سمیرا گلکار
فهرست عنوان‌ها
از زمان ابداع موتورهای احتراق داخلی، مهندسان خودرو، شیفتگان سرعت و طراحان خودروهای مسابقه به دنبال روش‌های مختلفی برای ارتقای قدرت آن بوده اند. یک راه برای برآورده کردن این نیاز ساختن موتورهای بزرگتر است اما هر چقدر موتورها بزرگتر باشند که وزن بیشتری دارند هزینه ساخت و نگهداری آنها بیشتر می‌شود که این راهکار همیشه هم خوب نیست.
یکی دیگر از روش‌های اضافه کردن قدرت بیشتر افزایش بهره وری انرژی موتورهایی با ابعاد معمولی است. می‌توان با تزریق هوای بیشتر به محفظه احتراق، به این هدف دست پیدا کرد. هوای بیشتر باعث اضافه شدن سوخت بیشتر شده و سوخت بیشتر به احتراق عظیم‌تر و اسب بخار بیشتر کمک می‌کند. اضافه کردن سوپرشارژر روش خیلی خوبی برای رسیدن به تزریق هوای بیشتر است. در این مقاله به شما خواهیم گفت که سوپرشارژر چیست، چگونه کار می‌کند و با توربوشارژر چه تفاوتی دارد.
سوپرشارژر به هر وسیله‌ای گفته می‌شود که ورودی هوا را با فشاری بالاتر از فشار جو تنظیم می‌کند. سوپرشارژر و توربوشارژر هر دو این کار را انجام می‌دهند. در واقع توربوشارژر مخفف «توربو – سوپر شارژر»، نام اصلی آن است.
تفاوت بین این دو وسیله از نظر منبع انرژی آنها است. توربوشارژر از گازهای جاذب که توربین را حرکت می‌دهد استفاده می‌کند. سوپرشارژرها با استفاده از یک زنجیر یا کمربند متصل به میل لنگ قدرت می‌گیرند.
در بخش بعدی به بررسی طرز کار سوپرشارژر می‌پردازیم.
نکته: این مقاله درباره سوپرشارژرهای موتورهای گازوئیلی نوشته شده و ارتباطی به ایستگاه‌های شارژ اختصاصی تسلا که آنها هم سوپرشارژر نامیده می‌شوند ندارد.
اصول کلی سوپرشارژرها
سوپرشارژر گریز از مرکزی ProCharger D1SC
در یک موتور چهار زمانه یا چهار سیکل معمولی یکی از سیکل‌ها مختص ورود هوا است و در این فرایند این سه اتفاق رخ می‌دهد:
- پیستون به پایین حرکت می‌کند.
- به این ترتیب یک خلأ داخل سیلندر ایجاد می‌شود.
- این خلأ باعث می‌شود که هوایی که در فشار جوی قرار دارد به داخل محفظه احتراق مکیده شود.
پس از کشیده شدن هوا به داخل موتور، باید آن را با سوخت ترکیب کرد تا شارژ ایجاد شود – یک بسته انرژی پتانسیلی که می‌توان از طریق یک واکنش شیمیایی به اسم احتراق آن را به انرژی جنبشی تبدیل کرد. شمع خودرو با مشتعل کردن شارژ این واکنش شیمیایی را آغاز می‌کند. با اکسید شدن سوخت، انرژی زیادی تولید می‌شود. نیروی ناشی از این انفجار بالای سر سیلندر جمع شده و پیستون را به پایین هدایت می‌کند. حرکت ایجاد شده در اثر جابجایی پیستون در نهایت به چرخ‌ها منتقل می‌شود.
