الجمعة، 27 كانون2/يناير 2023

موتورات

تعرف إلى أنواع الشواحن التوربينية المستخدمة في محركات السيارات

يعود اختراع الشاحن التوربيني "Turbocharger" إلى أكثر من سبعين سنة، حيث استخدم لعقود طويلة في رفع كفاءة محركات الديزل الكبيرة ومحركات السفن قبل أن يدخل عالم صناعة السيارات.

وتكثر اليوم الأسئلة المتداولة حول مبدأ عمل الشواحن التوربينية وعلاقتها باستهلاك الوقود وعمر المحرك، خصوصاً بعد استخدامها بشكل واسع في الكثير من أنواع محركات السيارات وحتى الصغيرة منها، ويقدم لكم فريق تكمشن TechMission في هذه المقالة إجابات على العديد من هذه الأسئلة، مع شرح تفصيلي لطريقة عمل التيربو وأنواعه.



وظيفة الشاحن التوربيني:
يعتمد الشاحن التوربيني من حيث المبدأ على الاستفادة من الضغط والطاقة المهدورة في الغازات العادمة الناتجة عن الاحتراق في المحرك لتدوير شفرات توربينية، ثم نقل الحركة عبر محور إلى شفرات أخرى تقوم بضغط الهواء الداخل إلى حجرة الاحتراق، ما يؤدي إلى مضاعفة كمية الهواء الداخلة وزيادة الطاقة الناتجة عن الاحتراق، وهو بذلك يختلف عن مبدأ "سوبر تشارجر" الذي يأخذ حركته من المحرك بشكل مباشر مايستهلك جزءاً من قدرة المحرك.

وبذلك يساهم نظام الشحن التوربيني في زيادة قوة وعزم المحرك، ما يسمح باستخدام محركات أصغر وأخف وزناً وأكثر توفيراً في استهلاك الوقود من محركات التنفس الطبيعي، مع تحقيق تسارع أكبر وكفاءة أعلى واستجابةً أسرع للسيارة.

ويبدأ التيربو بالدوران مع بداية دوران المحرك، إلا أن "عتبة التعزيز" التي يبدأ عندها بتحقيق الفرق الواضح في قوة المحرك تختلف بحسب نوع التيربو المستخدم وحجمه وحجم المحرك.

مكونات نظام الشحن التوربيني:
يتكون أبسط تصميم للتيربو من ضاغط الهواء "Compressor" والتوربين "Turbine"، مع المكونات الخاصة بالتبريد والتزييت التي تختلف من نوع إلى آخر، أما الأنواع الأكثر تعقيداً فتحوي مكونات إضافية تتنوع بحسب آلية عملها.

ويلحق بالتيربو مكونات أخرى من أنابيب التوصيل ومستشعر الضغط إلى المبرد "المشع" الذي يقوم بتبريد الهواء المضغوط قبل دخوله إلى حجرة الاحتراق منعاً لحدوث خلل في عمل المحرك نتيجة الحرارة المرتفعة لخليط الوقود الداخل.



أنواع الشواحن التوربينية Turbochargers

تيربو مفرد "Single-Turbo":


يعتبر هذا التصميم من حيث المبدأ هو الأبسط والأقدم بين الشواحن التوربينية المستخدمة اليوم، وهناك الكثير من الخيارات التي تختلف بشكل رئيسي بأحجام ضاغط الهواء "Compressor" والتوربين "Turbine"، ماينتج عنه اختلافات في الهدوء وسرعة الاستجابة والقوة التي يقدمها للمحرك، ويضم هذا النوع نموذج "Journal Bearing" الأبسط والأرخص ثمناً، ونموذج تيربو المحامل الكروية "Ball Bearing" الأطول عمراً، والأقل احتكاكاً، والأكثر سلاسةً في العودة إلى سرعة الدوران عند تبديل السرعة.

المزايا:
يتميز التيربو المفرد ببساطة التصميم وسهولة التثبيت وانخفاض التكلفة مقارنةً بالأنواع الأخرى.

السلبيات:
تعتبر الاستجابة البطيئة للتيربو المفرد أبرز عيوبه، إلى جانب نطاق سرعة الدوران "RPM" الضيق نسبياً.


تيربو مزدوج "Twin-Turbo":


وضعت عدة خيارات لمعالجة العيوب في نظام الشاحن التوربيني المفرد عن طريق استخدام شاحن توربيني مزدوج، فإما أن يستخدم شاحن توربيني لنصف عدد الأسطوانات وشاحن آخر للنصف الثاني، وهي طريقة جيدة للمحركات من النموذج V، أو أن يستخدم شاحن توربيني صغير لسرعة الدوران المنخفضة، والانتقال إلى شاحن توربيني أكبر عند سرعة الدوران الأكبر، أو استخدام توربينين بنفس الحجم، يتم استخدام أحدهما عند سرعة الدوران المنخفضة وكلاهما معاً عند سرعة الدوران الأكبر.

المزايا:
تعطي التوربينات المزدوجة مدى RPM أكثر اتساعاً من التيربو المفرد.

