژن سخت تر از بنزين خاموش مي شود.

دماي خودسوزي بالا (اكتان زياد )

n       هيدروژن دماي خود سوزي نسبتا بالايي دارد. اين وقتي مخلوط سوخت و هوا فشرده مي شود معني خيلي مهمي دارد . در واقع ، دماي خود سوزي يك فاكتور مهم در تعيين نسبت تراكمي كه موتور ميتواند استفاده كند است ، چون ميزان بالا رفتن دما هنگام تراكم به نسبت تراكم مربوط مي شود.

سرعت سوختن زياد در نسبت استوكيو متريك

n       تحت شرايط استوكيو متريك، سرعت سوختن هيدروژن تقريبا يك مرتبه بزرگي بزرگتر از بنزين است . اين به اين معني است كه موتورهاي هيدروژني به سيكل ايده آل ترموديناميكي نزديكتر هستند . در مخلوطهاي رقيق تر ، هر چند ، سرعت شعله به طور چشمگيري كم مي شود.

ضريب پخش زياد

n       اين توانايي پراكنده شدن در هوا به طور قابل توجهي بزرگتر از بنزين است و اين مزيت است ، به دو دليل اصلي: اولا ، آن تشكيل مخلوط يكنواخت را آسان مي كند. ثانيا، اگر نشتي هيدروژن اتفاق بيفتد ، هيدروژن به سرعت پراكنده مي شود . از اين رو ، خطر انفجار مي تواند كم يا جلوگيري شود .

چگالي خيلي كم

n       اين دو عيب را در موقعي كه در موتورهاي احتراق داخلي استفاده مي شود بوجود مي آيد: اولا ، حجم زيادي براي ذخيره سازي هيدروژن كافي نياز است تا به خودرو محدوده لازم حركت را بدهد. ثانيا ، چگالي انرژي مخلوط هيدروژن-هوا ، و بنابراين قدرت خروجي كم مي شود

نسبت هوا به سوخت

n       محاسبات نشان مي دهد كه نسبت شيميايي يا استوكيو متريك هوا به سوخت براي احتراق كامل هيدروژن در هوا از نظر جرمي حدود 34:1 است . اين خيلي بزرگتر از نسبت هوا به سوخت بنزين ( 14.7:1) است.

 

n       چون هيدروژن در شرايط معمولي گازي است ، از يك سوخت مايع فضاي بيشتري در اتاقك احتراق اشغال مي كند . در نتيجه فضاي كمتري از اتاقك احتراق مي تواند توسط هوا پر شود . در شرايط استوكيومتريك ، هيدروژن حدودا 30% فضاي اتاقك احتراق را مي گيرد. در مقايسه ، بنزين حدودا 1 تا 2 درصد است . شكل زير حجم هاي مختلف را براي اتاقك احتراق و انرژي را براي موتورهاي بنزيني و هيدروژني مقايسه مي كند.

 

n       Phi=نسبت استوكيوكتريك / نسبت عملي

نسبت هوا به سوخت

مشكل احتراق پيش رس و راه حل آن

n       مشكل اوليه كه در تكميل عملكرد موتورهاي هيدروژني با آن برخورد مي شود ، احتراق پيش رس است . اين مشكل در موتورهاي هيدروژني كه احتراق جرقه اي هستند بسيار بزرگتر از موتورهاي احتراق تراكمي هيدروژني است ، به دلايل : انرژي مشتعل شدن كم و محدوده وسيعتر قابليت اشتعال و كم بودن ضخامت لايه خاموش شدن هيدروژن .

n       احتراق پيش رس وقتي اتفاق مي افتد كه مخلوط در اتاقك احتراق قبل از روشن شدن بوسيله شمع ، روشن شود . و روشن شدن سخت موتور را در يك بازدهي منفي منتج شود . شرايط بازگشت شعله به منيفولد ورودي ( backfire ) نيز ميتواند ايجاد شود ، اگر ، احتراق پيش رس نزديك سوپاپ ورودي اتفاق بيفتد و شعله حاصل در داخل سيستم مكش برگردد.

n       يك تعداد از مطالعات در جهت تعيين علت احتراق پيش رس در موتورهاي هيدروژني بودهاند. بعضي از نتايج اشاره مي كنند كه احتراق پيش رس بوسيله نقاط داغ در اتاقك احتراق ناشي مي شود ، مثل روي يك شمع يا سوپاپ خروجي يا روي رسوبات كربن . مطالعات دوباره نشان داده اند كه برگشت شعله ميتواند وقتي كه حالت قيچي كردن سوپاپ هاست ( overlap) اتفاق بيفتد.

n       همچنين اين باور است كه تفكافت (pyrolysis) ( تغيير شيميايي بوسيله حرارت ) روغن كه در اتاقك احتراق يا در درز هاي ، درست بالاي رينگ بالايي معلق مي شوند مي توانند به احتراق پيش رس كمك كنند. اين روغن تفكافت شده مي تواند از طريق دميدن از محفظه لنگ از طريق راهنماي وسوپاپ و يا از سيستم تهويه مثبت محفظه لنگ وارد اتاقك احتراق شود .

سيستم سوخت رساني

سيستم سوخت رساني هيدروژن مي تواند در سه نوع زير جدا شود: پاشش مركزي (كاربراتوري) ، پاشش در پشت سوپاپ ورودي و تزريق مستقيم.

n       سيستم هاي سوخت رساني پاشش مركزي و پشت سوپاپ در هنگام كورس مكش مخلوط هوا ، سوخت را تشكيل مي دهند. در مورد پاشش مركزي يا كاربراتوري ، پاشش سوخت در ورودي مانيفولد هوا است. در مورد پاشش پشت سوپاپ ، آن در دريچه ورودي تزريق مي شود.

