ما هو الشاحن التوربيني؟

عندما يتعلق الأمر بدمج الأداء مع انخفاض استهلاك الوقود ، يضطر المهندسون تقريبًا إلى اختيار محرك توربو.

خارج الهواء الرقيق لعالم السيارات الخارقة ، حيث لا تزال لامبورغيني تصر على أن المحركات التي تعمل بالشفط الطبيعي تظل الطريقة الأنظف والأكثر إيطالية لإنتاج الطاقة والضوضاء ، تقترب أيام السيارات غير المزودة بشاحن توربيني من نهايتها.

من المستحيل ، على سبيل المثال ، الحصول على سيارة فولكس فاجن جولف طبيعية. بعد ديزلجيت ، بالطبع ، من غير المحتمل أن يكون هذا مهمًا ، لأن لا أحد يريد لعب الجولف بعد الآن.

ومع ذلك ، تظل الحقيقة أن سيارات المدينة والسيارات العائلية والجولات السياحية الكبيرة وحتى بعض السيارات الخارقة تغادر السفينة لصالح مستقبل الغوص. من Ford Fiesta إلى Ferrari 488 ، ينتمي المستقبل إلى الحث القسري ، جزئيًا بسبب قوانين الانبعاثات ، ولكن أيضًا لأن التكنولوجيا تطورت على قدم وساق.

إنها حالة الاقتصاد في استهلاك وقود المحرك الصغير لقيادة سلسة وطاقة محرك كبيرة عندما تريد ذلك.

عندما يتعلق الأمر بالجمع بين الأداء العالي وانخفاض استهلاك الوقود ، يضطر المهندسون تقريبًا إلى تصميم أحدث محركاتهم باستخدام تقنية الشحن التوربيني.

كيف يمكن لمحرك التوربو أن يفعل المزيد بموارد أقل؟

يتعلق الأمر بكيفية عمل المحركات ، لذلك دعونا نتحدث قليلاً عن التقنية. بالنسبة لمحركات البنزين ، تضمن نسبة وقود الهواء 14.7: 1 الاحتراق الكامل لكل شيء في الأسطوانة. أي عصير أكثر من هذا يعد إهدارًا للوقود.

في محرك يعمل بالشفط الطبيعي ، يقوم الفراغ الجزئي الناتج عن المكبس الهابط بسحب الهواء إلى الأسطوانة ، باستخدام الضغط السلبي الداخلي لسحب الهواء للداخل من خلال صمامات السحب. إنها طريقة سهلة للقيام بالأشياء ، لكنها محدودة للغاية من حيث إمداد الهواء ، مثل الشخص المصاب بانقطاع التنفس أثناء النوم.

في المحرك التوربيني ، تمت إعادة كتابة كتاب القواعد. بدلاً من الاعتماد على تأثير الفراغ للمكبس ، يستخدم المحرك المزود بشاحن توربيني مضخة هواء لدفع الهواء إلى داخل أسطوانة ، تمامًا كما يدفع قناع توقف التنفس أثناء النوم الهواء إلى أنفك.

على الرغم من أن الشواحن التوربينية يمكنها ضغط الهواء حتى 5 بار (72.5 رطل / بوصة مربعة) أعلى من الضغط الجوي القياسي ، إلا أنها تعمل عادةً بضغط أكثر استرخاءً من 0.5 إلى 1 بار (7 إلى 14 رطل / بوصة مربعة) في سيارات الطرق.

والنتيجة العملية هي أنه عند ضغط 1 بار ، يستقبل المحرك ضعف كمية الهواء التي يستنشقها بشكل طبيعي.

هذا يعني أن وحدة التحكم في المحرك يمكنها حقن ضعف كمية الوقود مع الحفاظ على نسبة مثالية من الهواء والوقود ، مما يؤدي إلى حدوث انفجار أكبر بكثير.

لكن هذا فقط نصف حيل الشاحن التوربيني. دعونا نقارن بين محرك بسعة 4.0 ليتر يعمل بسحب الهواء الطبيعي ومحرك سعة 2.0 ليتر مزود بشاحن توربيني مع ضغط معزّز يبلغ 1 بار ، على افتراض أنهما متطابقان من ناحية التكنولوجيا.

يستهلك المحرك سعة 4.0 لتر المزيد من الوقود حتى في حالة الخمول وتحت حمل المحرك الخفيف ، بينما يستهلك المحرك سعة 2.0 لتر أقل بكثير. الفرق هو أنه عند فتح الخانق على مصراعيه ، سيستخدم المحرك المزود بشاحن توربيني أقصى قدر ممكن من الهواء والوقود - أي ضعف محرك السحب الطبيعي من نفس الإزاحة ، أو تمامًا مثل المحرك الطبيعي سعة 4.0 لتر.

هذا يعني أن المحرك المشحون بالشاحن التوربيني يمكن أن يعمل في أي مكان من سعة 2.0 لتر الهزيلة إلى أربعة لترات قوية بفضل الحث القسري.

لذلك فهي حالة الاقتصاد في استهلاك وقود المحرك الصغير للقيادة اللطيفة وقوة المحرك الكبيرة عندما تريد ذلك.

كم هو ذكي ذلك؟

كما يليق برصاصة فضية هندسية ، فإن الشاحن التوربيني نفسه بارع. عندما يعمل المحرك ، تمر غازات العادم عبر التوربين ، مما يتسبب في دورانه بسرعات لا تصدق - عادة ما بين 75,000 و 150,000 مرة في الدقيقة.

يتم ربط التوربين بضاغط الهواء ، مما يعني أنه كلما زادت سرعة دوران التوربين ، زادت سرعة دوران الضاغط ، وامتصاص الهواء النقي ودفعه إلى المحرك.

