پرخوران (Forced Induction) - اصول سیستم
در دنیای مهندسی خودرو و به ویژه موتورهای درونسوز، افزایش توان و بازده موتور همواره یکی از اهداف مهم بوده است. یکی از مؤثرترین روشها برای دستیابی به این هدف، استفاده از سیستمهای پرخوران یا Forced Induction است. در این مقاله به صورت جامع و دقیق اصول کارکرد، انواع، مزایا و نکات فنی مرتبط با سیستمهای پرخوران را بررسی خواهیم کرد.
۱. مفهوم پرخوران (Forced Induction)
به صورت ساده، پرخوران به معنی تزریق فشار بیشتر هوا به سیلندرهای موتور است تا بتوان بدون افزایش حجم موتور، میزان هوای قابل احتراق و در نتیجه قدرت خروجی را افزایش داد. موتورهای احتراق داخلی معمولاً به صورت «دمنده طبیعی» (Naturally Aspirated) کار میکنند که هوا با فشار اتمسفریک به داخل سیلندر وارد میشود، اما در سیستمهای پرخوران، دستگاههایی مانند توربوشارژر یا سوپرشارژر تلاش میکنند با متراکم کردن هوای ورودی، فشار و حجم هوای وارد به سیلندر را افزایش دهند.
۱.۱ چرا استفاده از پرخوران ضروری است؟
- افزایش توان موتور بدون بزرگ کردن فیزیکی حجم موتور
- بهبود نسبت تراکم جرمی هوا به سوخت که منجر به احتراق کاملتر میشود
- کاهش مصرف سوخت با افزایش بازده موتور
- امکان کاهش آلایندگی گازهای خروجی با کنترل بهتر فرآیند احتراق
۲. اصول عملکرد سیستمهای پرخوران
در حالت عادی، هوای ورودی به موتور تنها فشار اتمسفریک را دارد (حدود 101.3 کیلوپاسکال در سطح دریا). با استفاده از پرخوران، فشار هوای ورودی را افزایش میدهیم که باعث ورود هوای بیشتر و در نتیجه سوخت بیشتر به سیلندر میشود.
۲.۱ فرایند فشار دادن هوا
عمل اصلی سیستم پرخوران فشردهسازی هواست. هوا پس از فشرده شدن چگالی آن بالا میرود یعنی تعداد مولکولهای هوا در واحد حجم افزایش مییابد. این باعث میشود سوخت بیشتری به نسبت هوا قابل تزریق بوده و توان خروجی موتور بالاتر رود.
۲.۲ اهمیت برودت هوا پس از فشردهسازی
فشردهسازی هوا باعث افزایش دمای آن میشود. هوای گرم چگالی کمتری دارد و این میتواند باعث کاهش راندمان شود. بنابراین در سیستمهای پرخوران اکثر اوقات از دستگاههای خنککننده هوا (اینترکولر) استفاده میشود تا دمای هوای فشرده کاهش یافته و چگالی آن افزایش یابد.
برای مثال یک توربوشارژر ممکن است هوای ورودی به موتور را از ۱۰۰ درجه سلسیوس به حدود ۴۰ درجه برساند که این امر موفق به افزایش عملکرد موتور میشود.
۳. انواع سیستمهای پرخوران در موتورهای احتراق داخلی
۳.۱ توربوشارژر (Turbocharger)
توربوشارژر یکی از متداولترین انواع سیستمهای پرخوران است. این دستگاه از انرژی گازهای خروجی موتور که در اگزوز جریان دارد استفاده کرده و با چرخاندن یک توربین، کمپرسوری که به آن متصل است را به حرکت در میآورد. کمپرسور هوای ورودی را فشرده کرده و به موتور میفرستد.
- مزایا: استفاده از انرژی اضافی گازهای اگزوز، افزایش راندمان، کاهش مصرف سوخت و آلایندگی
- معایب: تأخیر در پاسخدهی (توربولاگ)، نیاز به سیستم روانکاری و خنککنندگی پیشرفته، پیچیدگی طراحی
مثال فنی: توربوشارژرهای مدرن دارای دو ورودی اگزوز و گاز خروجی، پرههای کمپرسور و توربین با طراحی آیرودینامیکی هستند که میتوانند تا فشار تا ۲ بار (معادل دو برابر فشار اتمسفریک) هوای ورودی را افزایش دهند.
۳.۲ سوپرشارژر (Supercharger)
سوپرشارژر توسط اتصال مکانیکی مستقیم به موتور (مثلاً تسمهای به میل لنگ) کار میکند و هوای ورودی را فشرده میکند. بر خلاف توربوشارژر که از انرژی خروجی استفاده میکند، سوپرشارژر مستقیماً بخشی از توان موتور را مصرف میکند.
- مزایا: پاسخدهی سریعتر، عدم وجود تأخیر، طراحی سادهتر
- معایب: مصرف توان از موتور، کاهش نسبی راندمان، تولید گرمای بیشتر
نمونههای مشهور: سوپرشارژرهای روتوری (Roots)، اسکرو و سانتریفیوژ
۳.۳ سیستمهای پرخوران ترکیبی
برای بهرهمندی از مزایای هر دو سیستم، برخی خودروها از سیستم ترکیبی توربو و سوپرشارژر استفاده میکنند. سوپرشارژر در دورهای پایین موتور برای کاهش تأخیر و افزایش پاسخ سریع از طریق تأمین هوای فشرده کمک میکند و توربوشارژر در دورهای بالا ورود هوا را تقویت میکند.