قدرت خروجي در دو نوع قبل 85% موتور بنزيني است.

n       نوع تزريق مستقيم به سيلندر از نظر تكنولوژيكي پيچيده تر است و تشكيل مخلوط سوخت و هوا را داخل سيلندر احتراق بعد از اينكه سوپاپ ورود هوا بسته شده است انجام مي شود.

قدرت خروجي 115%موتور بنزيني است.

سيستم تزريق مستقيم

      موتورهاي هيدروژني پيچيده تر از تزريق مستقيم به داخل سيلندر در هنگام كورس تراكم  استفاده مي كنند . در تزريق مستقيم ، سوپاپ ورودي وقتي كه سوخت پاشيده مي شود بسته مي شود ، كاملا از احتراق پيش رس در مدت كورس مكش جلوگيري مي شود . در نتيجه ، حالت برگشت شعله به منيفولد گاز نمي تواند انجام شود. قدرت خروجي موتور هيدروژني با سيستم سوخت رساني تزريق مستقيم به محفظه احتراق 15%بيشتر از موتور بنزيني و 42% بيشتر از موتور هيدروژني كاربراتوري است.

سيستم تزريق مستقيم

      تزريق مستقيم مشكل احتراق در منيفولد ورودي را حل مي كند، آن لزوما از احتراق پيش رس در اتاقك احتراق جلوگيري نمي كند. به علاوه، به خاطر زمان كم مخلوط شدن هوا و سوخت در موتور تزريق مستقيم ، مخلوط هوا و سوخت مي تواند نا همگن باشد (غير يكنواخت) . مطالعات نشان مي دهد كه اين مساله آلاينده ها را به سمت NOx بيشتر از سيستم هاي پاشش غير مستقيم  هدايت مي كند. سيستم هاي تزريق مستقيم احتياج به فشار بالاي ريل سوخت  نسبت به سيستم هاي ديگر دارند.

n       نكته: شرايط احتراق پيش رس مي تواند بوسيله تكنيك هاي رقيق سازي حرارتي مثل گازهاي خروجي (EGR)و پاشش آب داخل بخار هيدروژن محدود شود.

طراحي موتور

n          بيشترين  تاثير بر روي احتراق پيش رس و knock را طراحي مجدد و مخصوص موتور هيدروژني دارد، مخصوصا اتاقك احتراق و سيستم خنك كاري موتور.

        يك اتاقك احتراق به شكل ديسك يا استوانه اي مي تواند استفاده شود تا اغتشاش درون اتاقك را كاهش دهد. شكل ديسكي كمك مي شكند به توليد سرعت شعاعي و مماسي كم مخلوط و موقع تراكم حالت چرخشي را تقويت نمي كند.

n          چون هيدرو كربورهاي نسوخته يك وابستگي به موتورهاي هيدروژني نيستند مي توان از نسبت قطر به كورس بزرگي استفاده كرد. جهت اصلاح سطح وسيعتر شده شعله و سرعت آن كه روي سطوح بزرگتر اتفاق مي افتد ، دو شمع نياز است . سيستم خنك كاري بايد طوري طراحي شود تا جريان يكنواخت به همه قسمت هايي كه نياز به خنك كاري دارند فراهم آورد.

به علاوه، اقداماتي براي كاهش احتمال احتراق پيش رس عبارتنداز:

n        استفاده از دو سوپاپ خروجي كوچك به جاي يك سوپاپ بزرگ

n       و نصب يك سيستم جارو كن محتويات سيلندر، كه يك وسيله جايگزين كردن گاز اگزوز در اتاقك احتراق با هواي تازه است.

سيستم هاي جرقه زني

n       به علت انرژي احتراقي كم هيدروژن ، مشتعل كردن هيدروژن آسان است و سيستم جرقه زني بنزيني مي توان استفاده كرد. در نسبت هاي هوا به سوخت خيلي رقيق (130 تا 180 )سرعت شعله به طور قابل ملاحظه اي كم مي شود و استفاده از يك سيستم شمع دو تايي خوب است.

n       سيستم هاي جرقه زني كه از جرقه زايع استفاده مي كنند نبايد براي موتورهاي هيدروژني استفاده شوند. زيرا براي موتورهاي هيدروژني ، جرقه هاي زايع يك منبع براي احتراق پيش رس هستند.

n       شمعي كه براي موتور هيدروژني استفاده مي شود بايد شمع خنك باشد و نوك غير پلاتيني داشته باشد. شمع گرم براي اين است كه رسوبات كربن جمع نشود و از آن جايي كه هيدروژن حاوي كربن نيست شمع گرم نيز لازم نيست. البته گرم بودن شمع خود باعث احتراق پيش رس نيز مي شود. از شمع نوك پلاتيني نيز بايد پرهيز كرد زيرا پلاتين يك كاتاليست است ، كه باعث مي شود هيدروژن با هوا اكسيد شود.

تهويه محفظه لنگ

تهويه محفظه لنگ براي موتور هيدروژني از موتور بنزيني مهمتر است .

n       به عنوان مثال با موتور بنزيني ، سوخت نسوخته مي تواند از رينگ هاي پيستون رسوخ كند و وارد محفظه لنگ شود. چون هيدروژن حد انرژي پايينتر از بنزين دارد ، هر هيدروژن نسوخته اي كه وارد محفظه لنگ مي شود شانس بيشتري براي احتراق دارد. از ذخيره شدن هيدروژن در محفظه لنگ بوسيله تهويه جلوگيري مي شود.

n       احتراق داخل محفظه لنگ مي تواند فقط يك ارتعاش باشد با آتش سوزي موتور را منتج شود. وقتي كه هيدروژن درون محفظه لنگ مشتعل شود ، ناگهان فشار بالا مي رود . براي فرو نشاندن اين فشار، يك سوپاپ فشار شكن بايد روي در(پوشش) سوپاپ نصب شود. يك نمونه سوپاپ فشار شكن نصب شده در شكل زير نشان داده مي شود.

