در بخش‌های قبلی با توربوشارژرها و عملکرد آنها آشنا شدیم. در ادامه با سوپرشارژرها آشنا خواهیم شد. سیستم‌هایی که با وجود مقبولیت کمتر نسبت به توربوشارژرها، دارای مزایایی نیز هستند. سوپرشارژ چیست و چگونه در خودرو عمل می کند؟ مکانیسم آن برای افزایش توان موتور و بالابردن گشتاور چیست؟ در این مطلب کیان باتری همه چیز درباره سوپرشارژرها را بخوانید
مقاله پیشنهادی: آشنایی با موتور توربو شارژ و مزایا معایب آن
هدف سوپرشارژر و توربوشارژر در ماشین
پیشرانه های درون سوز، قدرت خود را از طریق اشتعال سوخت به همراه هوا به دست می آورند. در نتیجه برای افزایش قدرت پیشرانه می توانیم تا حدی سوخت بیشتری را به داخل موتور تزریق کنیم. اما از یک مقدار مشخصی که بگذرد، نه تنها کمکی به احتراق قوی تر نمی کند، بلکه موجب هدر رفتن سوخت نیز می شود.
زیرا ماده سوختی برای اشتعال باید با حجم مشخصی از هوا ترکیب شود. بنزین و هوا نیز نسبتی ۱۴ به ۱ دارند. یعنی ۱۴. ۷ قسمت هوا و یک قسمت بنزین. بنابراین برای اشتعال مقدار بیشتر سوخت تزریق شده، باید هوای بیشتری به صورت متراکم و با فشار بالا و حجم ثابت وارد سیلندر شود. به همین علت پیشرانه ها را به سیستم های توربو شارژ و سوپر شارژ مجهز می کنند.
سوپرشارژر موتور چیست؟
سوپرشارژر و توربوشارژر هر دو یک وظیفه دارند و آن فراهم آوردن هوای فشرده و چگال‌تر برای پیشرانه‌ی خودرو است. همانطور که گفته شد تنها تفاوت این دو سامانه در بخش تامین نیروی مورد نیاز و در بعضی انواع نیز در نحوه‌ی کارکرد آنها است.
سوپرشارژرها بصورت مستقیم نیروی خود را از موتور خودرو دریافت می‌کنند، حال این دریافت نیرو می‌توانداز طریق یک تسمه که به میل لنگ متصل شده و کارکرد موتور باعث حرکت تسمه و پولی سوپرشارژر می شود. و حرکت پولی هم باعث فعال شدن کمپرسور می گردد تا عمل فشرده سازی هوا انجام شود.
که با سرعت دَوران موتور، چرخانده می شود و هوای بیشتری را به پیشرانه می فرستد. در نتیجه قدرت پیشرانه را افزایش می دهد. سوپرشارژ ها برای اینکه جریان هوای بیشتری دریافت کنند، بیرون کاپوت قرار می گیرد. مشابه توربوشارژرها، سوپرشارژرها نیز برای کاهش دمای هوای فشرده شده از اینتر کولر استفاده می کنند.
با توجه به کوپل شدن دائمی سوپرشارژر به پیشرانه، دیگر مانند توربوشارژرها تاخیری وجود ندارد و سوپرشارژر از همان ابتدای گاز دادن راننده کارایی خود را نشان می‌دهد.
کاربرد های سوپرشارژ در موتور خودرو
سوپرشارژرها، به‌طور میانگین ۴۶ درصد از توان موتور و ۳۱ درصد از گشتاور خروجی آن را افزایش می‌دهند.
- در مکان های مرتفع به دلیل این که میزان هوا و فشار هوا کمتر است، عملکرد موتور کاهش پیدا می کند. در این حالت سوپرشارژر با انتقال فشار بالاتر، باعث تقویت عملکرد موتور می‌شود.
- در سوپرشارژرها از چرخ‌دنده و تسمه برای انتقال نیرو استفاده می‌شود. این کار باعث چرخش روتور ( قسمت متحرک ) کمپرسور می‌شود.