السلبيات:
يحتاج نظام التيربو المزدوج إلى مضاعفة مكونات التيربو المفرد بشكل شبه كامل، ما يزيد من التكلفة والتعقيد، في حين أن هناك طرقاً أخرى أخف وزناً وأقل تعقيداً وأعلى كفاءة.


تيربو بقنوات تمرير مزدوجة "Twin-Scroll Turbo":


تمت الاستعاضة في هذا النظام عن التيربو المزدوج باستخدام تيربو واحد مزود بقناتي تمرير، ليتم تقسيم نبضات العادم بين أسطوانات المحرك وبالتالي زيادة سرعة الاستجابة وتحقيق الاستفادة القصوى من الضغط.

المزايا:
يحقق هذا النموذج كفاءة أعلى في الاستفادة من الطاقة، ومرونة أكبر في الاستجابة دون إعاقة خروج الغاز العادم.

السلبيات:
يعتبر أكثر تعقيداً وتكلفةً من التيربو المفرد.


Content Star


تيربو التصميم الهندسي المتغير "Variable Geometry Turbo":

يسمى هذا النموذج اختصاراً VGT وهو شائع الاستخدام إلى حد ما في محركات الديزل، إلا أنه قليل الاستخدام في محركات البنزين لأنه يحتاج إلى مواد خاصة في الصناعة لمنع تآكل الريش الداخلية في التوربين، ويعتمد في تصميمه على تغيير وضع الريش الداخلية مع اختلاف سرعة الدوران لتحقيق الاستجابة الأسرع وعتبة التعزيز المنخفضة وزيادة نطاق عزم الدوران.

المزايا:
يعتبر VGT فعالاً في نطاق واسع من سرعة الدوران "RPM"، ويكفي استخدام توربو واحد حتى في حال المحركات الكبيرة مايجعل الضبط أسهل.

السلبيات:
تحتاج صناعة التيربو من هذا النموذج إلى معادن خاصة حتى لا تتلف الريش الداخلية بسبب الحرارة العالية، مايزيد من تكاليف الإنتاج بشكل كبير.


تيربو التمرير المزدوج المتغير "Variable Twin Scroll Turbo":


يعتبر هذا النموذج واحداً من أحدث تقنيات الشحن التوربيني، ويجمع بين صفات التوربينات ذات قنوات التمرير المزدوجة وتوربوVGT، ويعتمد على صمام متغير لتوجيه هواء العادم بشكل كامل إلى أحد مجريين أو تقسيمه بينهما بنسبة محددة حسب سرعة الدوران.

المزايا:
يعتبر هذا النموذج أقل تكلفة وأقوى في التصميم من تيربو VGT.

السلبيات:
يعتبر أعلى التكلفة وأكثر تعقيداً مقارنةً بالتيربو الفردي أو المزدوج التقليدي.


تيربو كهربائي "Electric Turbo":


توفر هذه التقنية الحديثة استجابة ممتازة في جميع أنحاء نطاق تشغيل المحرك حتى عند سرعة دوران المحرك المنخفضة، ويساهم في حل المشكلات المتعلقة بالشواحن التوربينية حيث ينهي مشكلة التأخير وضعف الاستجابة من خلال تدوير ضاغط الهواء بالطاقة الكهربائية عند الحاجة.

المزايا:
لايحتاج إلى كمية كبيرة من غازات العادم ليوفر الاستجابة المطلوبة، ويحل مشكلة التأخير وضعف الاستجابة، ويعمل على نطاق واسع من سرعة الدوران "RPM" مع تحقيق استقرار في العزم.

السلبيات:
التكلفة العالية والتعقيد في التصميم، كما يحتاج إلى تقنيات خاصة للحفاظ على برودة المحرك الكهربائي ووحدات التحكم الإضافية حتى لا تتلف، وإلى وجود بطارية لوفير الطاقة اللازمة عند الحاجة، في حين تقدم نماذج أخرى من الشواحن التوربينية مزايا مشابهة تقريباً بتكاليف أقل.



ومن الطبيعي أن وجود الشاحن التوربيني كمكون إضافي لمحرك السيارة يشكل تكلفة إضافية، سواء في الصناعة أو الصيانة، إلا أن هذه التكاليف لا تقارن بالمزايا التي يضيفها إلى المحرك والتي تجعله متفوقاً على المحركات الأكبر حجماً، وأثبتت التجارب خلال السنوات الماضية أن وجود التيربو لا يؤثر على عمر المحرك، وإنما يتأثران معاً بطريقة الاستخدام، والالتزام الكامل بتعليمات تبديل الزيت وفلتر الهواء وتنظيف البخاخات وغيرها.






Andromedia is now VEER
Dubai's only home grown media monitoring agency




مواضيع قد تهمك..

TechMisison is an Arabic technology magazine covering a wide variety of technology topics, with special interest in consumer electronics, cameras, and automotive. Contact us for collaboration opportunities.

Newsletter subscription

Please enable the javascript to submit this form