تهويه محفظه لنگ

n       گازهاي اگزوز نيز مي تواند بوسيله رينگ هاي پيستون به داخل اتاقك احتراق رسوخ كند. چون خروجي هيدروژن بخار آب است ، آب مي تواند در محفظه لنگ تقطير شود، اگر يك تهويه مناسب وجود نداشته باشد ، مخلوط شدن آب در روغن محفظه لنگ توانايي روانكاري آن را كاهش مي دهد، و درجه فرسايش موتور بالا مي رود.

بازده حرارتي

همان طور كه مي دانيد بازده حرارتي سيكل اتو برابر معادله زير است:

η = 1-1/(r)^γ-1

n        يعني به نسبت تراكم و نسبت گرماهاي ويژه بستگي دارد.

يك مخلوط هيدروژن رقيق نسبت به بنزين ميتواند تراكم بالاتري را تحمل كند و نسبت گرماهاي ويژه بالاتري از بنزين معمولي دارد.

آلاينده ها

H2+O2+N2=H2O+N2+NOx

n       تنها آلاينده هيدروژن اكسيدهاي نيتروژن هستند.

همان طوري شكل نشان مي دهد ، NOx براي موتور بنزيني زماني كه مخلوط غليظتر مي شود كاهش ميابد ( مثل موتور هيدروژني). هرچند در موتور بنزيني كاهش  NOx همراه افزايش مونواكسيد كربن و هيدرو كربورها است .

نكته : در موتور هيدروژني نيز اثري از مونوراكسيد و دي اكسيد كربن در گاز اگزوز هست ، به خاطر روغن نفوذ كرده به محفظه احتراق.

قدرت خروجي

قدرت خروجي ماكزيمم تئوري يك موتور هيدروژني در نسبت هوابه سوخت و روش پاشش سوختي كه استفاده مي كند مربوط مي شود.

n       نسبت هوا به سوخت استوكيومتريك براي هيدروژن 34:1 است . در اين نسبت هوا به سوخت هيدروژن 29% حجم اتاقك احتراق را اشغال مي كند و فقط 71% براي هواباقي مي ماند . در نتيجه ،گنجايش انرژي اين مخلوط كمتر از مخلوط هوا و بنزين آن خواهد بود ( چون بنزين مايع است ، آن فقط يك حجم خيلي كوچك از اتاقك احتراق را اشغال مي كند و بنابراين اجازه مي دهد هواي بيشتري وارد شود).

n       چون در هر دو روش كاربراتوري و پاشش پشت سوپاپ ورودي سوخت وهوا قبل از اينكه وارد اتاقك احتراق شوند مخلوط مي شوند ، اين سيستم ها قدرت تئوري ماكزيمم قابل دستيابي را تا حدود 85% قدرت موتور بنزيني محدود مي كنند. براي سيستم هاي پاشش مستقيم ، كه در آنها سوخت با هوا بعد از بسته شدن سوپاپ ورودي مخلوط مي شود (و بنابراين 100% اتاقك احتراق هوادارد)، قدرت خروجي ماكزيمم موتور مي تواند در حدود 15% بيشتر از قدرت موتور هاي بنزيني شود.

قدرت خروجي

n       بنابراين ، بسته به اينكه چگونه سوخت اندازه گيري مي شود ، قدرت ماكزيمم براي موتور هيدروژني مي تواند يا 15% بيشتر يا 15% كمتر از موتور بنزيني باشد. هرچند، در يك نسبت استوكيومتريك دماي احتراق خيلي بالاست و در نتيجه آن مقدار زيادي اكسيدهاي نيتروژن تشكيل خواهد داد. از آنجايي كه يكي از دلايل استفاده از موتور هيدروژني آلودگي كمتر است، موتور هيدروژني معمولا طوري طراحي نمي شود كه در نسبت استوكيومتريك كار كند.

n       به طور نمونه موتورهاي هيدروژني طوري طراحي مي شوند تا حدود دو برابر ميزان هواي لازم تئوري براي احتراق كامل استفاده كنند. دراين نسبت هوا به سوخت تشكيل NOx تا صفر كم ميشود. متاسفانه اين كار قدرت خروجي را تا حدود نصف يك موتور بنزيني هم اندازه كاهش مي دهد. جهت جبران تلفات قدرت ، موتورهاي هيدروژني معمولا بزرگتر از موتورهاي بنزيني هستند و يا با توربو شارژر يا سوپر شارژر مجهز مي شوند.