- کار روتور کشیدن هوا به داخل، فشردن و متراکم کردن هوا و انتقال آن به محفظه کوچکتر است.
- در آخر هم این هوای فشرده به منیفولد یا محفظه مکش ارسال می شود.
- سوپرشارژرها برای تنظیم فشار و رسیدن به فشار مناسب، به سرعت چرخش زیادی نیاز دارند.
- سوپرشارژرها می‌توانند سرعت‌هایی بیش از ۵۰ هزار تا ۶۵ هزار دور در دقیقه داشته باشند.
- وقتی یک سوپرشارژر در سرعت ۵۰ هزار دور بر دقیقه می چرخد، می تواند ۶ تا ۹ پی اِس آی بوست تولید کند که به معنی ۵۰ درصد انتقال هوای بیشتر به موتور است.
انواع سوپور شارژر ها
سوپرشارژر ها بر حسب شکل ظاهری و چگونگی عملکرد به 3 دسته زیر تقسیم می شوند.
- گريز از مركز یا سانتریفیوژی
- دمنده‌اي یا روتس
- مارپيچي
كه همگي آنها قدرت رانشي خود را به طريقي از ميل‌لنگ موتور مي‌گيرند. بطوريكه سرعت بالاتر موتور، باعث سريعتر چرخيدن آنها مي‌شود. دو نوع اول با سرعتي معادل 15000 دور در دقيقه و نوع سوم يا گريز از مركز با سرعتي معادل 40000 دور در دقيقه مي‌چرخد.
سوپرشارژ های سانتریفیوژی (Centrifugal Supercharger)
سوپرشارژهای سانتریفیوژی شباهت زیادی از نظر عملکرد و ساختار فیزیکی به توربوشارژ ها دارند. تنها تفاوت آن ها این است که سوپرشارژرهای سانتریفیوژی نیروی حرکت خود را به صورت فیزیکی از میل لنگ می گیرند و توربوشارژرها نیروی خود را از طریق فشار گازهای خروجی پیشرانه، دریافت می کنند.
در سوپرشارژ های سانتریفیوژی یک جعبه دنده قرار دارد تا دَوران ورودی آن ها افزایش پیدا کند زیرا برای فراهم کردن فشار هوای لازم به دور بسیار بالا (بعضاً ۷۰ هزار دور بر دقیقه) نیاز دارند. از این رو این نوع از سوپرشارژرها در دور پایین عملکرد کمی از خود نشان می دهند. از آنجایی که این پیشرانه ها ابعاد کوچکی دارند و می توانند فشار بسیار بالایی تولید کنند، بسیار مورد استقبال تیونرها قرار می گیرند.
سوپرشارژرهای روتس (Roots Supercharger)
روتز یکی از قدیمی ترین نوع سوپرشارژ ها به حساب می آید که از دو عدد روتور پره‌دار تشکیل شده است. نیروی پیشرانه روتورها را به چرخش در آورده و هوا را در فاصله بین پره ها و بدنه سوپرشارژر وارد می کند.
هوا پس از فشرده سازی به سمت پیشرانه فرستاده می شود. این سوپرشارژر قیمت پایینی داشته اما دور بالای موتور انرژی زیادی صرف می کند و صدای زیادی نیز تولید می کنند. روتس ها در نوع پیشرفته خود از چهار پره بهره می برند و با نام TVS شناخته می شوند که علاوه بر دمای کارکرد پایین تر، فشار خروجی بیشتری تولید می کنند و از سرو صدای کمتری برخوردار هستند.
به چنین سوپرشارژرهایی، دمنده نیز گفته می شود. سوپرشارژرهای روتز اندازه بزرگی دارند به طوری که از کاپوت ماشین بیرون می مانند و سنگین هستند. عیب بزرگ شان این است که هوا به صورت ناپیوسته وارد موتور می شود.
سوپرشارژرهای مارپیچی
علت نام گذاری این سوپر شارژ ها به این علت است که از دو مارپیچ نر و ماده تشکیل شده اند که با یکدیگر در تماس هستند و با دَوران آن ها، مکش، فشرده سازی و پمپاژ هوا انجام می شود. از مزیت های این نوع سوپر شارژر ها می توان به عملکرد بسیار خوب و فشار تولیدی بالا اشاره کرد.
