شاحن الهواء التوربيني Turbo Charger

ما هو شاحن الهواء ؟

تعتمد فكرة شاحن الهواء على استخدام ضغط غازات العادم التي يخلفها المحرك لإعادة تزويد المحرك بالهواء النقي . ويتم خلط الهواء الجديد مع الوقود عن طريق وحدة التحكم بالمحرك " ECU engine control unit " . مما يؤدي إلى إعطاء المحرك طاقة أعلى فور تزويده بالهواء والوقود الإضافي . بالنسبة للمحركات العادية والغير مزودة بشاحن يتوجب على المحرك سحب الهواء عبر الفلتر ومنظم جريان الوقود ومجاري التغذية المتعددة مما يؤدي إلى حدوث انخفاض في الضغط الموجود داخل غرفة الاحتراق ليصبح أدنى من الضغط الجوي الطبيعي ، مع الشاحن التوربيني يتم دفع الهواء إلى غرفة الاحتراق مع ضغط زائد فيدخلها كمية هواء ووقود أكثر .

شاحن الهواء النموذجي يولد ضغط يتراوح ما مقداره بين 0.4 و 0.7 بار كحد أقصى ، يتم تركيب شاحن الهواء مباشرةً على مخرج العادم ليستفيد من ضغط الهواء الخارج من العادم في تدوير عنفة توربينية مثبتة من محورها على ذراع قصير يقوم بدوره بتدوير عنفة توربينية أخرى مثبتة على الطرف الآخر منه لتسحب الهواء النقي عبر فلتر الهواء إلى غرف الاحتراق ، إذاً تعتمد الفكرة الأساسية للشاحن التوربيني على الاستفادة من قوة دفع غازات العادم والتي تهدر في المحركات العادية لتشغيل مضخة تعيد تزويد المحرك بالهواء .

يتم تزيت وتبريد محور عنفات التوربين عن طريق خط زيت من المحرك ، وبما أن غازات العادم ذات حرارة عالية فقد تصل حرارة مخرج العادم إلى مئات الدرجات ، مما يؤدي إلى احتراق الزيت وتركه رواسب فحمية في مجاري الزيت وهو أمر يسبب أذىً خطير للمحرك ، لذلك يتوجب استبدال زيت المحرك في السيارات المزودة بشاحن هواء كل 3000 كم كحد أقصى ، أو استخدام زيوت تركيبية خاصة تمنع ترك رواسب ويتم استبدالها كل 6000 كم كحد أقصى ، ومن المشاكل أيضاً التي تواجه اعتماد الزيت في التبريد هي الحرارة ما بعد إطفاء المحرك ، فبدون تبريد الشاحن سيرشح الزيت الموجود حول محور العنفات إلى مخرج العادم وذلك بعد إطفاء المحرك مما يسبب ارتفاع كبير جداً في درجة الحرارة الآتية من جسم مخرج العادم ، هذه الحرارة كفيلة بإتلاف الشاحن أو تقصير عمره الإفتراضي ، لذلك يتوجب ترك المحرك دائراً بشكل هادئ لمدة لا تقل عن 30 ثانية قبل إطفاءه ليتم في هذه الفترة تبريد الشاحن وخفض درجة حرارة جسم مخرج العادم ، وقد عمدت بعض شركات التعديل إلى تزويد السيارات بمؤقت إلكتروني يبقي المحرك دائراُ بعد إطفاءك له لمدة يتم برمجتها مسبقاً .

عندما يدور المحرك ببطء لا تعمل عنفات الشاحن أو أنها تدور ببطء شديد بسبب قلة الغازات الناتجة عن المحرك ، وعند الضغط على دواسة البنزين يولد المحرك كمية غازات أكثر تقوم بتدوير العنفات بشكل أسرع ، مما يؤدي بدوره إلى دخول كمية هواء ووقود أكبر إلى المحرك ، فيزيد بذلك كمية الغازات الناتجة مرة أخرى لتعود بدورها بإدخال هواء ووقود أكثر، وهكذا تواليك ... هذه الدورة تدعى بمرحلة جيشان التوربو ، والتي تشعرك بازدياد مفاجئ في قوة المحرك ، وتلاحظ على مؤشر الضغط كازدياد سريع في كميته . والفترة ما قبل الجيشان عندما تدور العنفات ويكون المحرك لم يعطي القوة الكافية بعد- تدعى بمرحلة الخمول (المنحني البياني 1) . العنفات الكبيرة تولد ضغط أكبر لكنها أيضاً تعاني من فترة خمول أطول بسبب كبرها ، أما العنفات الصغيرة ففترة خمولها أقصر لكنها غير قادرة على توليد ضغط كبير ، وهذا الموضوع ما سيتم شرحه في الفقرة التالية .
شاحن الهواء التوربيني Turbo Charger Linety1

شاحن الهواء التوربيني Turbo Charger Linety1

كيف يصمم شاحن الهواء ؟

مهمة الشاحن هي تحويل قوة اندفاع غازات العادم إلى حركة دورانية لعنفات الشاحن ، ومهمة هذه العنفات هي تحويل الحركة الدورانية إلى قوة دفع للهواء الداخل إلى المحرك ، هذا الهواء يصبح مضغوطاً وساخناً .