تركيب هاي گاز هيدروژن

سوخت هيدروژن را مي توان با اكثر سوخت هاي ديگر در يك موتور استفاده كرد ولي به طور جدا . تنها سوختي كه مي توان آنرا با هيدروژن در يك مخزن واحد ذخيره كرد گاز طبيعي است.

n       هيدروژن مي تواند در تركيب با سوخت هاي مايع متراكم مثل بنزين ، الكل، يا گازئيل تركيب شود طوري كه هر كدام جداگانه ذخيره شوند. در اين عمل ها مخازن سوخت مي توانند طوري شكل داده شوند تا داخل فضاي غير قابل استفاده خودرو فيت شوند. خودروهاي موجود دوگانه به اين شكل هر دو سوخت را همزمان استفاده نمي كنند. يك مزيت اين روش آن است كه اگر هيدروژن جايي وجود نداشته باشد خودرو مي تواند به عمل كردن ادامه دهد.

n       هيدروژن نمي تواند مستقيما در يك موتور ديزل استفاده شود چون دماي خود سوزي هيدروژن خيلي بالاست (اين در مورد گاز طبيعي نيز صادق است). ازاين رو موتورهاي ديزلي بايد يا به يك شمع مجهزشوند يا يك مقدار كمي سوخت ديزل براي سوزاندن گاز تزريق شود (به عنوان احتراق پيلوت)، اگرچه تكنيك اي جرقه پيلوت براي استفاده با گاز طبيعي پيشرفت داده شده اند، آن صحيح نيست كه با هيدروژن استفاده شود.

n       يك گاز تجارتي موجود كه به عنوان هيتان(Hythane) شناخته مي شود شامل 20% هيدروژن و 80% گاز طبيعي است. در اين نسبت ، هيچ تغييري در يك موتورگاز طبيعي نياز نيست، و مطالعات نشان داده است كه آلاينده ها بوسيله هيدروژن بيش از 20% كاهش مي يابد . مخلوطهايي با بيش از 20% هيدروژن با گاز طبيعي مي تواند آلاينده ها را بيشتر كاهش دهد اما بعضي موتورها لازم كه تغيير يابند.

تركيب هاي گاز هيدروژن

كار كردن در مخلوط رقيق يك فايده براي موتورهاي احتراق داخلي است به خاطر آلاينده هاي اكسيدهاي نيتروژن  و سوخت اقتصادي تر.

n       براي موتورهاي هيدروكربوري فوايد ديگري هم دارد و آن آلودگي كمتر مونواكسيد و هيدروكربورهاي نسوخته است. اما مخلوط رقيق هم در موتور هيدروژني و هم در موتورهاي هيدروكربوري باعث كاهش قدرت مي شوند، ولي در موتورهاي هيدروكربوري عيب ديگري نيز دارد و آن روشن شدن سخت و بعضي مواقع نيز در هنگام كار كردن موتور جرقه زايع (misfire) را نتيجه مي شود.

n       پيامد جرقه زايع افزايش هيدروكربورهاي نسوخته ، كاهش كار خروجي ، اتلاف سوخت و كم شدن ضريب تبديل كاتاليست كانورتور 3 راهه است.

n       مخلوط كردن مقداري هيدروژن با سوخت هاي هيدروكربوري ديگر همه اين عيب ها را كاهش مي دهد. انرژي مشتعل شدن كم هيدروژن و سرعت سوختن بالاي آن باعث مي شود مخلوط هيدروژن/هيدروكربور آسانتر روشن شود ، كاهش جرقه زايع و از ان طرف بهتر شدن آلاينده ها، عملكرد و سوخت اقتصادي را همراه دارد . راجع به قدرت خروجي ، هيدروژن چگالي انرژي مخلوط را در نسبت هاي رقيق زياد مي كند بوسيله افزايش نسبت هيدروژن به كربن ، و از اين رو بهتر شدن گشتاور در شرايط تمام گاز.

n       هرچند، در ارتباط با ذخيره سازي مقدار كافي هيدروژن مشكلي است كه مي تواند ظرفيت خودرو را كاهش دهد.

+ نوشته شده در  چهارشنبه بیست و نهم بهمن 1393ساعت   توسط محمد | 

 

توربوشارژرها ( Turbocharger ) و سوپر شارژرها ( Supercharger )

 

 تاریخچه

 

توربو شارژر در سال 1905 میلادی توسط مهندس مکانیک سوئیسی آلفرد بوچی اختراع شد . توربوشارژر عبارتست از نوعی کمپرسور توربینی و يک کمپرسور گريز از مرکز که توسط يک شفت که با اتصال فلانچی به آن متصل شده را مي چرخاند، توربين گازي توسط پيچ به مانيفولد دود متصل مي شود و گازهاي خروجي از موتور باعث چرخش وربين گاز شده و به سبب آن كمپرسور كه توسط يك شفت به توربين گازي متصل است شروع به چرخش نموده و هواي حيط را مكش كرده و سپس آن را متراكم و به طرف موتور مي فرستد. هواي ورودي بيشتر به موتور، به معني وخت بيشتر به داخل موتور،و هوا و سوخت بيشتر به معني افزایش انرژي و قدرت خروجي موتور مي باشد .

يکي از مطمئن ترين راهها براي افزايش توان موتور ها، افزايش مقدار هوا و سوختي است که در سيلندرآنها مي سوزد براي اين منظور افزودن تعداد سيلندرها يا بزرگ کردن هر يک از سيلندرها يکي از روش هاست اما در بعضي مواقع امکان اين کار وجود ندارد. يک راه براي افزايش قدرت موتور که ساده تر و با صرفه تر می باشد استفاده از توربو شارژ در موتوراست که بدون نياز به تغيير در حجم و وزن موتورتوان آن را افزايش مي دهد. براي افزايش توان موتور از توربوشارژرها درخودروهاي پر سرعت مسابقه اي و سوپر اسپرت هاو حتي خودروهاي خانوادگي و در موتورهاي ديزلي بزرگ نيز استفاده مي شوند.


يک توربو شارژر ازدو قسمت اصلي تشکيل شده است" توربين و کمپرسور. در موتور هایی که توربوشارژر نصب گردیده، پس از اینکه مخلوط سوخت و هوا در داخل سیلندر متراکم شد توسط جرقه شمع محترق شده، و این احتراق باعث آزاد شدن انرژی حاصل از سوختن مخلوط گاز می گردد،حال این گاز (دود منیفولد) پس از گذراندن این سیکل، باید سیلندر را ترک کند که این گاز خروجی فشاری حداقل معادل 30 اتمسفر را دارد یعنی 30 برابر فشار داخل سیلندر!