علاوه بر این سوپرشارژرهای مارپیچی در بازه های مختلفی از دور موتور بالا و پایین می توانند کار کنند. تنها نکته منفی این نوع سیستم، هزینه تولید و قیمت بالای آنها می باشد.
سوپرشارژر الکتریکی
نوع دیگری از سوپرشارژرهای الکتریکی نیز هستند که تقریباً مانند سوپرشارژرهای مکانیکی طراحی شده اند، با این تفاوت که در این سوپرشارژرها نیروی محرک پره های کمپرسور از موتور الکتریکی دریافت می شود.
این موتور الکتریکی با دریچه هوا یا تراتل (throttle) هماهنگ می شود و با توجه به میزان گشایش تراتل عمل می کند. به این صورت که هر چه بیش تر به پدال گاز فشار وارد کنیم موتور الکتریکی نیز با دور بیش تری می چرخد و هوای بیش تری را به سمت منیفولد هوا هدایت می کند.
مقايسه توربوشارژر و سوپرشارژر
عملکرد سوپر شارژر و توربو شارژ
هر دوی آنها با قدرت موتور سروکار دارند. توربوشارژ و سوپرشارژ به عنوان سیستم های مکش قدرت شناخته می شوند.
به این معنی که هر دو هوای در جریان داخل موتور را فشرده می کنند، که قدرت بیشتری برای موتور به ارمغان می آورد. این عمل مقدار قابل ملاحضه ای نیروی تقویتی به ارمغان می آورد که حتی می تواند تا ۵۰ درصد بیشتر قدرت وارد موتور کند.
این قدرت فوق العاده، هر وقت که راننده از صدای ظریف و کم موتور خودرویش خسته شود، ماشین را مانند مانند شیر به غرش در می آورد.
تاخیر توربو شارژ یا سوپرشارژ
سوپرشارژرها بلافاصله بعد از روشن نمودن و چرخش موتور، در سرويس قرار مي‌گيرند و هواي فشرده را در اختيار موتور قرار مي‌دهند هر چند اين ميزان تقويت اوليه براي موتور، خيلي اندك است ولي به تدريج با دور گرفتن موتور افزايش مي‌يابد و حاصل آن افزايش آرام و يكنواخت توان موتور است.
اما در مقابل توربوشارژرها نقطه ضعفي دارند كه آن را تاخير در واكنش نشان دادن مي‌نامند. چون لختي كه توربوشارژرها در آغاز كار دارند و بايد ابتدا دودهاي خروجي داغ توليد شوند تا دور بگيرند (spool up) باعث مي‌شود كه مدتي طول بكشد تا هوا را براي فرستادن به موتور فشرده كنند و بنابراين تا دور موتور بالا نرفته است مي‌توانند هوا را به شكل دلخواه فشرده كنند.
افت توان غير قابل اجتناب
سوپرشارژرها به علت اينكه نيروي خود را از موتور مي‌گيرند باعث مي‌شوند كه بخشي از توان توليد شده توسط موتور را مصرف كنند اين افت توان غيرقابل اجتناب مي‌تواند حتي از 50 اسب بخار هم تجاوز كند البته اين سوپرشارژرها بيش از آنچه انرژي مصرف مي‌كنند به توان موتور اضافه مي‌كنند.
ولي توربوشارژر به علت آنكه هيچگونه انرژي را از موتور مصرف نمي‌كنند ولي با ايجاد مانع در جريان دودهاي خروجي از موتور و افزايش فشار پس زدن سبب مي‌شوند از بخشي از توان موتور بطور غيرمستقيم كاسته شود.
چون در اين حالت پيستون بايد انرژي بيشتري را براي بيرون راندن دودهاي خروجي از سيلندر صرف كند ولي از طرف ديگر استفاده از توربوشارژر باعث مي‌شود كه هواي فشرده وارد سيلندر شود و همين موضوع باعث محكم به پايين رفتن پيستون و دادن انرژي به آن مي‌شود كه با انرژي كه قبلاً گفته شد خنثي مي‌شود.
