دیزل ژنراتور, مقالات, مکانیک
توربوشارژ و نحوه عملکرد آن
سپتامبر
توربوشارژ و نحوه عملکرد آن
در این برگه قصد داریم به معرفی توربوشارژ بپردازیم و اجزا، نحوه عملکرد و همچنین مزایا ومعایب آن را بررسی کنیم. پس با ما همراه باشید.
فهرست مطالب
1- توربوشارژ چیست؟
2- اجزای تشکیل‌دهنده توربوشارژ
3- مراحل عملکرد توربوشارژ
4- انواع سیستم طراحی توربوشارژر
5- مزایا و معایب استفاده از سیستم‌های توربوشارژ
6- نحوه عملکرد توربوشارژ در دیزل ژنراتور
7- سوالات پیرامون توربوشارژر
——————————
1- توربوشارژ چیست؟
توربوشارژ فناوری‌ای است که برای افزایش قدرت موتورهای درون سوز استفاده‌می‌شود. در یک موتور توربوشارژ شده، هوایی که به موتور وارد می‌شود، از طریق یک کمپرسور فشرده می‌شود و سپس در محفظه احتراق به سوزاندن سوخت می‌پردازد. این فرایند باعث افزایش حجم هوای واردشده و به‌تبع آن افزایش تولید قدرت موتور می‌شود.
در یک سیستم توربوشارژ، کمپرسور هوا توسط توربینی که از گازهای خروجی موتور تغذیه می‌شود، حرکت می‌کند. هرچه توربین بیشتر گاز را تغذیه کند، کمپرسور بیشتر هوا را فشرده می‌کند و بیشترین مقدار هوای ممکن وارد موتور می‌شود. این امر به موتور امکان افزایش توان بیشتر را بدون افزایش حجم موتور یا تعداد سیلندرها می‌دهد.
——————————
2- اجزای تشکیل‌دهنده توربوشارژ
توربوشارژ شامل چندین اجزاء تشکیل‌دهنده است که به طور کلی شامل موارد زیر می‌شود:
1- توربین:
توربین، یکی از اجزای اصلی توربوشارژ است. این قسمت از توربوشارژ با استفاده از گازهای خروجی موتور (گازهای تخلیه) می‌چرخد و انرژی این گازها را به توربین انتقال می‌دهد. توربین در نتیجه چرخش خود، کمپرسور را حرکت می‌دهد.
2- کمپرسور:
کمپرسور هوا قسمتی است که هوای محیط را می‌فشارد و به محفظه احتراق می‌فرستد. کمپرسور به وسیلهٔ توربین حرکت، و هوا را فشرده می‌کند. با افزایش فشار هوا، مقدار بیشتری هوا وارد محفظه احتراق می‌شود که این امر به افزایش توان خروجی موتور کمک می‌کند.
3- مبدل حرارتی :
برای به حداقل رساندن دمای هوا که به وسیلهٔ کمپرسور فشرده شده‌است، از مبدل حرارتی یا Intercooler استفاده‌می‌شود. این قطعه، هوای فشرده شده را خنک می‌کند و دمای آن را کاهش می‌دهد. این کار به بهبود کارایی موتور کمک می‌کند، زیرا هوای سردتر، چگالی بیشتری دارد و امکان مصرف سوخت بهتری را فراهم می‌کند.
4- سیستم خنک‌کننده گازهای تخلیه:
در توربوشارژ، یک سیستم خنک‌کننده استفاده‌می‌شود تا گازهای تخلیه از موتور را خنک کند. این کار باعث کاهش دمای گازهای تخلیه می‌شود و از آسیب دیدن توربین جلوگیری می‌کند. سیستم خنک‌کننده معمولاً با استفاده از روغن موتور یا سیال خنک‌کننده جداگانه‌ای که از سیستم خنکایش موتور تأمین می‌شود، عمل می‌کند.
5- سیستم کنترل:
توربوشارژ با استفاده از یک سیستم کنترل پیچیده، کنترل می‌شود. این سیستم شامل حسگرها، ادوات الکترونیکی و سیستم‌های کنترل خاص است و بطور کلی، وظیفهٔ تنظیم و کنترل فشار هوا، دمای هوا و سرعت چرخش توربین و کمپرسور را برعهده دارد.