 

 

 این گاز حاوی مقدار قابل توجهی از که می توان از این انرژی بصورت مفید استفاده کرد ولی درموتور هایی که تنفس بصورت عادی [ بدون توربوشارژر ] است گاز خروجی و انرژی موجود توسط اگزوز به بیرون رانده می شود که این عمل برابر است با اتلاف مقدار زیادی از انرژِی کنترل نشده

 

توربوشارژر دارای یک محور(شفت)مرکزی است که یک سر این محور به یک توربین متصل است که براثر برخورد گاز های خروجی با پره های این توربین ، محور شروع به چرخیدن می کند، سر دیگر این محور به یک کمپرسور متصل است که بر اثر چرخیدن هوای بیرون را با قدرت بیشتر ی مکیده و در داخل سیلندر متراکم می کند. به طور معمول توربوشارژرها فشار هوا را به اندازه 6تا8 psi فشرده تر مي کنند، از آنجا که فشار معمولي اتمسفر 14.5تا14.7 psi در سطح درياست با اين روش در حدود 50 درصد بيشتر هوا وارد سیلندرهای موتور خواهد شد و بازدهي واقعي نيز بين 30% تا 40 % افزايش خواهد یافت.

يکي از مزاياي توربو شارژرها، کمکي است که در ارتفاعات و مناطق مرتفع به موتور مي کنند، موتورهاي معمولي در ارتفاعات دچار کاهش شديد قدرت مي شوند زيرا براي هر مکش پيستون جرم کمتري از هوا را به داخل سيلندر مي کشد و حتي در صورت افزايش مقدار سوخت پاشيده شده به داخل سيلندر نيز به علت فقدان اکسيژن کافي ، احتراق کامل صورت نمي گيرد، بنابراين مساله رقيق بودن هوا موجب کم شدن قدرت موتور، در اين نقاط مي شود که توربو شارژرها با کمپرس کردن و افزايش جرم هواي ورودي به موتور، اين نقص را جبران مي کنند.

نقش پره ها در کمپرسور  Housing Compressor:

توربین کمپرسور دارای پره هایی مخصوص می باشد که عامل مکش هوا و متراکم کردن آن است. 

پره های توربین کمپرسور در توربوشارژر Housing Compressor  با دوران کردن باعث مکش هوا به داخل توربوشارژ می شوند کمپرسور نيز هوا را از مرکز تيغه هايش به داخل کشيده و توسط پره هاي خود، در حين چرخش به بيرون پرتاب مي کند. کمپرسور معمولا بين صافي و منيفولد هواي ورودي به موتور قراردارد پره های کمپرسور می تواند بصورت تک ، دوبل و یا دوبل متغییر باشدو لازم به ذکر است که پره های کمپرسور در توربوشارژر ها که برای ایجاد قدرت در دور های پایین طراحی می شوند معمولا دارای کمپرسور هایی با پره های نزدیک به هم و بلعکس در توربوشارژر هایی که برای حصول قدرت در دور های بالا طراحی می شوند دارای کمپرسور هایی هستند که فاصله پره های آنها از هم بیشتر است .

نقش پره ها در توربین  Hosing Turbine :

پره های توربین Hosing Turbine در برخورد با گاز های خروجی باعث دوران محور می گردد این پره ها همیشه از نوع تکی می باشند و زاویه و انحنای آنها یکسان است .

امروزه برخی از شرکت ها توربوشارژرهایی ساخته اند که در آن زاویه پره ها در دور های مختلف بسته به دور موتور تغییر می کند .

 Housing :

Housing  عبارت است از یک محفظه باشکل حلزونی که توربین و کمپرسور را درخود جای می دهد که هر توربوشارژ دارای دو عدد از آن میباشد .

 


همچنین به محفظه ای که توربین را در خود جای می هد turbine housing  یا  hot side  نامیده می شود و به محفظه ای که کمپرسور را در خود جای می هد cold side  یا housing compressor  می گویند

در محفظه توربین ، هر چه اندازه این محفظه کوچکتر باشدفشار گاز های خروجی از  اگزوز بالا تر مانده و توربین سریع تر دور خواهد گرفت. توربو شارژ ها با محفظه کوچک برای اتومبیل های خیابانی مناسب ترند. اگر محفظه توربین بزرگتر باشد مدت زمان بیشتری طول می کشد تا توربین دور بگیرد که محفظه بعضی از مواقع تا حد سرخ شدن گرم می شود که برای خنک کردن آن ازآب یا روغن و در بعضی از هردو استفاده می شود .

فلانچ در توربوشارژر :

فلانچ یا واسطه، قطعه ای است که فلزی می باشد.

درتوربوشارژرها معمولا از چدن یا آلومینیوم آلیاژی ساخته می شود و در حد فاصل بین توربین و کمپرسور قرار گرفته و آنها را به هم مرتبط می کند.

 

فلانچ ها را با توجه به نوع موتور و نوع توربو شارژر انتخاب می کنند و معمولا با کد های بین المللی  T6 و T4 ، T3 ساخته می شوند .

خروجی توربوشارژر Down pipe :

یکی دیگر از قسمتهای مهم توربوشارژ Down pipe یا خروجی آن می باشد گازهای اگزوز (دود) پس از چرخاندن توربین ، محفظه توربین را باید ترک کند که این کار از طریق این دریچه صورت می پذیرد. 