به هر حال استفاده از توربوشارژر به علت اينكه تواني براي كار كردن از موتور نمي‌گيرد و باعث بالا رفتن توان موتور مي‌شود معمول‌تر از سوپر شارژر است.
توليد حرارت توربو و سوپر شارژرها
هنگاميكه هواي ورودي خنك‌تر باشد متراكم‌تر و چگالي‌تر است كه بدين مفهوم است كه اكسيژن بيشتري در واحد حجم موتور مي‌رسد. اكسيژن بيشتر به مفهوم توان بيشتر است سوپر شارژرهاي دمنده‌اي از اين جهت كه توليد گرما مي‌كنند مطلوب نيستند اين گرماي توليد شده حاصل ناكافي بودن تراكم هواي ورودي است و از اين روي توربوشارژرها كارآيي بيشتري نسبت به سوپرشارژرها دارند.
سوپر شارژرهاي گريز از مركز مي‌توانند از اين جهت بهتر از توربوشارژرها باشند و قابليت انعطاف بيشتري را از خود بروز دهند. با قرار دادن لوله هواي ورودي به موتور را گرم‌تر كرد. سوپر شارژرهاي گريز از مركزي كه خوب طراحي شده باشند مي‌توانند اين گرما را از طريق نصب خنك‌كننده كاهش دهند.
نگهداری از سوپرشارژ توربو
مردم اغلب مي‌گويند كه سوپر شارژرها نسبت به توربوشارژرها قابليت اطمينان بيشتري دارند و اين بدان علت است كه توربو شارژرها در حرارت بالا كار مي‌كنند و توسط روغن روانكاري مي‌شوند و هرگاه قبل از خنك شد آنها موتور خودرو را خاموش كنند اين روغن در معرض حرارت قرار مي‌گيرد و باعث كوتاه شدن عمر كاري توربو شارژر مي‌شود.
اما با تعمير و نگهداري و مراقبت‌هاي لازم از توربو شارژر مي‌توان بر اين مشكل هم فائق آمد. از نظر حداكثر توان مطلق توليدي استفاده از توربو شارژر امكان بالاتري براي تقويت قدرت موتور ارايه مي‌دهد تا استفاده از سوپر شارژر. مثلاً در تراكتورهايي كه جهت كشش مورد استفاده قرار مي‌گيرند، استفاده از سه توربو شارژر بصورت سري باعث مي‌شود كه سطح تقويت هواي ورودي فشاري معادل psi200 توليد كند!
مزایای سوپرشارژ نسبت به توربوشارژ
قابلیت‌ها و مزیت‌ها عبارتند از:
- میزان تأخیر در سوپرشارژرها کمتر است. یعنی زمانی که پدال گاز را فشار می‌دهیم تا زمانی که واکنش مناسبی از موتور دریافت کنیم در سوپرشارژرها کمتر است، اما در توربوشارژرها این میزان تأخیر به سبب مکانیزم عملکرد آن که از گاز خروجی از اگزوز برای چرخاندن توربین استفاده می‌شود، بیشتر است که در سوپرشارژرها هیچ تأخیری به این دلیل که حرکت خود را مستقیماً از میل‌لنگ موتور می‌گیرند، وجود ندارد.
- سوپرشارژرها در دور موتور پایین‌تر بازده بیشتری دارند. این امر باعث داشتن توان بیشتر در دور موتور پایین‌تر می‌شود. سوپرشارژرهای گریز از مرکز که دارای بیشترین بازده هستند، در دور موتور بالاتر توان بیشتری فراهم می‌کنند.
- نصب آسان و کم هزینه تر نسبت به توربوشارژر ها : نصب و راه‌اندازی توربوشارژر، به تغییرات گسترده و نصب قطعات مختلف روی سیستم تخلیه گاز خروجی از اگزوز نیاز دارد، اما سوپرشارژرها روی موتور یا کنار آن نصب می‌شوند. ارزان‌تر بودن، نصب آسان و تعمیر ساده، از دیگر مزایای استفاده از سوپرشارژرها، است.