وجود سوخت بیشتر در این شارژ، منجر به انفجاری قدرتمندتر می‌شود اما نمی‌توان به سادگی سوخت بیشتری را به موتور تزریق کرد چون برای سوزاندن مقدار مشخصی از سوخت نیاز به حجم مشخصی از اکسیژن دارید. در حالت غیرفعال یا حرکت با سرعتی ثابت، نسبت هوا به سوخت 14.7 به 1 است. وقتی نیاز به نیروی بیشتری داشته باشد مثلاً وقتی با شتاب در یک بزرگراه حرکت می‌کنید، نسبت هوا به سوخت به نسبت 12 به 1 نزدیک تر است. اگر بخواهید در یک مسابقه شرکت کرده و رکورد بزنید نیاز به اضافه کردن هوای بیشتری دارید تا بتوانید سوخت بیشتری اضافه کنید.
کار سوپرشارژر همین است. سوپرشارژرها با فشرده سازی هوا در حدی بالاتر از فشار جو بدون ایجاد خلأ باعث افزایش جریان ورودی می‌شوند. به این ترتیب هوای بیشتری وارد موتور می‌شود و با ورود هوای بیشتر می‌توان سوخت بیشتری اضافه کرد تا قدرت موتور هم بیشتر شود. سوپرشارژرها می‌توانند به طور میانگین 46 درصد اسب بخار بیشتر و 31 درصد گشتاور بیشتری ایجاد کنند. در شرایطی با ارتفاع بالاتر که در آنها عملکرد موتور به دلیل کم بودن فشار و تراکم هوا افت پیدا می‌کند، سوپرشارژر فشار هوای بیشتری به داخل موتور تزریق می‌کند در نتیجه می‌تواند به صورت بهینه عمل کند.
بر خلاف توربوشارژرها که از گاز جاذب تولید شده در اثر احتراق برای قدرت دادن به کمپرسور استفاده می‌کنند، سوپرشارژرها نیروی خودشان را مستقیماً از میل لنگ دریافت می‌کنند. بیشتر آنها توسط یک کمربند کمکی هدایت می‌شوند که اطراف یک پولی پیچیده شده و بعد به چرخ دنده متصل می‌شود. چرخ دنده هم به نوبه خود باعث چرخش چرخ کمپرسور می‌شود. روتور کمپرسور طراحی‌های مختلفی دارد اما کار آن کشیدن هوا به داخل، فشرده سازی آن در یک فضای کوچکتر و تخلیه آن در منیفولد ورودی است.
سوپرشارژر باید برای فشرده سازی هوا با سرعت بچرخد یعنی سریع تر از خود موتور. سوپرشارژرها می‌توانند با سرعتی در حد 50 تا 65 هزار دور در دقیقه بچرخند.
چرخش 50 هزار دور در دقیقه‌ای کمپرسور منجر به بوست 6 تا 9 پوند در هر اینچ مربع (psi) می‌شود. این یعنی ارتقای 6 تا 9 اینچی نسبت به فشار جو در یک شرایط ارزیابی خاص. فشار جو در سطح دریا 14.7 پوند در هر اینچ مربع است بنابراین یک بوست معمولی با سوپرشارژر منجر به ورود 50 درصد هوای بیشتر به داخل موتور می‌شود.
با فشرده شدن هوا، دمای آن افزایش می‌یابد. هوای گرم تراکم کمتری داشته و به اندازه هوای سرد حین فرایند انفجار منبسط نمی‌شود. این یعنی چنین هوایی قادر نیست هنگام مشتعل شدن توسط شمع، به اندازه هوای سرد قدرت ایجاد کند. برای اینکه یک سوپرشارژر با حداکثر بهره وری کار کند، هوای فشرده در حال خروج از واحد تخلیه شارژ باید اول سرد شده و بعد به منیفولد ورودی تزریق شود. سرد کن سیال موتور (یا اینترکولر) مسئول انجام این فرایند است. این سردکن‌ها دو طراحی کلی دارند: هوا به هوا و هوا به آب. هر دو سیستم مثل رادیاتور کار می‌کنند و هوا یا آب را از داخل سیستمی متشکل از یکسری تیوب یا لوله رد می‌کنند. همچنان که هوای گرم از سوپرشارژر خارج می‌شود با لوله‌های خنک کننده برخورد کرده و سرد می‌شود. کاهش فشار هوا منجر به افزایش تراکم هوا می‌شود که این امر هم باعث می‌شود که شارژ متراکم تر وارد محفظه احتراق شود.
