سوپر شارژرهای گریز از مرکز
نوشته شده در تاریخ 1400/6/10 ساعت 3:01 بامداد
Image Not Loaded

مقدمه

حداکثر گشتاور و توان توليد شده توسط موتور احتراق داخلي به عوامل مختلفي بستگي دارد که يکي از مهمترين آنها، مقدار سوختي است که مي توان درون سيلندر سوزاند. هرچه ميزان سوخت بيشتر باشد، فشار احتراق درون سيلندر بيشتر است و در نتيجه، گشتاور (قدرت) موتور نيز بيشتر مي شود. ميزان سوخت قابل احتراق در داخل موتور بواسطه مقدار هواي (اکسيژن) موجود براي احتراق محدود مي شود. اين بدان معناست که حتي اگر مقدار زيادي سوخت به موتور تزريق کنيم، بدون تامين مقدار مناسب هوا (اکسيژن)، سوخت اضافي سوزانده نمي شود و موتور فاقد راندمان مورد نظر خواهد و همچنين باعث افزايش انتشار گازهاي خروجي مي شود. به موتورهاي احتراق داخلي، که مکش هوا در آنها به صورت معمولي (طبيعي) از طريق دريچه هوا انجام مي شود، موتورهاي اتمسفريک نيز گفته مي شود. هنگامي که پيستون به سمت نقطه مرگ پايين (BDC) حرکت مي کند، درون سيلندر فضاي خالي ايجاد ميکند که باعث ميشود به داخل سيلندر کشيده شود.

در اين حالت، دبي جرمي هواي ورودي به سيلندر به اندازه ي دريچه منيفولد ورودي هوا بستگي دارد و همچنين فشار هوا هميشه کمتر از فشار جو (1 اتمسفر) است. در موتورهاي اندازه ثابت (جابجايي) با فشرده سازي هوا قبل از ورود به سيلندرها، به چگالي بالاتري نسبت به هواي جو دست پيدا مي کنيم که اين موضوع باعث افزايش گشتاور (قدرت) خروجي موتور مي شود. اين هدف اصلي يک موتور سوپرشارژ است. بنابراين، يک موتور سوپرشارژ در واقع يک موتور احتراق داخلي است که براي افزايش گشتاور و توان خروجي موتور قبل از ورودي سيلندر، از هواي فشرده استفاده مي کند. با فشردن هواي ورودي، چگالي آن افزايش مي يابد، به عبارت ديگر براي همان فضاي ثابت (حجم درون سيلندر)، مولکول هاي اکسيژن بيشتري براي احتراق موجود است. در نتيجه مي توان سوخت بيشتري تزريق کرد و به تبع آن فشار احتراق افزايش مي يابد که درنهايت باعث افزايش گشتاور و قدرت موتور مي شود. نمودار زير، افزايش گشتاور موتور را برحسب سرعت موتور نمايش مي دهد.

 

چندين روش براي فشرده سازي هواي ورودي موتور وجود دارد:

 

در سوپرشارژرهاي مکانيکي، کمپرسور مستقيماً توسط موتور به حرکت در مي آيند. اين بدان معناست که کمپرسور به صورت مکانيکي از طريق يک چرخ دنده يا تسمه به ميل لنگ متصل مي شود و براي فشرده سازي هواي ورودي از موتور نيرو مي گيرد. بسته به روش فشرده سازي هوا، سوپرشارژرهاي مکانيکي به دو دسته اصلي تقسيم مي شوند:

 

 

 در اين مقاله ما قصد داريم بر روي سوپرشارژهاي گريز از مرکز مکانيکي تمرکز کنيم.

 

سوپر شارژرهاي گريز از مرکز مکانيکي

سوپرشارژرهاي گريز از مرکز مکانيکي از اصل جريان (دبي) و اصل مومنتوم (نيروي حرکت آني) به منظور فشرده سازي هواي ورودي استفاده مي کنند. اين سوپر شارژرها اساساً از يک چرخ کمپرسور (پروانه) تشکيل شده اند که بروي يک محور نصب شده و توسط موتور و از طريق يک مجموعه چرخدنده يا يک تسمه به حرکت در مي آيد. شکل زير شماتيکي از سيستم سوپر شارژر گريز از مرکز مکانيکي را نمايش مي دهد.