تمامی این اجزا با همکاری یکدیگر کار می‌کنند تا هوای فشرده‌شده را تولید کنند و به محفظه احتراق هدایت کنند، که در نتیجه باعث افزایش کارایی سوخت و افزایش توان خروجی موتور می‌شود.
——————————
3- مراحل عملکرد توربوشارژ
عملکرد توربوشارژ را می‌توان در چهار مرحله اصلی بررسی کرد. این مراحل عبارتند از:
1- جریان هوا به توربین:
جریان گازهای تخلیه موتور (گازهای ترکیب شده با سوخت) از سیلندرهای موتور به سمت توربین هدایت می‌شود. گازها با فشار و دمای بالا وارد توربین می‌شوند و توربین را به چرخش می‌آورند.
2- چرخش توربین:
جریان گازها باعث چرخش توربین می‌شود. توربین به وسیله‌ی این چرخش، شفت‌اش را می‌چرخاند که به نوبه خود شفت کمپرسور را در سیستم توربوشارژ به چرخش می‌آورد.
3- فشرده‌سازی هوا:
شفت کمپرسور توسط توربین می‌چرخد و کمپرسور هوا را فشرده می‌کند. هوا وارد سیستم توربوشارژ می‌شود و فشار آن افزایش می‌یابد تا در نهایت به موتور ارسال شود.
4- تامین هوا به موتور:
هوای فشرده‌شده توسط کمپرسور به موتور ارسال می‌شود. هوا در موتور با سوخت (بنزین یا گازوئیل) مخلوط می‌شود و در سیلندرها احتراق انجام می‌شود. این احتراق باعث تولید نیروی مکانیکی و قدرت در موتور می‌شود.
توربوشارژ با ایجاد فشار بیشتر در سیستم سوخترسانی، هوا را به طور موثرتر و با دمای بالاتری به موتور می‌رساند. این عملکرد باعث افزایش قدرت و کارایی موتور می‌شود، زیرا میزان سوختی که می‌تواند در هر چرخه احتراق مصرف شود، افزایش می‌یابد.
——————————
4- انواع سیستم طراحی توربوشارژر
سیستم‌های طراحی توربوشارژ می‌توانند به چندین شکل و نوع متفاوت باشند. در ادامه، برخی از انواع رایج سیستم‌های طراحی توربوشارژ آورده شده است:
توربوشارژر تک‌توربینی (Single Turbo):
در این نوع سیستم، توربوشارژر تنها یک توربین و یک کمپرسور را شامل می‌شود. این توربوشارژرها بیشتر در خودروهای سبک و متوسط استفاده می‌شوند و به عنوان راهی برای افزایش قدرت موتور و بهبود عملکرد سوخت‌مصرفی استفاده می‌شوند.
توربوشارژر دوگانه (Twin Turbo):
در این سیستم، دو توربوشارژر در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. توربوشارژر اول (Primary Turbocharger) به طور مستقیم با گازهای تخلیه موتور ارتباط برقرار می‌کند و توربوشارژر دوم (Secondary Turbocharger) توسط توربین اولیه تغذیه می‌شود. این سیستم معمولاً در خودروهایی با توان بالا و عملکرد واکنشی سریع استفاده می‌شود.
توربوشارژر متغیر (Variable Geometry Turbocharger – VGT):
در این نوع سیستم، شیب پره‌های توربین قابل تغییر است، که به وسیلهٔ سیستم مکانیکی یا هیدرولیکی کنترل می‌شود. ویژگی مذکور، این امکان به توربوشارژر می‌دهد که با تغییر شیب پره‌ها، جریان گازها را تنظیم کند و در نتیجه عملکرد بهینه‌تری را به ارمغان بیاورد.