در ادامه مطلب با انواع سوپرشارژرها آشنا می‌شویم.
سوپر شارژرهای نوع روتز
گاهی اوقات سوپرشارژرهای روتز بالای کاپوت ماشین‌های مسابقه‌ای (drag car) نصب می‌شوند.
سوپرشارژرها سه نوع دارند: روتز، دوپیچی و گریز از مرکز. تفاوت اصلی این سه مدل در نحوه حرکت هوا به منیفولد ورودی موتور است. سوپرشارژر روتز گاهی اوقات بالای کاپوت بعضی از ماشین‌های مسابقه‌ای نصب می‌شود. در این مدل از دو روتر استفاده شده که با هم درگیر شده و هوای ورودی را فشرده کرده و بعد به موتور هدایت می‌کنند. سوپرشارژر دوپیچی همانطور که حدس می‌زنید دو روتر دارد که به جای حالت دنده ای، مثل پیچ دور هم پیچیده شده اند. این سیستم پیچشی وقتی شروع به چرخش کند، هوا را فشرده می‌کند. سوپرشارژر گریز از مرکزی هم شبیه یک پوسته حلزون است که یک چرخ پروانه‌ای داخل آن قرار گرفته و هوا را فشرده می‌کند. گرچه همه این طراحی‌ها بوست ایجاد می‌کنند اما از نظر بهره وری تفاوت زیادی دارند. همه انواع این سوپرشارژرها در ابعاد مختلف وجود دارد و برای کاربردهای ویژه مثل ارتقای عملکرد خودرو یا استفاده در مسابقات طراحی شده اند.
سوپرشارژر روتز قدیمی ترین طراحی را دارد. فیلندر و فرانسیس روتز این طراحی را در سال 1860 و برای کمک به تهویه شافت‌های معدن طراحی کردند. در سال 1900 گوتلیب دایملر یک سوپرشارژر روتز را در موتور یک خودرو تعبیه کرد.
با چرخش این روترها، هوای گیرافتاده در کیسه‌های هوایی بین لوب‌های روی روتر، در حد فاصل بین بخش پر شدن و بخش تخلیه جابجا می‌شود. مقدار زیادی هوا به منیفولد ورودی وارد شده و جمع می‌شود تا فشار مثبت ایجاد شود. به همین دلیل در اغلب مواقع سوپرشارژرهای روتز چیزی جز دمنده هوا نیستند و اغلب برای توصیف همه نوع سوپرشارژر از اصطلاح دمنده استفاده می‌شود.
در اغلب مواقع سوپرشارژرهای روتز بزرگ بوده و روی موتور قرار می‌گیرند و بیرون از کاپوت خودرو نصب می‌شوند اما به دو دلیل بهره وری کمتری دارند: وزن خودرو را افزایش می‌دهند و به جای ایجاد یک جریان پیوسته و روان، هوا را به صورت انفجارهای کوچک حرکت می‌دهند.
سوپرشارژرهای دوپیچی
سوپرشارژرهای دوپیچی هوا را لوب‌های در هم تنیده می‌کشند.
سوپرشارژرهای دوپیچی با کشیدن هوا از طریق یک جفت روتر در هم تنیده که کنار هم پیچ می‌شوند، کار می‌کنند. مثل سوپرشارژر روتز، هوای داخل سوپرشارژر دو پیچی هم در محفظه‌های ایجاد شده توسط لوب‌های روتر گیر می‌افتد اما سوپرشارژر دو پیچی هوا را داخل محفظه روتر فشرده می‌کند چون روتر یک بخش مخروطی شکل دارد در نتیجه با عبور هوا از سمت پر شونده به سمت تخلیه، حجم آن کاهش می‌یابد. با جمع شدن و فشردگی محفظه، هوا در یک فضای کوچکتر فشرده سازی می‌شود.