Down pipe یا خروجی توربوشارژر با توجه به محفظه توربین، اشکال مختلفی دارد ولی می توان آن را به دودسته کلی تقسیم کرد، که عبارت است از" نوع فلانچی که به توربوشارژ پیچ می شود و نوع  V-Band  که توسط دو عدد واشر و یک بست مخصوص به توربوشارژر متصل می شود.

  

توربين بين منيفولد هواي خروجي وانباره اگزوز قرار مي گيرد، تمامي گازهاي خروجي موتور (اگزوز) از محفظه توربين مي گذرد و انبساط اين گازهاي تحت فشار، بر پره هاي توربين عمل مي کند و موجب حرکت دوراني آنها مي شود. 

 اين گازها پس از گذشتن از توربين وارد اتمسفر مي شوند ،توربين صداي حاصل از گازهاي اگزوز را نيز خفه مي کند و به اين ترتيب در اکثر موارد نيازي به استفاده از انباره اگزوز نيست .شاید بتوان نوع توربوشارژرها را با توجه به قطعات بکار رفته در آن به چند شکل تقسیم بندی کرد :عملکرد محور مرکزی آن ممکن است بصورت یاتاقانی و یا بلبرینگی باشد ،Waste Gate که ممکن است از نوع Internal ( متصل به محفظه توربین ) یا نوع  External   بر روی منیفولد دود قرار داشته باشد ،نوع محفظه دار ( Huosing )، توربین و کمپرسور ، و یانوع فلانچ یا رابط توربوشارژ ومنیفولد اگزوز .

 محور مرکزی که در واقع رابط بین توربین و کمپرسور است و با سرعت بسیار بالایی (100 تا 240 RPM ) دوران می کند باید در دو سر خود به چیزی تکیه داشته باشد ، که اکثر توربوشارژرها دارای محورهای مرکزی یاتاقانی هستند ولی در توربوشارژرهای گران قیمت که در موتور هایHighPerformance  استفاده می شوند دارای محور های مرکزی بلبرینگی هستند ودر مواردی بعضی ازنوع یاتاقانی هم کیفیت بالایی دارند . 


محور های بلبرینگی دارای استقامت بالایی هستند بلبرینگ هایی که در این محور ها بکار گرفته می شوندچون از فزات آلیاژ ی ساخته می شوند، در مقابل حرارت و سایش بسیار مقاوم بوده و سریع تر از نوع یاتاقانی دور می گیرند .

 

معمولا یک توربوشارژر یاتاقانی در هر20 هزار کلومتر و نوع بلبرینگی در هر 80 هزار کیلومتر باید سرویس شود.

مكانيزم كنترل فشار در توربين Waste Gate :

برای اینکه فشار داخلی توربوشارژر با توجه به کاربرد آن تنظیم شده و از حد مجاز بالاتر نرود، سوپاپی بانام Waste Gate طراحی شده است .
(Waste Gate):
بسياري از توربوشارژر خودروها يك سوپاپ بايپس يا گذرگاه فرعي(Waste Gate) دارد كه باعث مي شود

در توربوشارژهاي كوچك ميزان چرخش آنها از حد مجازي تجاوز نكند. در واقع سوپاپ بايپس فشار داخل توربين هوا را حبس كرده و اگر فشار آن بالاتر ازحد مجاز باشد سوپاپ فوق باز شده و مقداري از سیال را به خارج از محفظه توربين گاز هدايت مي كند تا اين كه فشار به ميزان مطلوبي برسد.

Waste Gate به دونوع طراحی آن صورت گرفته که عبارتند از نوع :

1)Internal Wast Gate

 2)External Waste Gate .

نوع Internal Wast Gate بر روی محفظه توربین قرار می گیرد و می تواند به صورت تنظیم شونده یا ثابت باشد این نوع معمولا در توربوشارژرهایی که با فشار کمتری کارمی کنند ( psi  9 تا 24 ) کاربرد دارند. 

نوع External Waste Gate برروی منیفولد دود قرار گرفته و انواع 35 و 38و 40و 46 و60 میلیمتری ساخته می شود و لازم به ذکر است که فلانچ خاصی که بر روی منیفولد دود تعبیه می شود با توجه به  Waste Gateو اندازه آن طراحی می گردد .در انواع سوپاپ 35و 38 میلیمتری از فلانچ لوزی شکل استفاده می گردد و در انواع دیگر بصورت مربعی بکار گرفته می شود .در داخل سوپاپ های External فنر هایی تعبیه شده که بوسیله رنگ استاندارد شده ، و از رنگ زرد کوچک تا آبی بزرگ 3.6 تا 14.5 Psi و در زمانی که توربوشارژ شما نیاز به 21psi   دارد از هر دو فنر استفاده می شود ( مثلا از یک فنر 7psi   و یک فنر 14.5 psi ) .

تنظیم فشار دقیق Boost Controller : 

 

در توبوشارژرهای حرفه ای برای تنظیم فشار دقیق از Boost Controller استفاده می شود. دامنه تنظیم Boost Controller بسته به نوع توربوشارژر و نوع Boost Controller از فشار 1تا60 psi متغییر است.( قابل ذکر است که فشار 30یا 60 psi برای هر موتور یا توبوشارژ قابل تحمل نیست!) .

ازجمله معروف ترین شرکت های معروف سازنده Boost Controller عبارتند از " Tial , HKS , Greaing .

Enter Cooler :

 

برای حصول احتراق بهتر وکامل تر و در نتیجه کسب راندمان حرارتی بالاتر به هوای بیشتری نیاز داریم. این هوا باید بصورت فشرده و خشک به دورن سیلندر موتور فرستاده شود ولی اگر خنک کاری این هوای ورودی به خوبی صورت نگیرد نتیجه عکس را به دنبال خواهد داشت ، چون با افزایش فشار و سرعت، افزایش دما خواهیم داشت و افزایش دما باعث می شود.