توربوشارژر الکتریکی (Electric Turbocharger):
این نوع توربوشارژرها از یک موتور الکتریکی برای چرخاندن کمپرسور استفاده می‌کنند. این موتور الکتریکی توسط باتری خودرو یا سیستم الکتریکی آن تغذیه می‌شود. توربوشارژرهای الکتریکی معمولاً در خودروهایی با نیاز به پاسخگویی سریعتر و کارایی بالاتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
توربوشارژر متوالی (Sequential Turbocharging):
در این سیستم، دو یا چند توربوشارژر به صورت سری به هم متصل می‌شوند. توربوشارژر متوالی به ترتیب فعالیت می‌کنند، به این معنی که توربوشارژر اول در سرعت موتور پایینتر فعالیت می‌کند و در سرعت بالاتر، توربوشارژر دوم نیز فعال می‌شود. این سیستم بهبود قدرت و عملکرد موتور را در محدوده‌های سرعتی مختلف فراهم می‌کند.
همچنین، معماری و طراحی سیستم توربوشارژ می‌تواند بسته به نیاز و محدودیت‌های موتور ، تنوع دیگری داشته باشد. برخی از سیستم‌های توربوشارژ دیگر شامل توربوشارژر موازی (Parallel Turbocharging)، توربوشارژر ترکیبی (Compound Turbocharging) و توربوشارژر متغیر دوگانه (Twin VGT) است. مهمترین هدف در طراحی هر یک از این سیستم‌ها، بهبود عملکرد موتور از طریق افزایش قدرت، کاهش مصرف سوخت و بهینه‌سازی عملکرد در محدوده‌های سرعتی مختلف است. هر نوع سیستم توربوشارژی دارای مزایا و معایب خاص خود است و استفاده از آنها بسته به نیاز و شرایط خاص هر کاربری متفاوت است.
تفاوت بین توربوشارژر تک‌توربینی و توربوشارژر دوگانه چیست؟
توربوشارژر تک‌توربینی و توربوشارژر دوگانه از نظر تعداد توربین‌ها و کمپرسورها که در سیستم استفاده می‌شوند، از یکدیگر متفاوت هستند. در ادامه، تفاوت‌های اصلی بین این دو نوع را بررسی خواهیم کرد:
توربوشارژر تک‌توربینی:
– در سیستم توربوشارژ تک‌توربینی، تنها یک توربین و یک کمپرسور استفاده می‌شود.
– توربوشارژر تک‌توربینی به طور معمول در خودروهای سبک و متوسط مورد استفاده قرار می‌گیرد.
– این نوع سیستم بهبود عملکرد موتور را از طریق افزایش قدرت و کاهش مصرف سوخت فراهم می‌کند.
– ساختار ساده‌تر و کمترین هزینه عملیاتی را دارد.
توربوشارژر دوگانه:
– در سیستم توربوشارژ دوگانه، دو توربین و دو کمپرسور به کار می‌روند.
– توربوشارژر دوگانه معمولاً در خودروهایی با توان بالا و عملکرد واکنشی سریع استفاده می‌شود.
– توربوشارژر اول (Primary Turbocharger) به طور مستقیم با گازهای تخلیه موتور در ارتباط است و توربوشارژر دوم (Secondary Turbocharger) توسط توربین اولیه تغذیه می‌شود.
– سیستم توربوشارژ دوگانه بهبود قدرت و عملکرد موتور را ارائه می‌دهد و معمولاً سرعت واکنش بهتری نسبت به توربوشارژ تک‌توربینی دارد.
مزایا و معایب هر نوع سیستم توربوشارژ بسته به نیاز‌ها و شرایط خاص هر کاربری متفاوت است. توربوشارژ تک‌توربینی به دلیل ساختار ساده، هزینه کمتر و پاسخگویی بهتر در سرعت‌های پایینتر موتور، در خودروهای عمومی و معمولی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از سوی دیگر، توربوشارژ دوگانه به دلیل توانایی در ارائه قدرت بیشتر و پاسخگویی سریعتر در سرعت‌های بالاتر، در خودروهای عملکردی محبوب است.
——————————
5- مزایا و معایب استفاده از سیستم‌های توربو شارژ
استفاده از سیستم‌های توربوشارژ در موتورها مزایا و معایب خاص خود را دارد. در ادامه به برخی از مزایا و معایب استفاده از سیستم‌های توربوشارژ اشاره می‌کنیم:
مزایا:
1- افزایش قدرت و کارایی: سیستم توربوشارژ با افزایش فشار و حجم هوای وارد موتور، قدرت و کارایی آن را بهبود می‌بخشد. این امر منجر به افزایش شتاب خودرو، توان مرتبط با سرعت، عملکرد بهتر در شرایط بارگذاری بالا و کاهش مصرف سوخت می‌شود.