این ویژگی باعث افزایش بهره وری سوپرشارژرهای دوپیچی می‌شود اما از طرفی هزینه آنها بیشتر است چون در فرایند تولید روترهای پیچ مانند نیاز به دقت بیشتری وجود دارد. بعضی از سوپرشارژرهای دوپیچی مثل سوپرشارژرهای روتز بالای موتور قرار می‌گیرند. همچنین سروصدای این سوپرشارژرها زیاد است. هوای فشرده شده‌ای که از خروجی بیرون می‌آید یک صدای ناله یا سوت مانند ایجاد می‌کنند که باید با تکنیک‌های خاصی کاهش پیدا کند.
سوپرشارژرهای گریز از مرکز
سوپرشارژرهای گریز از مرکزی رایج ترین نوع سیستم القای اجباری و دارای بیشترین بهره وری است.
سوپرشارژر گریز از مرکزی با سرعت بسیار بالا به یک پروانه – وسیله‌ای شبیه به روتر – نیرو وارد می‌کنند تا هوا را به سرعت وارد یک محفظه کوچک کنند. سرعت این پروانه می‌تواند به 50 یا 60 هزار دور در دقیقه برسد. هوا به مرکز این پروانه می‌رسد و نیروی گریز از مرکز باعث می‌شود که هوا به سمت بیرون حرکت کند. این یعنی هوا با سرعت بالا اما فشاری کم، پروانه را ترک می‌کند. یک پخش کننده – مجموعه‌ای از پره‌های ثابت که اطراف پروانه قرار دارند – هوای کم فشار پرسرعت را تبدیل به هوای پر فشار کم سرعت می‌کند. مولکول‌های هوا با برخورد به پره‌ها سرعت خود را از دست می‌دهند و به این ترتیب فشار بیشتر شده و شتاب جریان هوا کاهش پیدا می‌کند.
سوپرشارژرهای گریز از مرکز بیشترین بهره وری را داشته و بین سیستم‌های القای اجباری متداول ترین هستند. این سوپرشارژرها کوچک و کم وزن بوده و به جای قسمت بالایی به جلوی موتور متصل می‌شوند. همچنین این سوپرشارژرها با بیشتر شدن دور موتور صدای ناله بیشتری ایجاد می‌کنند. جگوار XF، Dodge Charger، ولو S90 و فورد ماستنگ از جمله سوپرشارژرهای 2021 هستند.
همه این سوپرشارژرها قابلیت اتصال به خودرو پس از تولید را دارند. چند شرکت هم کیت‌هایی طراحی کرده اند که همه قطعات لازم برای نصب سوپرشارژر را در اختیار کاربران قرار می‌دهند. در دنیای اتومبیل‌های مسابقه‌ای و جذاب چنین تنظیم و سفارشی سازی تأثیر مهمی دارد. چند شرکت خودروساز هم در محصولات تولیدی خودشان سوپرشارژر قرار می‌دهند.
مزایای سوپرشارژر
سوپرشارژرهای روتز قدیمی ترین نوع سوپرشارژر هستند.
مهم ترین مزیت استفاده از سوپرشارژر افزایش تعداد اسب بخار است. با اتصال یک سوپرشارژر به یک خودرو یا کامیون معمولی، این وسیله مثل خودرویی با موتوری بزرگتر و قدرتمندتر عمل می‌کند.
اما بین سوپرشارژر و توربوشارژر کدام گزینه مناسب تر است؟ این سوال جزء بحث‌های داغ بین مهندسان خودرو و عاشقان سرعت و ماشین است اما به طور کلی سوپرشارژر نسبت به توربوشارژر مزایای خاصی دارد.