كل عنفة من عنفات الشاحن تقاس بحجم كل قسم من أقسامها، وهما قسمان : القسم الساحب "inducer" والقسم الدافع "exducer" ، الحجم والشكل لكل قسم يحدد شكل جنيحات العنفة وبالتالي خواص الشاحن

شاحن الهواء التوربيني Turbo Charger Turbodiagramcn6

شاحن الهواء التوربيني Turbo Charger Turbodiagramcn6

العنفة الضاغطة :

يمكنك مشاهدة القسم الساحب من العنفة الضاغطة عن طريق النظر إلى مدخل هواء الشاحن وهو يبدو كالمروحة ، وشفرات هذه المروحة تمتد إلى داخل الشاحن ليكبر حجمها ولتشكل القسم الدافع ، القسم الساحب من العنفة الضاغطة مسؤول عن شفط الهواء إلى داخل الشاحن ، أما القسم الدافع فيدفع الهواء عبر جنيحاته إلى خارج الشاحن . وبسبب مرور الهواء عبر الجنيحات أثناء خروجه يكتسب حركة دورانية كالزوبعة ، ولما كان الشاحن قريب جداً من مدخل الهواء الخاص بالمحرك في المحركات القديمة كان لابد من وضع شفرات مانعة لدوران الهواء عند مخرج الشاحن كي توقف هذه الحركة الدورانية والتي تؤثر سلباً على خصائص جريانه .

إن حجم العنفة الضاغطة يحدد الحد الأعظمي للضغط القادرة على توليده ، كما يحدد زمن جيشان التوربو ، وتحدد نوعية العنفة الضاغطة حسب حجم كل من قسميها، والقاعدة الأساسية هي أن يكون القسم الدافع أكبر من الساحب .

عنفة العادم :

تقسم عنفة العادم إلى قسمين أيضاً (الساحب والدافع) لكن بسبب مهمتها المعاكسة لمهمة العنفة الضاغطة فقد تم تبديل شكل ومكان القسمين .

يتم تصميم عنفة العادم للموازنة بين أمرين مهمين هما الإستفادة من قوة خروج غازات العادم قدر الإمكان ودون ممانعة خروج هذه الغازات أيضاً ، وهذين الأمرين يتأثران جداً بحجم حجرة العادم وعنفتها ، فكلما زاد حجم عنفة العادم استطاعت العنفة استغلال طاقة أكبر وتحويلها إلى حركة دورانية لمحورها، لكنها أيضاً بزيادة حجمها ستؤدي إلى إعاقة خروج غازات العادم مما يؤثر سلباً على أداء المحرك . وبشكل نموذجي يكون حجم القسم الساحب أكبر بقليل من حجم القسم الدافع في عنفة العادم ، ومعظم شركات التعديل تحافظ على الحجم الطبيعي لأقسام عنفة العادم لقلة أهميتها مقارنةً بأهمية عنفة الضاغط .

حجرات الشاحن :

تملك حجرات الشاحن سطح أملس من الداخل وتلتف بشكل أنبوبي حول العنفات لتقوم بتوزيع الهواء بشكل متساوي على كافة جنيحات هذه العنفات ، وقطر الأنبوب يضيق بشكل بسيط مع الاتجاه نحو عنقه مما يزيد من الضغط الناتج ، وفي المصطلحات الهندسية لشاحن الهواء تقاس حجرات الشحن بطول الأنبوب الدائري (A) والمسافة بين منتصف الأنبوب ومحور العنفة (R) ، هاتان القيمتان لا تعنيان الكثير للمستخدمين وغالباً تبقى القيمة R متقاربة في معظم حجرات شواحن الهواء ، لكن بتقسيم A على R نحصل على النسبة A/R والتي تحدد قياس وخواص حجرات الشاحن وكم من الضغط القادرة على توليده .

كلما قلت النسبة A/R في حجرة العادم ( إي طول أقصر للأنبوب الدائري = A) زادت سرعة دوران العنفة ، لكن مع ارتفاع دورات المحرك يؤدي قصر الأنبوب إلى رفع ضغط غازات العادم مما يزيد الضغط العكسي على المحرك فيؤدي إلى تراجع في الأداء ، وقيمة الضغط العكسي يجب أن لا تتجاوز نصف قيمة الضغط في حجرة الانفجار . فالنتيجة أنه بزيادة النسبة A/R يتحسن أداء المحرك عند الدورات العالية لكنه بالمقابل يخسر بعض القوة في الدورات المتوسطة ويعاني من زيادة في فترة الخمول ، أما بتصغير نسبة A/R يتحسن أداء المحرك عند الدورات المنخفضة والمتوسطة لكنه يعاني من قصور في الأداء عند الدورات المرتفعة .

وكنتيجة لما سبق يعتمد شاحن الهواء في تصميمه على الموازنة بين العوامل السابقة جميعاً .

التحكم بالضغط :

يتم التحكم بكمية الضغط المتولدة عن شاحن الهواء عن طريق جهاز آخر يدعى بوابة الهدر "Waste Gate" (الشكل 1) ، وهذه البوابة هي عبارة عن صمام كبير يتوضع على الشاحن بالقرب من مدخل غازات العادم ، وعند فتح هذا الصمام يحول جريان غازات العادم إلى المخرج مباشرةً بدلاً من المرور عبر العنفة . ويتم التحكم بحركة الصمام عن طريق جهاز دافع صغير ، ويتم الوصل بين الصمام والجهاز الدافع عبر ذراع يتراوح طولها بين 10 و 15 سم ، ويتصل الجهاز الدافع من الجهة الأخرى بمخرج الهواء المضغوط للشاحن وذلك عبر خرطوم رفيع (الشكل 2) ، فعند ارتفاع الضغط المتولد عن الشاحن يقوم الجهاز الدافع بفتح الصمام ، فينخفض الضغط ، فيعود جهاز الدافع ليغلق الصمام حتى يرتفع الضغط مرة أخرى ، وتتكرر هذه العملية بسرعة كبيرة فتحافظ على ضغط ثابت عند مخرج الهواء المضغوط وبذلك تكون مهمة التحكم بالضغط قد أنجزت .

شاحن الهواء التوربيني Turbo Charger Pic2gn1

شاحن الهواء التوربيني Turbo Charger Pic2gn1