 

هواي محيط توسط پروانه (کمپرسور) و از درون فيلتر مکيده مي شود و با فشار بالايي فشرده سازي مي شود.  هواي ورودي قبل از ورود به موتور (سيلندر)، سرد مي شود تا چگالي آن بيشتر شود. هواي متراکم خنک شده باعث مي شود تا بتوان سوخت بيشتري را به موتور تزريق کرد و در نتيجه گشتاور (قدرت) بيشتري در موتور توليد ميگردد. بهبود (افزايش) فشار به دور موتور بستگي دارد، هرچه سرعت پروانه (موتور) بيشتر باشد، فشار هواي فشرده نيز بيشتر مي شود. از آنجا که قدرت مورد نياز کمپرسور براي چرخش، مستقيماً از موتور گرفته مي شود و نه از گازهاي خروجي (مانند مورد توربوشارژرها که از گازهاي خروجي استفاده مي کنند)، عيب آن اين است که روي موتور افزايش مي دهد. مزيت آن اين است که هيچ دمايي از گازهاي خروجي به هواي فشرده منتقل نمي شود که در مقايسه با توربوشارژرها، چگالي هواي ورودي بالاتري را خواهيم داشت. شکل زير عملکرد سوپرشارژرهاي گريز از مرکز مکانيکي را نشان مي دهد.

 

 

ساده ترين روش براي به حرکت در آمدن سوپرشارژر گريز از مرکز، استفاده از تسمه است که از طريق دو پولي به ميل لنگ متصل مي شود. اين روش ساده و کارآمد، راندمان سوپرشارژر را محدود مي کند، زيرا فشار خروجي مستقيماً با دور موتور مرتبط است. ساختارهاي پيشرفته تري نيز وجود دارد، مانند سوپرشارژهاي Torotrak V-charger CVT، که به منظور کنترل سرعت پروانه، مستقل از دور موتور، از وارياتورهاي کامل حلزوني استفاده ميکنند. اين روش کنترل بهتري بر عملکرد بهبود فشار موتور (سرعت و گشتاور) مي دهد. مزيت ديگر سوپرشارژر در مقايسه با توربوشارژرها اين است که جرم هواي ورودي تقريباً متناسب با دور موتور است، و در نتيجه هواي مورد نياز موتور افزايش مي يابد. در مورد سوپرشارژرها، از آنجا که محدوده عملکرد آن محدود به افزايش کمپرسور نيست (مانند مورد توربوشارژر)، لذا منطقه عمليات کمپرسور بسيار وسيع تري امکان پذير است. همچنين، با اتصال مکانيکي مستقيم به موتور، پاسخ به تقاضاي ناگهاني بسيار سريعتر است.

  1. فيلتر هوا
  2. سوپرشارژر گريز از مرکز
  3. بين کولر
  4. پولي ميل لنگ
  5. منيفولد ورودي

 

از آنجا که کمپرسور در سيستم سوپر شارژر مکانيکي، بر اساس اصل جريان (دبي) عمل ميکند، لذا راندمان کلي آن بالا است. همچنين داراي بهترين نسبت بين ابعاد و دبي حجمي، در مقايسه با ديگر سوپرشارژرهاي مکانيکي است. يک سوپرشارژر مکانيکي مي تواند تا بيش از 100000 دور در دقيقه کار کند. اين بدان معناست که، مستقيماً توسط موتور به حرکت در مي آيد و در نتيجه به نسبت دنده هاي قابل توجهي نياز دارد. اولين تبديل سرعت در پولي ها (اگر با تسمه به حرکت درآيد)، با نسبتي در حدود 2:1 (دو برابر) انجام مي شود. دومين تبديل سرعت به صورت داخلي درون محفظه کمپرسور و از طريق يک مجموعه چرخدنده ساده يا يک مجموعه چرخدنده سياره اي (خورشيدي) انجام مي شود. نسبت دنده داخلي مي تواند به 15:1 (پانزده برابر) برسد.

در مجموع نسبت تبديلي در حدود 30:1 (سي برابر) ايجاد مي کند که براي مثال زماني که دور موتور در حدود 2000 دور در دقيقه است، سرعت پروانه کمپرسور 60000 دور در دقيقه مي باشد. راندمان سوپرشارژر براساس عملکرد افزايش فشار (بهبود فشار) سنجيده مي شود. افزايش فشار (بهبود فشار) 1.2 اتمسفر به اين معني است که سوپرشارژر فشار هواي ورودي را 1.2 برابر نسبت به فشار اتمسفر (فشار اتمسفر 1 بار است) افزايش داده است. اين بدان معناست که فشار مطلق در منيفولد هواي ورودي، پس از کمپرسور، 2.2 اتمسفر است. فشار بهبود دهنده ثابت نيست، بستگي به سرعت پروانه دارد، هرچه پروانه سريعتر بچرخد، فشار افزايش بيشتري خواهد داشت. شکل زير اجزاي سوپر شارژر گريز از مرکز را نشان مي دهد.