سوپرشارژر دچار مشکل تأخیر نمی‌شود – منظور از تأخیر زمان بین فشار دادن پدال گاز و واکنش نشان دادن موتور است. توربوشارژرها دچار مشکل تأخیر می‌شوند چون برای رسیدن دود خروجی موتور به شتاب لازم جهت حرکت دادن توربین چند لحظه زمان لازم است. سوپرشارژرها فاقد این تأخیر هستند چون مستقیماً توسط میل لینگ حرکت می‌کنند. بعضی از سوپرشارژرها در دورهای پایین تر بهتر عمل می‌کنند و بعضی در دورهای بالاتر بهره وری بهتری دارند. مثلاً سوپرشارژرهای روتز و دوپیچی در RPM پایین تر قدرت بهتری دارند. سوپرشارژرهای گریز از مرکزی با RPM بالاتر، توان بیشتری ایجاد می‌کنند.
نصب توربوشارژر نیاز به تغییر زیاد سیستم اگزوز دارد اما سوپرشارژر را می‌توان بالا یا کنار موتور پیچ کرد. همین ویژگی باعث شده که نصب آنها ارزان تر و سرویس دهی و تعمیرشان راحت تر شود.
تا دهه‌ها خودروهایی با توربوشارژ باید 30 ثانیه بیکار می‌مانند تا خاموش شده و به خوبی خنک شوند اما توربوهای مدرن سیستم‌های خودکاری دارند که این کار را برای شما انجام می‌دهند تا بتوانید با موتور توربوشارژ شده مثل یک موتور معمولی – یا سوپرشارژ شده – عمل کنید. با این وجود گرم شدن سریع و به موقع برای سوپرشارژرها اهمیت دارد چون در دمای عادی بهتر کار می‌کنند.
سوپرشارژرها برای موتورهای احتراق داخلی هواپیماها مناسب هستند. با در نظر گرفتن اینکه هواپیماها اکثر وقت خودشان را در ارتفاع بالا سپری می‌کنند که در آنجا اکسیژن کمتری برای احتراق وجود دارد، این مسئله کاملاً معقول است. با وجود سوپرشارژر هواپیماها می‌توانند بدون از دست رفتن کارایی موتور در ارتفاع بالاتری پرواز کنند.
سوپرشارژرهایی که برای موتورهای هواپیما استفاده می‌شوند شبیه به سوپرشارژرهای مخصوص خورو کار می‌کنند. این سوپرشارژرها قدرتشان را مستقیماً از موتور گرفته و از یک کمپرسور برای دمیدن هوای تحت فشار به محفظه احتراق استفاده می‌کنند. تصویر بالا یک طرح ساده و کلی از هواپیمای دارای سوپرشارژر را نشان می‌دهد.
معایب سوپرشارژر
مهم ترین عیب سوپرشارژرها این است که چون از میل لنگ انرژی می‌گیرند باید بخشی از اسب بخار موتور را مصرف کنند. سوپرشارژر می‌تواند حدود 20 درصد از کل خروجی موتور را مصرف کند اما از آنجایی که می‌تواند حدود 46 درصد اسب بخار اضافه تولید کند، این کاهش مشکلی ایجاد نمی‌کند.
سوپرشارژر کردن مقداری فشار روی موتور ایجاد می‌کند و موتور باید برای مدیریت آن توان لازم را داشته باشد. به همین دلیل اکثر شرکت‌ها موتورهای طراحی شده برای سوپرشارژ را با قطعات خاص طراحی می‌کنند. همین ویژگی باعث گران تر شدن طراحی آنها می‌شود. همچنین سوپرشارژرها هزینه‌های نگهداری را افزایش می‌دهند.
علیرغم این معایب سوپرشارژرها راهکارهای مقرون به صرفه برای افزایش اسب بخار هستند و می‌توانند باعث افزایش 50 تا 100 درصدی قدرت موتور شوند در نتیجه برای مسابقه، یدک کشیدن بارهای سنگین و یا هیجان دادن به رانندگی بسیار مفید هستند.
