الشاحن التوربيني والشاحن الجبري

 

تعريف الشاحن توربيني

الشاحن التوربيني هو جهاز لضغط الهواء بكميات اكبر داخل المحرك بغية زيادة القدرة الحصانية للمحرك مقارنة بحجم

 

المحرك ويعد اكتشاف الشاحن التوربيني ثورة في عالم المحركات وكيفية زيادة القدرة الحصانية دون تضخيم المحرك

 

Ø  انواع الشاحن التوربيني

هنالك نوعان ل الشاحن التوربيني وهم التربو شارجر والسوبر شارجر والفرق بينهما ان التربو شارجر يربط بعادم السيارة

اما السوبر شارجر فهو مكانيكي الاداء اي انه يربط مع المحرك بواسطة سير او ترس عن طريق بكرة عمود الكرنك

ويعتبر التربو شارجر اكثر فعالية من السوبر لان التربوشارجر يزيد من دخول الهواء والوقود لغرفه الاحتراق، كما أن

محركات التربوشارجر عادةً أكثر فعالية من محركات السوبر شارجر ولكنها أقل استجابةً منها. يتواجد التربوشارجر

عاده في محركات الشاحنات ,السيارات، القطارات وأيضا محركات معدات البناء.

Ø  طريقة عمله

قبل معرفة طريقة عمل الشاحن التوربيني يجب شرح كيفية الية الاحتراق اي انها تكمن في معظم محركات الاحتراق

الداخلي انه في أحد مراحلها تقوم بسحب الهواء عن طريق خفض المكبس وتوسيع الحجم المتاح

داخل الأسطوانة مما يخلق منطقه ظغط منخفض، ولكن الهواء الداخل الأسطوانة لا يكتمل ضغطه إلى 1 ضغط جوي لقصر

الوقت. هذا يخفض من الكفاءة الحجمية للآلة التي تعمل بدورة مكونة من 4 مراحل. ولو وصلت كثافة الهواء في الأسطوانة

إلى 1 ضغط جوي لتحسنت كفاءة الآلة.

 

وتنخفض كفاءة الآلة كذلك في الارتفاعات العالية حيث أن كثافة الهواء تقل مع الارتفاع. لهذا نجد أن الشاحن التوربيني

يستخدم كثيرافي محرك الطائرات. فعندما ترتفع الطائرة في السماء ينخفض الضغط. فمثلا على ارتفاع 5.500 متر يصل

الضغط إلى نصف ضغط جوي عند سطح البحر، مما يعني أن كفاءة محرك الطائرة ستنخفض أيضا على النصف عند هذا الارتفاع.

وهنا تأتي أهمية استخدام الشاحن التوربيني في الطائرة من حيث تحسين الكفاءه الحجميه، كما يوجد نوع محسن يسمى

شاحن خارق أو فائق (supercharger) وهما لتحسين كفاءة عمل المحرك، عن طريق زيادة ضخ الهواء في المحرك

لتكملة احتراق الوقود. وتأتي الطاقة المستخدمة لتدوير المحور التوربيني من الضغط ودرجة الحرارة العاليتين الخارجتين

مع غاز العادم. ويحول التوربين طاقة الوضع وطاقة الحركة لغاز العادم إلى قدرة دورانية تعمل على كبس مزيد من الهواء في غرفة الاحتراق.

Ø  الشاحن الجبري

الشحن الجبرى للهواء وذلك من خلال الشاحن التوربينى و المعروف باسم التربو وكما سبق وتحدثنا فى المقال الساتبق عن كيفية عمل محرك البنزين ومنه يتبين أن اساس عمل محرك البنزين هوعملية احتراق الوقود والتى تتطلب بالضرورة وجود كمية كافية من الهواءوالذى يحتوى على الأوكسوجين اللازم لعملية الاحتراق ويجب أن تكون نسبة الهواء الى الوقود هى 1:14.7 وعندما تزيد نسبة الخليط يسمى خليط غنى Rich Mixture  وعندما تقل النسبة يسمى مخلوط ضعيف أو فقيرPoor Mixture

 وكما لاحظنا فان الهواؤ هو عامل أساسى لاتمام عملية الاحتراق وأى نقص فى كمية الهواء يؤثر بالسلب على جودة الحريق وعدم احتراق الوقود احتراق كامل وبالتالى تقل كفاءة المحرك .

وفى حالة السحب الطبيعى للهواء فى شوط السحب عندما يتحرك المكبس من النقطة الميتة العليا الى النقطة الميتة السفى فان الضغط فوق سطح المكبس يصيح أقل من الضغط الجوى فيدخل الهواء الخارجى من خلال صمام السحب ليملىء اسطوانة المحرك ومن هنا يبدأ المحرك دورة عمل جديدة ومن هنا نستنتج أن أقصى كمية هواء يمكن سحبها فى شوط السحب هى الكمية  التى تقدر بحجم الاسطوانة أى أنه اذا كان حجم الاسطوانة يساوى 500 مللى لتر فان كمية الهواء المسحوب ستكون بنفس الكمية او أقل

فماذا لو استطعنا أن نزيد كمية الهواء هذه الى الضعف أو الضعفين لنفس حجم الاسطوانة ؟

والاجابة هى انه ستزداد قدرة المحرك لأنه وفقا للنسبه المذكورة أعلاه سيتم حقن وقود بقدر أكبر و بالتالى ستزداد القدرة و العزم دون زيادة السعة اللترية للمحرك أو ستم حرق كمية الوقود التى كانت تحقن من قبل ولكن هذه المرة سيتم حرقها بالكامل نظرا لزيادة كتلة الهواء و بالتالى زيادة كمية الأوكسوجين اللازم لاتمام عملية الحريق و هذا ما يقوم به التربو مستغلا قابلية الهواء للانضغاط حيث يقوم برفع ضغط الهواء من خلاك كومبريسور وضخه داخل اسطوانات المحرك حيث يقوم التربو بتحسين الكفاءة الحجمية للمحرك و بالتالى يتم رفع كفائته .

