توربوشارژر نوع دریچه Wastegate و پدیده بوست بیش از حد (Overboost)
در دنیای خودروهای مجهز به سیستم توربوشارژر، کنترل فشار هوای ورودی به موتور یکی از چالشهای کلیدی برای حفظ ایمنی، افزایش کارایی و بهبود عملکرد موتور است. یکی از مهمترین ابزارهای کنترل این فشار، دریچه Wastegate است که نقش حیاتی در جلوگیری از بوست بیش از حد (Overboost) ایفا میکند. در این مقاله، به بررسی جامع عملکرد، ساختار و کاربردهای Wastegate و همچنین پدیده Overboost و خطرات ناشی از آن میپردازیم.
مقدمهای بر سیستم توربوشارژر
توربوشارژر (Turbocharger) وسیلهای مکانیکی است که با استفاده از انرژی گازهای خروجی اگزوز، توربین را به حرکت درمیآورد و این حرکت، کمپرسور را به گردش درمیآورد تا هوای بیشتری وارد سیلندرهای موتور شود. افزایش ورود هوا باعث افزایش قدرت و راندمان موتور میگردد. اما این افزایش فشار هوا باید تحت کنترل باشد، زیرا فشار بیش از حد میتواند به قطعات داخلی موتور آسیب برساند یا عملکرد موتور را مختل کند.
نقش کنترل فشار در توربوشارژر
هر چه فشار هوای ورودی افزایش یابد، مقدار اکسیژن بیشتری برای احتراق فراهم میشود و در نتیجه افزایش توان موتور حاصل میشود. اما فشار اضافی میتواند باعث بالا رفتن دمای احتراق، ضربه زدن (Knock) و اختلال در عملکرد مکانیکی موتور شود. بنابراین یک مکانیزم دقیق برای محدود کردن فشار و جلوگیری از بیشفشار ضرورت دارد.
دریچه Wastegate چیست؟
Wastegate دریچهای در مسیر گازهای خروجی حرکت توربین توربوشارژر است که نقش تنظیم فشار بوست را ایفا میکند. این دریچه قسمتی از مسیر خروج گازها را عبور میدهد تا توربین از سرعت بیش از حد باز بایستد و فشار بیش از حد تولید نشود.
ساختار و عملکرد Wastegate
Wastegate معمولاً شامل یک دیافراگم، فنر، اهرم و خود دریچه است که به طور مکانیکی یا الکتریکی عمل میکند. فشار بوست در محفظهای بالای دیافراگم وارد شده و اگر فشار به حد تنظیم شده برسد، دیافراگم باز شده و دریچه Wastegate باز میشود تا قسمتی از گازهای اگزوز دور زده و وارد توربین نشوند.
مثال: تصور کنید فشار مورد نظر برای سیستم 1.2 بار تنظیم شده باشد. وقتی بوست به این حد رسید، فشار به دیافراگم نیرو وارد میکند و دریچه Wastegate باز میشود؛ بدین ترتیب بخشی از گازهای خروجی مستقیماً وارد اگزوز میشوند و سرعت توربین کاهش مییابد و فشار هوای ورودی به موتور ثابت نگه داشته میشود.
انواع دریچه Wastegate
- Wastegate داخلی (Internal Wastegate): به صورت یک قطعه یکپارچه داخل بدنه توربوشارژر قرار دارد. طراحی سادهتر و قابل اعتماد اما ظرفیت کنترل فشار محدودتری دارد.
- Wastegate خارجی (External Wastegate): یک قطعه مجزا است که به صورت خارجی نصب شده و ظرفیت کنترل و پاسخگویی بالاتری ارائه میدهد. معمولاً در سیستمهای توان بالا یا مسابقهای کاربرد دارد.
مکانیزم کنترل بوست با Wastegate
نحوه تنظیم فشار بوست از طریق Wastegate مبتنی بر تعیین میزان حرکت دریچه بر اساس فشار سنج داخلی یا کنترل الکترونیکی است. زمانی که فشار از مقدار تعیین شده بالاتر رفت، Wastegate شروع به باز شدن کرده تا گازهای خروجی دور زده و فشار افت کند.
کنترل مکانیکی و الکترونیکی Wastegate
در سیستمهای قدیمیتر، کنترل Wastegate مکانیکی بوده و فشار روغن یا بوست مستقیماً روی دیافراگم تأثیر گذاشته و دریچه را باز میکند. در مدلهای جدیدتر، ECU با استفاده از سیگنالهای فشار هوای ورودی و موقعیت دریچه، به صورت الکترونیکی فرمان باز یا بسته شدن Wastegate را صادر میکند که دقت و تطابق بهتری با شرایط رانندگی ایجاد میکند.