 ملکول های هوا به صورت متراکم تر و فشرده به داخل سیلندر فرستاده نشوند و سیلندر موتورخودرو ، نسبت مناسبی از هوا را در خود جای ندهد!

 به عبارت دیگر، برطبق نظریه بویل ماریوتبین در کاهش حجم و افزایش فشارگازها همواره نسبت ثابتی وجود دارد یعنی هر چه یک گاز را متراکم تر کنیم باعث بالا رفتن فشار آن می شود و این افزایش فشار افزایش حرارت را به دنبال خواهد داشت .

هوایی که توسط توربوشارژر به داخل سیلندر فشرده می شود بسیار گرم است، و این هوا پس از ورود یه سیلندر و فشرده شدن توسط پیستون (درحالت تراکم مخلوط وسخت و هوا) باز هم گرمتر می گردد، حال اگر مخلوط سوخت به داخل سیلندر پاشش گردد قبل از آن كه توسط جرقه شمع محترق شود، هوای داغ ورودی باعث احتراق زودرس می شود که به این پدیده خودسوزی گویند، که با بد کار کردن موتور یا لگد(ضربه)زدن موتور ( Knock یا Knocking ) همراه است. براي جلوگيري از پديده فوق مي بايداز بنزين با درجه اكتان بالاتر استفاده نموده و يا نسبت تراكم موتور را كاهش دهيم.

میتوان نتیجه گرفت که تنها فشار و تراکم بالای هوا، برای ما ایجاد راندمان بالاتر و قدرت بیشتر را به همراه نخواهد داشت کاهش دادن ( Knock یا Knocking ) هم برای ما کافی نیست تا یک راندمان مناسب را داشته باشیم، پس نیاز به خنک کننده ای داریم تا هوا را تا حد نرمال خنک نگه دارد این خنک کاری همان طور که قبلا هم ذکر شد از طریق آب و روغن و همچنین Enter Cooler امکان پذیر است .

اینتر کولر Enter Cooler یا خنک کننده میانی یک نوع رادیاتور است که معمولا از آلومینیوم ساخته می شود. هوایی که توسط توربوشارژر فشرده شد به داخل Enter Cooler وارد می شود و دمای آن تا حد مطلوب گرفته شده وسپس هوای متراکم که خنک، Enter Cooler را به مقصد سیلندر ترک می کند.با بکار گیری اینتر کولر که نقش بسیار مهمی را در افزایش راندمان ایفا می کند می توانیم احتمال پدیده خودسوزی را تا 99% کاهش داد و موتور نرم تر و قوی تر کار می کند .

نکات مهم1 :

اتومبیل های کاربراتوری برای توربو شدن مناسب نیستند ولی می توان این خودرو ها را هم مجهز به توربو شارژر کرد.

قبل از اینکه توربوشارژر به موتور این نوع خودرو ها اضافه شود باید به نکات زیر توجه داشت :

1)استفاده از ECU

2) سیم کشی و سنسور های مناسب برای تطابق موتور با شرایط محیطی مثل آب و هوا و نوع سوخت (اکتان بنزین)

3) استفاده از پیستون های فورج و ترجیحا میل لنگ قوی تر

 4) بهینه سازی سیستم سوخت رسانی و استفاده از پمپ سوخت قوی تر و ریل سوخت بهتر و سوزن انژکتورهای بزرگتر

5) بهینه سازی سیستم برق خودرو و استفاده از کوئل،وایر و شمع های بهتر .

 هر کدام از موارد بالا از مهمترین عوامل در بالا بردن راندمان موتور خودرو است و نقص در هر کدام صدمات جدی را در بر خواهد داشت . 

پس افت  Lag:

يكي از مشكلات توربوشارژ این است كه، توربوشارژها نمي توانند يك قدرت فوري را زماني كه شما پدال گاز را فشار مي دهيد، ايجاد نمايند و مدت زماني را نیاز دارند تا توربين را چرخانده و هواي متراكم شده را به داخل موتور بفرستد، به همين خاطر شما در ابتدای حركت خودروي خود، احساس يك حركت ناگهاني به طرف جلو مي كنيد دليل اين موضوع نيروي اينرسي (واماندگي) قسمت چرخنده توربين گاز مي باشد، اما مي توانيم با تمهيداتي نيروي اينرسي را كاهش داده تا توربين بتواند در مدت زمان كوتاهي شتاب گرفته و ديگر پديده پس افت  Lagايجاد نشود، كه به مواردي اشاره مي كنيم:

 1) استفاده از توربوشارژرهاي كوچك به جاي توربوشارژهاي بزرگ:

 يكي از راههاي كه مي توانيم نيروي اينرسي توربين را كاهش دهيم آن است كه از توربوشارژرهاي كوچك استفاده نمائيم زيرا توربوشارژرهاي كوچك سريعتر شتاب گرفته و در دور پائين موتور تقويت بهتري ايجاد مي نمايند اما نمي توانند تقويت بيشتري را در دورهاي بالاي موتور كه ما نياز به وارد نمودن حجم بيشتري از هوا به موتور هستيم را توليد كنیم و نباید دور توربين در آنها خيلي بالا رود، در جاهائي كه ما نياز به شتاب بالا در توربين و مقدار بيشتري از هواي ورودي به موتور را داريم مي توانيم از دو توربوشارژر كوچك كه به صورت مجزا از يكديگر مي باشند،استفاده نمائيم که به این نوع توربوشارژرها، توربوشارژهاي دوقلو Twin TurboCharger نيز مي گويند، كه شركتهاي خودروسازي همچون Toyota، Ford، Mazda و Volvo اين نوع توربوشارژر را در برخي از توليدات خود به كار برده اند.