Ø  تاريخ استخدام الشاحن التوربينى :

تم اختراع التربو بواسطة المهندس السويسرى ألفريد بوتشى والذى كان يعمل مهندسا فى شركة Sulzer وفى عام 1923 تم تشغيل التربو على سفينتين تابعتين لوزارة النقل الألمانية وكانت محركات هذه السفن تعمل بالديزل و تم رفع قدرتهما الحصانية من 1750 الى 2500 حصان  وفى عام 1918 استخدمت شركة General Electric التربو على محرك Liberty V12 والذى كان يستخدم والذى كان يستخدم فى الطائرات المقاتلة .

وبدء استخدام التربو على مستوى الانتاج التحارى عام 1920 فى محركات الطائرت و السفن الكبيرة التى كانت تعمل بمحركات الديزل.

وتم استخدام التربو لأول مرة فى محركات البنزين عام 1962 على سيارة شيفرولية كورفيرزثم توالت الشركات فى استخدامه على السيارات الرياضية كشركة بورشه عام 1975 على سيارة 911 ثم ساب فى عام 1978 ولكن المشكلة الأساسية فى استخدام التربوفى محركات البنزين سابقا كانت فى زيادة اسهلاك الوقود ولذلك لاستخدام المكربن (الكاربراتير) والذى كان يعمل بنظام ميكانيكى بحت حيث كان يضخ كمية كبيرة من الوقود فى مختلف ظروف التشغيل نظرا لأن عملية التحكم به كانت فقط من خلال البوابة (الثروتل)  ولذلك كان استخدامه قاصر على السيارات الرياضية وسيارات السباقات ومع تطور المحركات و استبدال الكربراتير بأنظمة الحقن و انظمة الحقن الالكترونية أصبح استخدام التربو أقل تكلفه و أعلى كفاءة نسبيا ومع لاالتطور أكثر ظهرت أنظمة حقن الوقود المباشر والتى أعطت فرصة كبيرة لاستخدام التربو فى السنوات الماضية وتقليل حجم المحركات بشكل كبير جدا Down Sizing مع زيادة عزم الدوران والاحتفاظ بنفس القدرة الحصانية حيث يتيح نظام الحقن المباشر للوقود مدى واسع من التحكم فى كمية وتوقيت الحقن ليصل معه التربو الى اقصى كفاءة ممكنه فى استهلاك الوقود منذ اختراعه و حتى الأن .

Ø  كيفية عمل التربو:

يقوم مبدأ عمل التربو على غازات العادم الناتجة من عملية احتراق الوقود داخل المحرك و التى تخرج بضغط وحرارة مرتفعتين حيث يتم توجية هذه الغازات بزاوية معينة فى اتجاه التوربينة (عجلة دائرية بها زعانف) فتقوم الغازات بتدوير التربينة بسرعة مرتفعة  قد تصل الى 250000 لفة / دقيقة وتكون التربينة متصلة بضاغط الهواء عن طريق عمود واصل بينهما فعند دوران التوربينة يدور العمود معها بنفس السرعة فيقوم الضاغط بسحب الهواء ورفع ضغطة ثم ضخه الى اسطوانات المحرك بضغط أعلى من الضغط الجوى وبذلك تزداد كثافته و كتلته أى تزداد كمية الهواء الداخل الى المحرك بكمية أكبر منه فى حالة سحب المحرك للهواء بطريقة التنفس الطبيعى , ويرتكز العمود الواصل بيم التوربينة و الضاغط على كراسى تحميل و التى تكون فى الغالب من نوع جورنال بيرنج Journal Bearing ويكون هناك طبقة زيت رقيقة بين العمود و كراسى التحميل للحفاظ على العمود من التلف بفعل الاحتكاك وفى كثير من الأحيان تكون هناك وصلة مياه من دورة تبريد المحرك وذلك لتبريد جسم التربو .

بوابة العادم Waste Gate :

وتتكون من خرطوم واصل ناحية الكومبريسور و الناحية الأخرى متصل بدايفرام (رق) وهذا الرق متصل بصمام ال ByPass الموجود ناحية التربينة فعند غلق الثروتل الخاص بالمحرك تقل كمية الهواء المطلوبة ويحدث تراكم للهواء وارتفاع فى الضغط ناحية الكومبريسور و ينتقل هذا الضغط عن طريق الخرطوم الى الدايفرام فيقوم بضغطه و ضغط الزراع المتصل به ليفتح صمام الباى باص ويتم اخراج العادم دون المرور على التربينة وبالتالى يتم تخفيض الضغط  ويكون ذلك لحظيا وبذلك تحافظ بوابة العادم على التربو من التلف وحدوث ضلغط عكسى يقلل من سرعة التربوبشكل مفاجىء و فى المحركات الحديثة تكون بوابة العادم الكترونية عباره عن  Solenoid يفتح ويغلق عن طريق اشارة كهربية تأتى من وحدة التحكم بالمحرك ECU .