پدیده بوست بیش از حد (Overboost)
بوست بیش از حد به شرایطی اطلاق میشود که فشار هوای ورودی به موتور از حد طراحی شده فراتر رود. این حالت ممکن است در اثر عدم عملکرد صحیح Wastegate، خرابی سنسورهای فشار، تنظیم نادرست ECU یا ضعف در سیستم کنترل فشار ایجاد شود.
علل ایجاد Overboost
- خرابی Wastegate: بسته شدن کامل یا عدم باز شدن به موقع دریچه Wastegate باعث تولید فشار بسیار بالا میشود.
- عیب در خطوط خلاء یا سیلندر کنترل Wastegate: نشت یا گرفتگی باعث عدم انتقال صحیح فرمان به دریچه میشود.
- تنظیم نادرست ECU یا سنسورها: دادههای غلط موجب فرمان فشار بیش از حد به توربین میشود.
- طراحی نامناسب سیستم توربوشارژر: عدم تناسب ظرفیت Wastegate با توان توربین و موتور.
خطرات ناشی از Overboost
افزایش بیش از حد فشار باعث افزایش دمای احتراق و فشار سیلندرها میشود که به موارد زیر منجر میشود:
- آسیب به سر سیلندر و پیستونها بر اثر فشار و دمای بالا
- ضربه زدن (knocking) که به موتور آسیب میزند
- خرابی توربوشارژر و افزایش احتمال ترک خوردگی و فرسودگی قطعات
- افزایش مصرف سوخت و کاهش طول عمر موتور
راهکارهای جلوگیری از Overboost
کنترل دقیق و به موقع فشار بوست از طریق Wastegate بهترین راهکار جلوگیری از بوست بیش از حد است. علاوه بر این، موارد زیر پیشنهاد میشود:
نظارت مداوم و تعمیرات دورهای
بررسی سلامت دریچه Wastegate، خطوط کنترلی و سنسور فشار به طور دورهای ضروری است. خرابی و نشت در قطعات یاد شده باید سریعاً تعمیر شود.
استفاده از کنترل الکترونیکی پیشرفته
کنترلرهای پیشرفته ECU قادر به تنظیم دقیق باز و بسته شدن Wastegate بر اساس شرایط موتور هستند. این امر احتمال خطا و بروز Overboost را کاهش میدهد.
نصب رله فشار (Pressure Relief Valve) یا سایر تجهیزات ایمنی
در برخی سیستمها، برای پیشگیری از فشار بیش از حد، رله یا شیرهای ایمنی به سیستم اگزوز یا ورودی نصب میشود که در مواقع اضطراری فشار را آزاد میکنند.
مثال کاربرد Wastegate در یک موتور توربوشارژر 2.0 لیتر 4 سیلندر
فرض کنید یک موتور 4 سیلندر 2.0 لیتری توربوشارژ شده که برای تولید حداقل 1 بار بوست تنظیم شده است. Wastegate داخلی با فنر تنظیم شده بر روی فشار 1 بار نصب شده است. در شرایط رانندگی عادی، فشار توربو بین 0.8 تا 1 بار نوسان میکند. اگر راننده در حالت شروع حرکت ناگهانی یا در سربالایی فشار توربو به 1.3 بار برسد، دیافراگم Wastegate فعال شده و دریچه باز میشود. بخشی از گازهای خروجی اگزوز از مسیر توربین دور زده میشوند و باعث میشود فشار به سرعت به فشار تنظیم شده 1 بار بازگردد و از Overboost جلوگیری شود.
جمع بندی
دریچه Wastegate یکی از اجزای حیاتی سیستم توربوشارژر است که با کنترل فشار هوای ورودی به موتور، از بروز پدیدههای خطرناکی همچون بوست بیش از حد جلوگیری میکند. انتخاب نوع، ساختار و تنظیم دقیق Wastegate و همچنین سیستم کنترل، تأثیر مستقیم بر کارایی، عمر و ایمنی موتور توربوشارژ شده دارد. شناخت دقیق این سیستم و انجام نگهداری و تنظیمات درست، کلید داشتن یک موتور توربوشارژر پایدار و پرقدرت است.