۴. نگاهی به پارامترهای کلیدی فنی در سیستم پرخوران
۴.۱ نسبت تراکم (Boost Pressure)
به نسبت فشار هوای فشردهشده به فشار اتمسفر اطلاق میشود. مثلاً نسبت تراکم 1.5 برابر یعنی هوا به اندازه 50% بیشتر از فشار اتمسفر فشرده شده است. افزایش این مقدار باعث افزایش توان موتور میشود ولی محدودیتهای فنی و حرارتی نیز دارد.
۴.۲ ضریب بهرهوری کمپرسور
نشاندهنده درصد کار انجام شده توسط کمپرسور نسبت به انرژی ورودی است. ضریب بهرهوری بالاتر منجر به کاهش تولید حرارت و افزایش بازده فشردهسازی هوا میشود.
۴.۳ دمای هوای ورودی
هر چقدر دمای هوای ورودی کمتر باشد موتور عملکرد بهتری دارد. استفاده از اینترکولرهای هوا-به-هوا یا هوا-به-آب و همچنین طراحی خاص مسیر هوا در سیستم پرخوران برای کاهش این دما به کار میرود.
۴.۴ توربولاگ (Turbo Lag)
توربولاگ به تأخیر زمانی بین فشار گازهای خروجی و تولید فشار مثبت توسط توربو گفته میشود. این مشکل ناشی از زمان لازم برای افزایش سرعت توربین و کمپرسور است و تأثیر مستقیم روی پاسخگویی موتور دارد.
۵. مزایا و چالشهای سیستمهای پرخوران
۵.۱ مزایای استفاده از پرخوران
- افزایش چشمگیر قدرت موتور با حجم ثابت
- بهبود بازده سوخت و کاهش آلایندگی با سوختن بهتر مخلوط هوا و سوخت
- امکان استفاده در موتورهای کوچک و کاهش حجم کلی موتور و وزن خودرو
- راندمان بالاتر در ارتفاعات بالا که فشار اتمسفر کاهش یافته است (مثلاً مناطق کوهستانی)
۵.۲ چالشهای فنی و نگهداری
- دمای بالای کارکرد سیستم و احتمال آسیب در صورت خنککاری ناکافی
- نیاز به روغنکاری دقیق برای توربوشارژرها به منظور پیشگیری از آسیب دیدگی بلبرینگها
- افزایش پیچیدگی طراحی و هزینه تولید و تعمیر
- نیاز به سامانههای کنترل پیشرفته مثل کنترل فشار بوست، محدودکنندهها و مدیریت دمای هوا
۶. مثالهای کاربردی و مقایسه فنی
برای نمونه، موتور ۲.۰ لیتری چهار سیلندر مجهز به توربوشارژر در خودرویی مانند فولکسواگن گلف GTI، میتواند قدرتی در حدود ۲۳۰ تا ۲۵۰ اسب بخار تولید کند، در حالی که نمونهی دمنده طبیعی همین موتور حدود ۱۶۰ تا ۱۷۰ اسب بخار توان دارد. مثالی دیگر، استفاده از سوپرشارژر در خودروهای آمریکایی مانند شورلت کوروت Z06 باعث افزایش توان تا بیش از ۶۰۰ اسب بخار شده است.
از نظر پاسخدهی، خودروهای دارای سوپرشارژر در دورهای پایین بهتر عمل کرده و تأخیر کمتری نشان میدهند، در حالی که خودروهای توربو معمولاً در دورهای بالا بیشترین بهرهوری را خواهند داشت.
۷. نگهداری و تعمیر سیستمهای پرخوران
مهمترین نکته در نگهداری سیستم پرخوران، حفظ سلامت اجزای مکانیکی و روانکاری مناسب است. برای مثال روغن موتور باید از کیفیت و تعویض به موقع برخوردار باشد تا به توربین آسیبی نرساند. همچنین فیلتر هوای مناسب باید به کار گرفته شود تا اجزای کمپرسور و توربین از گرد و غبار محافظت شوند.
علاوه بر این، گیر افتادن روغن یا کثیفیهای سیستم خنککننده باعث کاهش کارایی سیستم شده و ممکن است منجر به خرابیهای جدی شود. هماهنگی سیستمهای الکترونیکی کنترل موتور و سنسورها نیز برای حفظ عملکرد بهینه ضروری است.
۸. آینده و نوآوری در سیستمهای پرخوران
با پیشرفت فناوری، سیستمهای پرخوران نیز به سوی استفاده از مواد سبکتر، طراحیهای بهینهتر پرهها، استفاده از اینورترهای الکتریکی و ترکیب با سیستمهای الکتریکی هیبریدی حرکت میکنند. توربوشارژرهای الکتریکی (e-Turbo) که توربین را از طریق یک موتور برقی میچرخانند، نمونهای از این نوآوریها هستند که مشکل توربولاگ را به صورت چشمگیر کاهش میدهند.
همچنین تحقیق روی سیستمهای پرخوران چندمرحلهای (Twin-Turbo) و استفاده هوشمند از سنسورها و کنترلها، باعث شده موتورهای آینده خودروها توان بیشتر، مصرف سوخت کمتر و آلایندگی پایینتری داشته باشند.
نتیجهگیری
سیستمهای پرخوران جزو کلیدیترین فناوریهای افزایش توان و بهبود بازده موتورهای احتراق داخلی هستند. فهم دقیق اصول عملکرد این سیستمها و نقاط قوت و ضعف آنها، مهندسین خودرو را قادر میسازد تا موتورهای قدرتمندتر، بهینهتر و سازگارتر با محیط زیست طراحی کنند. با پیشرفت فناوری در حوزههای مواد، الکترونیک و روانکاری، آینده سیستمهای پرخوران پر از نوآوریهای هیجانانگیز است.