يعمل التوربو على مقياس منزلق ، اعتمادًا على مدى شدة الضغط على دواسة الوقود. في وضع الخمول ، لا يوجد ما يكفي من غاز العادم لجعل التوربين يصل إلى أي سرعة ذات مغزى ، ولكن مع تسارعك ، يدور التوربين لأعلى ويزودك بالدفع.

إذا ضغطت بقدمك اليمنى ، فسيتم إنتاج المزيد من غازات العادم ، والتي تضغط أكبر كمية من الهواء النقي في الأسطوانات.

إذن ما هي الفائدة؟

هناك ، بالطبع ، عدة أسباب لعدم قيادتنا جميعًا للسيارات المشحونة بشاحن توربيني لسنوات ، بدءًا من التعقيد.

كما يمكنك أن تتخيل ، فإن بناء شيء يمكن أن يدور بسرعة 150,000 دورة في الدقيقة يومًا بعد يوم لسنوات دون انفجار ليس بالأمر السهل ، ويتطلب أجزاء باهظة الثمن.

تتطلب التوربينات أيضًا إمدادًا مخصصًا للزيت والماء ، مما يضع مزيدًا من الضغط على أنظمة تزييت المحرك والتبريد.

مع ارتفاع درجة حرارة الهواء في الشاحن التوربيني ، كان على الشركات المصنعة أيضًا تركيب مبردات داخلية لخفض درجة حرارة الهواء الداخل إلى الأسطوانة. الهواء الساخن أقل كثافة من الهواء البارد ، مما ينفي فوائد الشاحن التوربيني ويمكن أن يتسبب أيضًا في حدوث تلف وانفجار سابق لأوانه لمزيج الوقود / الهواء.

إن أكثر أوجه القصور شهرة في الشحن التوربيني هو ، بالطبع ، المعروف باسم التأخر. كما ذكرنا ، تحتاج إلى تسريع وإنشاء عادم لجعل التوربو يبدأ في إنتاج ضغط تعزيز ذي مغزى ، مما يعني أن سيارات التوربو المبكرة كانت مثل مفتاح مؤجل - لا شيء ، لا شيء ، لا شيء ، كل شيء.

أدت التطورات المختلفة في تقنية التوربو إلى ترويض أسوأ خصائص الحركة البطيئة لساب وبورش التي كانت مزودة بشاحن توربيني ، بما في ذلك الدوارات القابلة للتعديل في التوربينات التي تتحرك بناءً على ضغط العادم ، ومكونات خفيفة الوزن منخفضة الاحتكاك لتقليل القصور الذاتي.

يمكن العثور على الخطوة الأكثر إثارة للأمام في الشحن التوربيني فقط - على الأقل في الوقت الحالي - في سباقات الفورمولا 1 ، حيث يحافظ محرك كهربائي صغير على دوران التوربو ، مما يقلل من الوقت الذي يستغرقه تدويره.

وبالمثل ، في بطولة العالم للراليات ، هناك نظام يعرف باسم مانع التأخر يقوم بإلقاء خليط الهواء / الوقود مباشرة في العادم قبل الشاحن التوربيني. تتسبب حرارة مجمع العادم في انفجاره حتى بدون شمعة احتراق ، مما يؤدي إلى إنتاج غازات العادم والحفاظ على غليان الشاحن التوربيني.

لكن ماذا عن المحركات التوربينية؟

عندما يتعلق الأمر بالشحن التوربيني ، فإن محركات الديزل هي سلالة خاصة. هذه حقًا حالة يدوية ، لأنه بدون الحث القسري ، لن تكون محركات الديزل شائعة كما هي.

يمكن أن توفر محركات الديزل المستنشقة بشكل طبيعي عزمًا منخفضًا مناسبًا ، ولكن هذا هو المكان الذي تنتهي فيه مواهبهم. ومع ذلك ، مع الحث القسري ، يمكن للديزل الاستفادة من عزم الدوران والتمتع بنفس الفوائد مثل نظيراتها من البنزين.

تم تصميم محركات الديزل بواسطة Tonka Tough للتعامل مع الأحمال الهائلة ودرجات الحرارة الموجودة في الداخل ، مما يعني أنه يمكن بسهولة التعامل مع الضغط الإضافي للتوربو.

تعمل جميع محركات الديزل - التي تستنشق بشكل طبيعي وسوبرتشارج - عن طريق حرق الوقود في الهواء الزائد فيما يسمى بنظام الاحتراق الهزيل.

المرة الوحيدة التي تقترب فيها محركات الديزل ذات السحب الطبيعي من خليط الهواء / الوقود "المثالي" تكون عند الخانق الكامل عندما تكون حاقنات الوقود مفتوحة على مصراعيها.

نظرًا لأن وقود الديزل أقل تطايرًا من البنزين ، فعند حرقه بدون الكثير من الهواء ، يتم إنتاج كمية كبيرة من السخام ، المعروف أيضًا باسم جسيمات الديزل. عن طريق ملء الأسطوانة بالهواء ، يمكن أن تتجنب المحركات التوربينية هذه المشكلة.

لذلك ، في حين أن الشحن التوربيني هو تحسين مذهل لمحركات البنزين ، فإن قلبه الحقيقي يحفظ محرك الديزل من أن يصبح بقايا دخان. على الرغم من أن "ديزلجيت" في أي حال يمكن أن يتسبب في حدوث ذلك.

ما هو شعورك حيال حقيقة أن الشواحن التوربينية تجد طريقها إلى جميع المركبات ذات الأربع عجلات تقريبًا؟ اخبرنا في التعليقات أدناه.