 2) استفاده از توربين گاز با پره هاي سراميكي:

همان طور كه مي دانيد توربين گاز با پره هاي سراميكي سبكتر از توربين گاز با پره هاي فولادي آلیاژی هستند در نتيجه اين امر باعث مي شود كه توربين سريعتر شتاب گرفته و نيروي اينرسي كاهش يابد.

 3) استفاده از ياتاقانهاي توپي Ball Bearing به جاي ياتاقانهاي سيالي:

 برخي از توربوشارژها از ياتاقانهاي توپي به جاي ياتاقانهاي سيالي استفاده مي كنند كه ياتاقانهاي فوق بسيار دقيق و از مواد پيشرفته و خاصي ساخته شده اند تا بتوانند سرعت و حرارت شفت را كنترل نمايند.

ياتاقانهاي توپي باعث مي شوند كه شفت با اصطكاك كمتري بچرخد و همچنين اين نوع ياتاقانها به ما اجازه مي دهد تا از شفتهاي كوچكتر و سبكتر استفاده نمائيم كه امر فوق باعث مي شود تا توربين با شتاب بيشتري چرخيده و نيروي اينرسي آن كاهش يابد.

4) استفاده از توربوشارژرهاي ترتيبي  Sequential Turbocharger:

 برخي از موتورها، از دو توربوشارژ با اندازه مختلف استفاده مي كنند كه توربوشارژر كوچكتر در دور پائين موتوراستفاده می شود تا پس افت را كاهش دهد و توربوشارژر بزرگتر در دورهاي بالاتر موتور كه نياز به تقويت و حجم بيشتري از هوا داريم كاربرد دارد. اين نوع توربوشارژ در BMW سري 5 مدل 535d استفاده شده است.

 نکات مهم2 :

 در هنگام استارت زدن موتور توربو نباید بصورت ناگهانی به موتور گاز داد بلکه باید کمی صبر کرد تا موتور گرم شده و فشار روغن به حد مناسب برسد. در ابتدای رانندگی نباید پدال گاز را تا انتها فشرد و اصطلاحا باید توربوشارژر را آهسته زیر بار برد، زمانی که موتور گرم شدنباید به صورت مداوم توربوشارژر را تحت فشار نگه داشت بلکه باید پس از هر 10تا15 دقیقه استفاده از توربوشارژ، 3تا4 دقیقه موتور را در حالت کم گاز یا Ldle نگه داریم تا روغن و آب که وظیفه خنک کاری توربوشارژر را برعهده دارند ، گرمای توربو را از آن گرفته و گرمای آن را به رادیاتور روغن و آب منتقل کنند.

در زمان خاموش کردن موتور، ابتدا باید کمی صبر کرد تا خنک کننده ها حرارت را کاهش دهند و سپس موتور را خاموش کرد که برای این منظور زمانی در حدود 2تا 3 دقیقه کافی می باشد.

نقش روغن موتور در توربوشارژها Oil Motors :

 روغن موتور در موتورهای تقویت شده، باید مرتب کنترل و در هنگام لزوم آن را تعویض نمود.  

 

در ياتاقانهاي سيال Fluid Bearing ، بين شفت و ياتاقان يك لايه روغن قرار دارد كه این روغن دو وظيفه مهم را بر عهده دارد:     
 
۱- باعث خنك شدن شفت و ساير قسمتهاي توربوشارژ مي شود 
 
۲- باعث از بين رفتن اصطكاك بين شفت و ياتاقان هنگام چرخش مي گردد.
برای کنترل فشار روغن، باید حتما از روغن با درجات استاندارداستفاده کرد، در موتور های توربو بهتر است از روغن هایSynthetic   یا طبیعی استفاده کرد .


بهترین توربوشارژرها امروزه در شرکت هایی همچون "Garrett,Torbonetics Mitsubishi ,Holset ,kkk ,AGP ,AirResearch   ساخته می شوند.

  تفاوت توربوشارژرها  Turbocharger با سوپر شارژرها  Supercharge:
 
ساختار موتورهای سوپر شارژر Supercharge مشابه توربو شارژر است با اين تفاوت که در سوپر شارژرها توربين وجود ندارد و کمپرسور قدرت خود را مستقيما (با استفاده از تسمه یا زنجير) از موتور گرفته و هوای ورودی به سيلندر را فشرده مي کند.


با اين که استفاده از سوپر شارژرها مقداری از قدرت موتور را مي گيرد اما در موارد خاص که ايجاد سرو صدای کمتر مهم بوده يا قيمت تمام شده از اهميت بيشتری برخوردار است یا فضای کمی در محفظه موتور موجود باشد از سوپر شارژ استفاده مي کنند.


يكي از مزاياي بزرگ توربوشارژرها Turbocharger آن است كه، افزايش قدرت خروجي موتور آنها در مقايسه با وزن آنها بسيار ناچيز است و اين يكي از دلايلي است كه باعث شده توربوشارژرها تا اين اندازه محبوب و معروف گردند.
در مجموع با توجه با اين که توربوشارژرها Turbocharger از انرژی گاز خروجی که بلا استفاده است، استفاده مي کنند از بازده بهتري برخوردار مي باشند.


برچسب‌ها: CAR
+ نوشته شده در  چهارشنبه بیست و نهم بهمن 1393ساعت   توسط محمد | 
 
صفحه نخست
پست الکترونیک
آرشیو وبلاگ
عناوین مطالب وبلاگ
درباره وبلاگ

نوشته های پیشین
93/11/01 - 93/11/30
برچسب‌ها
car (1)
 

 RSS

POWERED BY
BLOGFA.COM