- سوپرشارژرها بی‌نیاز از روغنکاری هستند، اما توربوشارژرها به مکانیزم روغنکاری نیاز دارند. توربوشارژرها نیاز به خنک شدن دارند و از روغنکاری و CoolDown استفاده می‌کنند. در کل، می‌توان نتیجه گرفت که در دمای یکسان، سوپرشارژرها عملکرد مناسب‌تری دارند.
- افزایش قدرت موتو تا ۴۶ درصد شود
- عمر بیشتر سوپرشارژها نسبت به توربوشارژها
- نگهداری راحت تر نسبت به توربو شارژ (توربوشارژر از نظر فنی پیچیده تر است)
- ۳ برابر بودن سرعت چرخش سوپرشارژر نسبت به توربوشارژر
معایب سوپرشارژ
یکی از بزرگترین معایب سوپرشارژرها، محدودیت در مشخصه‌های فنی آنهاست. یعنی آنها تا حد معین و محدودی می‌توانند فشار هوا و در نهایت توان موتور را بالا ببرند زیرا میل‌لنگ که عامل حرکت آنهاست مقداری از توان موتور را مصرف می‌کند و مقداری انرژی تلف شده وجود خواهد داشت، سوپرشارژرها حدود ۲۰ درصد از توان خروجی موتور را می‌گیرند اما در حالت بهینه کارکرد، حدود ۴۶ درصد توان موتور را ارتقا می‌دهند.
در ضمن، به دلیل عملکرد مکانیزم و واکنش‌های داخلی سوپرشارژر، تنش اضافه‌ای به موتور وارد می‌شود. با وجود معایبی که در مورد سوپرشارژرها ذکر شد، کماکان استفاده از آنها به دلیل عملکردی که در افزایش توان موتور دارند و از نظر اقتصادی نیز به صرفه می‌باشند، رایج است.
مصرف سوخت بالاتر نسبت به توربوشارژر. چرا که در سوپرشارژر نیرویی که برای فشرده سازی هوا گرفته می شود از خود موتور است. اما در توربوشارژر این نیرو از گازهای خروجی گرفته می شود.
سوپرشارژر برخلاف توربو باعث کاهش آلایندگی نمی شود.
تورو شارژر بهتر است یا سوپر شارژر
این تصمیم کاملا بستگی به نوع خود وسیله دارد. برای مثال در اروپا که توربوشارژها رایجترند بخاطر این است که موتور خودروها بیشتر کوچک و چهارسیلندر استاندارد می باشند.
سوپرشارژها می توانند حتی در دور موتورهای پایین نیز نیروی تقویتی تولید و صدای کمتری ایجاد کنند که آنها را برای داخل شهر مناسب تر می کند، در حالی که توربوشارژ در بالاترین سرعت های موتور بهترین عملکرد خود را نشان می دهد.
نکته قابل توجه این است که نگهداری یک سوپرشارژ ساده تر از یک توربوشارژ پیچیده است.
اگر توربوشارژها نیز در دور موتور پایین عمل می کردند، بسیار مناسب بودند. فولکس واگن با ساخت یک موتور دوشارژر، برای رفع این مشکل اقدام کرده است. اما بجز قیمت بسیار بالای آن، این موتور فقط با بنزین ممتاز کار می کند.
در حقیقت سوپرشارژ و توربو شارژ برای یک حجم موتور مشخص، هر دو تقریبا قیمت مشابهی دارند، اما یک خودروی معمولی با سوپرشارژر بهتر کار خواهد کرد.
زیرا نصب آنها ساده تر بوده و اتصالات آن آنچنان دشوار نیست. از طرفی برای ارتقا یک خودرو به وسیله توربوشارژ باید تغییرات دیگری در سایر قسمت های موتور خودرو، کیت مکش، کیت اگزوز و … نیز ایجاد کرد تا پاسخگوی توان بالای این ارتقا باشند.