2- جبران کاهش توان در ارتفاع: در ارتفاعات بالا، کاهش فشار جوی باعث کاهش توان موتور می‌شود. با استفاده از توربوشارژ، هوای با فشار بالاتر وارد موتور می‌شود و توان موتور در ارتفاعات بالا حفظ می‌شود.
3- افزایش توان به حجم موتور کوچکتر: با استفاده از توربوشارژ، می‌توان با حجم کوچکتری از موتور به قدرت بیشتری دست یافت. این امر منجر به کاهش وزن خودرو و بهبود توزیع وزن آن می‌شود.
معایب:
1- تاخیر شارژ (تاخیر توربو لگ): در برخی موتورها، تاخیری به نام “توربو لگ” وجود دارد. این به معنی دیرتر رسیدن فشار و توربین به سرعت بهینه است که منجر به تأخیر در تأمین قدرت می‌شود. این تاخیر ممکن است باعث افت شتاب در زمان شروع حرکت شود.
2- پیچیدگی و هزینه: نصب و تعمیر سیستم توربوشارژ،نسبت به موتورهای غیرتوربوشارژ، پیچیده‌تر و هزینه‌برتر است. همچنین، نیاز به قطعات و سرویس‌دهی منظم توربوشارژ نیز هزینه‌بر خواهد بود.
3- حساسیت به حرارت: توربوشارژ به دلیل قرارگیری در معرض دمای بالا در سیستم تخلیه، حساسیت بیشتری نسبت به حرارت دارد. از این رو، ممکن است نیاز به استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده مناسب داشته باشد.
4- نیاز به سوخت با کیفیت بالا: سیستم توربوشارژ نیاز به سوخت با کیفیت بالا و با اقلیم مناسب دارد. استفاده از سوخت نامناسب می‌تواند به طورکلی بر عملکرد سیستم تاثیر بگذارد.
——————————
برای خرید انواع توربوشارژ دیزل ژنراتور به لینک زیر مراجعه نمایید و برای دریافت مشاوره جهت انتخاب بهترین محصول با کارشناسان ما در شرکت ماه صنعت انرژی تماس بگیرید.
——————————
6- نحوه عملکرد توربوشارژ در دیزل ژنراتور
توربوشارژ در دیزل ژنراتور به منظور افزایش کارایی و قدرت موتور استفاده می‌شود. عملکرد توربوشارژ در دیزل زنراتور به صورت زیر است:
ورود هوا: هوای خارجی از طریق فیلترها و سیستم تهویه وارد محفظه توربین می‌شود.
توربین: هوای وارد شده توسط توربین در محفظه توربین به سرعت بالا می‌چرخد. توربین با انتقال سرعت به هوا، انرژی جنبشی را به آن منتقل می‌کند.
محفظه توربوشارژ: هوا با انرژی جنبشی که از توربین به دست آورده است، وارد محفظه توربوشارژ می‌شود. در این محفظه، هوا با توجه به ساختار داخلی طراحی شده، فشرده‌می‌شود.
تقویت فشار هوا: هوای فشرده‌شده از محفظه توربوشارژ خارج می‌شود و وارد سیستم تغذیه هوای موتور می‌شود. فشار هوا در سیستم توربوشارژ باعث افزایش فشار و حجم هوای وارد موتور می‌شود.
موتور دیزل: هوای فشرده‌شده وارد محفظه احتراق موتور دیزل می‌شود. در اینجا، هوا با سوخت (گازوئیل) ترکیب شده و در اثر فشار و حرارت بالا احتراق صورت می‌گیرد. این احتراق باعث تولید انرژی حرارتی می‌شود.
تولید برق: انرژی حرارتی تولید شده در موتور دیزل به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود و توسط ژنراتور به برق تبدیل می‌شود. توربوشارژ با افزایش فشار و حجم هوا، کارایی موتور را بهبود می‌بخشد و تولید برق بیشتری را ممکن می‌سازد.