 

 

  1. محفظه کمپرسور (قسمت حلزوني يا همان حلقه اي شکل)
  2. پروانه
  3. پمپ روغن هوادهي
  4. بلبرينگ
  5. پولي
  6. گيربکس (چرخدنده از نوع نسبت دنده ثابت است)

 

سوپرشارژر گريز از مرکز داراي پروانه اي است که با سرعت بالا مي چرخد تا هوا را به داخل محفظه کوچک کمپرسور (حلزوني شکل) بکشد. هنگامي که هوا از پروانه فاصله ميگيرد، در حالي که فشار پاييني دارد با سرعت بالا حرکت مي کند. اين هواي کم فشار که سرعت بالايي دارد از طريق يک ديفيوزر (انتشار دهنده) ارسال مي شود که اين عضو وظيفه تغيير شرايط جريان هوا را بر عهده دارد به گونه اي که در آن فشار هوا افزايش و سرعت آن را کاهش مي دهد. سپس هوا وارد موتور مي شود، جايي که جريان هواي اضافي (ناشي از افزايش فشار) به موتور اين امکان را مي دهد که سوخت بيشتري بسوزاند و سطح احتراق بالاتري داشته باشد پروانه عضو چرخنده و اصلي سيستم سوپرشارژر است که باعث تقويت هوا مي شود.

پروانه هوا را به داخل دمنده مي راند و فشاري را ايجاد مي کند که مستقيماً به فشار منيفولد مثبت ورودي تبديل مي شود، که به آن فشار بهبود يافته نيز گفته مي شود. پروانه بايد قادر باشد تا دماهاي کاري بالا را تحمل کند و بايد از دوام (استحکام) کافي براي عملکرد مداوم در دور موتور بالا برخوردار باشد. طراحي حلزوني شکل محفظه کمپرسور يک ويژگي منحصر به فرد براي سوپرشارژهاي گريز از مرکز است. به لحاظ فني هدف از ساخت و طراحي محفظه کمپرسور به صورت حلزوني شکل، جمع کردن (متمرکز کردن) جريان هوا و انتقال آن به لوله پايين دستي است.

اگرچه محفظه هاي کمپرسور را مي توان از طيف وسيعي از فلزات يا آلياژها تهيه کرد، اما معمولاً از آلومينيوم فرم دهي شده يا ريخته گري شده استفاده مي شود. آلومينيوم به دليل داشتن ويژگي هايي چون استحکام بالا، وزن پايين و مقاومت در برابر خوردگي، معمولاً براي ساخت محفظه هاي سوپرشارژر و قسمت حلزوني شکل استفاده مي شود. پس از ريخته گري محفظه، سپس بر روي آن ماشينکاري انجام مي شود تا با طراحي پروانه تطابق داشته باشد. در هنگام مونتاژ سوپرشارژر، محفظه با پيچ و مهره و يا گيره هاي محکمي به گيربکس متصل مي شود. بين پروانه و قسمت حلزوني شکل، ديفيوزر (انتشار دهنده) قرار دارد. در پايين دست پروانه در مسير جريان، ديفيوزر وظيفه دارد تا از طريق کاهش تدريجي سرعت گاز، انرژي جنبشي (سرعت زياد) گاز را به فشار تبديل کند.

همراه با نسبت افزايش ميزان بدست آمده از طريق سيستم محرک (کمربند)، يک افزايش انتقال نيز براي بدست آوردن سرعت پروانه لازم براي ايجاد افزايش مطلوب مورد نياز است. علاوه بر اين، گيربکس شامل بلبرينگ هايي است که از شفت هاي متصل به چرخ دنده هاي داخلي پشتيباني ميکند. ياتاقان ها در سراسر سيستم براي کمک به حرکت روان قطعات و کاهش اصطکاک و سايش استفاده مي شوند. کليه ياتاقان هاي سوپرشارژر گريز از مرکز بايد بتوانند به طور مداوم حرکت سريع را تحمل کنند. ساده ترين شکل گيربکس هاي سوپرشارژر، استفاده از يک مجموعه چرخدنده ساده يا يک مجموعه چرخدنده خورشيدي (سياره اي) است. همچنين طرح هاي پيچيده تري وجود دارد، براي مثال سوپرشارژهاي Torotrak V-charge CVT، که از گيربکس هاي toroidal براي تغيير نسبت دنده کلي عملکرد سوپرشارژر نقطه عملکرد موتور (سرعت و گشتاور) استفاده مي کنند.

 

در پايان، اهداف سوپر شارژر را به صورت خلاصه بررسي کنيم:

 

 

معمولاً در موتورهاي با راندمان بالا از سوپرشارژرها استفاده مي شود. براي سوپرشارژرهايي که داراي نرخ سرعت ثابتي هستند، نسبت سرعت کلي آنها بايد به طور صحيح با نقشه جريان هواي کمپرسور با دور موتور قابل استفاده مطابقت داشته باشد. اين بدان معناست که نسبت قرقره تسمه و نسبت انتقال داخلي بايد عملکرد دور موتور و جايي که فشار حداکثر فشار لازم است ، انتخاب شود.

 

 

 

 

 

 

اشتراک گذاری مطلب
تست