با استفاده از توربوشارژ در دیزل ژنراتور، میزان قدرت و کارایی موتور افزایش می‌یابد، و بهبود توزیع هوا در سیلندرها و کاهش مصرف سوخت را به دنبال دارد. همچنین، توربوشارژ به توان موتور در شرایط بارگذاری بالا و در ارتفاعات بالا نیز کمک می‌کند.
——————————
7- سوالات پیرامون توربوشارژر
توربوشارژ چگونه بهبود کارایی سوخت را به همراه دارد؟
توربوشارژ بهبود کارایی سوخت را به دو روش زیر به همراه دارد:
1- افزایش توان خروجی:
با استفاده از توربوشارژ، میزان هوای ورودی موتور بیشتر می‌شود. هوای فشرده‌شده توسط کمپرسور توربینی به محفظه احتراق هدایت می‌شود، که در نتیجه باعث افزایش مقدار سوختی که می‌توان در موتور سوزاند، می‌شود. این افزایش در مقدار سوخت منجر به تولید بیشترین توان خروجی موتور می‌شود. با افزایش توان خروجی، موتور قادر است بار سنگین‌تری را بکشد و عملکرد بهتری در شرایط سخت و تنش‌زا داشته باشد.
2- بهبود احتراق:
توربوشارژ باعث افزایش میزان هوای ورودی موتور می‌شود و هوای فشرده‌شده به محفظه احتراق هدایت می‌شود. این افزایش فشار و دما در محفظه احتراق، منجر به احتراق بهتر و کامل‌تر سوخت می‌شود. احتراق کامل سوخت به معنای استخراج حداکثر انرژی ممکن از سوخت است و در نتیجه، کاهش ضایعات حرارتی و افزایش کارایی سوخت را به همراه دارد. با کاهش مصرف سوخت، میزان انتشار گازهای آلاینده نیز کاهش می‌یابد.
با ترکیب این دو عامل، توربوشارژ به کاهش مصرف سوخت و افزایش کارایی سوخت در موتورهای درونسوز کمک می‌کند. این امر به معنای حداکثر استفاده از انرژی موجود در سوخت و کاهش هدررفت انرژی است. به علاوه، با کاهش مصرف سوخت، هزینه‌های سوخترسانی نیز کاهش می‌یابد.
چگونه توربوشارژ قدرت و کارایی موتور را افزایش می‌دهد؟
توربوشارژ قدرت و کارایی موتور را به دو روش اصلی افزایش می‌دهد: افزایش فشار و افزایش حجم هوا.
1- افزایش فشار:
توربوشارژ با فشرده‌سازی هوا قبل از ورود به موتور، فشار آن را افزایش می‌دهد. با افزایش فشار هوا، مقدار بیشتری از سوخت در هر چرخه احتراق مصرف می‌شود. این امر باعث افزایش قدرت موتور می‌شود، زیرا بیشترین قدرت موتور به میزان سوخت مصرفی وابسته‌است. با افزایش فشار هوا، همچنین کارایی سوخترسانی بهبود می‌یابد، زیرا سوخت به طور کامل ترکیب و احتراق می‌شود.
2- افزایش حجم هوا:
توربوشارژ با جذب هوای بیشتر و فشرده‌سازی آن، حجم هوایی را که برای موتور تأمین می‌کند، افزایش می‌دهد. این باعث افزایش مقدار هوای موجود در سیلندرها در هر چرخه احتراق می‌شود. بیشترین قدرت موتور به حجم هوای مصرفی وابسته‌است، بنابراین با افزایش حجم هوا، قدرت موتور افزایش می‌یابد.
به طور کلی، توربوشارژ با افزایش مقدار سوخت مصرفی و همچنین حجم هوایی که به موتور تأمین می‌کند، قدرت و کارایی موتور را افزایش می‌دهد. این منجر به افزایش شتاب خودرو، توان مرتبط با سرعت، بهبود عملکرد در شرایط بارگذاری بالا و کاهش مصرف سوخت می‌شود.
مطالب مرتبط