شاحن فائق

يُصنَّف نوعان رئيسيان من الشواحن الفائقة وفقًا لطريقة نقل الغاز: الشواحن الفائقة ذات الإزاحة الموجبة والشواحن الفائقة الديناميكية . توفر الشواحن الفائقة ذات الإزاحة الموجبة زيادةً ثابتةً تقريبًا في ضغط التعزيز عند جميع سرعات المحرك، بينما تتسبب الشواحن الفائقة الديناميكية في ارتفاع ضغط التعزيز بشكلٍ أُسِّي مع سرعة المحرك (فوق عتبة معينة). ^{[ 4 ]} وهناك نوع آخر من الشواحن الفائقة، وإن كان نادر الاستخدام، وهو الشاحن الفائق ذو موجة الضغط .

تتميز منفاخات جذور (وهي تصميم مضخة فصية ذات إزاحة موجبة ) بكفاءة تتراوح بين 40 و50% فقط عند مستويات الضغط العالية، مقارنةً بنسبة 70 إلى 85% للشواحن الفائقة الديناميكية. أما منفاخات ليسهولم (وهي تصميم لولبي دوار) فيمكن أن تكون كفاءتها قريبة من كفاءة الشواحن الفائقة الديناميكية ضمن نطاق ضيق من الحمل/السرعة/الضغط، الأمر الذي يتطلب تصميم النظام خصيصًا لهذا النطاق.

الإزاحة الموجبة

تُوفر مضخات الإزاحة الموجبة حجمًا ثابتًا تقريبًا من الهواء لكل دورة للمضخة (باستثناء التسريب، الذي يقل تأثيره عادةً عند سرعات المحرك العالية). يُعد شاحن روتس النوع الأكثر شيوعًا من شواحن الإزاحة الموجبة . وهي عبارة عن منفاخات وليست ضواغط، لأن حجم السائل المنقول لكل دورة يظل ثابتًا بين جانبي السحب والتفريغ للمضخة. تشمل الأنواع الأخرى شواحن اللولب الدوارة ، وشواحن الريش المنزلقة ، وشواحن اللولب الحلزونية .

يعتمد نظام تصنيف الشواحن التوربينية ذات الإزاحة الموجبة عادةً على سعتها لكل دورة . وفي حالة شاحن رووتس، يُعد نمط تصنيف GMC نموذجيًا. يعتمد تصنيف GMC على عدد أسطوانات المحرك ثنائي الأشواط - وحجم تلك الأسطوانات - التي صُمم الشاحن لتفريغ الهواء منها ، وتشمل مجموعة طرازات GMC شواحن 2-71 و3-71 و4-71 و6-71. على سبيل المثال، صُمم شاحن 6-71 لتفريغ الهواء من ست أسطوانات سعة كل منها 71 بوصة مكعبة (1.16 لتر) ، مما ينتج عنه محرك بسعة إجمالية تبلغ 426 بوصة مكعبة (7.0 لتر ). ومع ذلك، ولأن 6-71 هو رمز المحرك وليس رمز الشاحن، فإن السعة الفعلية للشاحن أقل ؛ فعلى سبيل المثال، يضخ شاحن 6-71 ما مقداره 339 بوصة مكعبة (5.6 لتر) لكل دورة. وقد أنتجت شركات تصنيع الشواحن الفائقة الأخرى شواحن مصنفة تصل إلى 16-71.         

تشمل الطرق الشائعة لتشغيل الشاحن التوربيني ما يلي:

• حزام (حزام على شكل حرف V، حزام متزامن، حزام مسطح)
• محرك مباشر
• نظام نقل الحركة بالتروس
• محرك سلسلة
• نسبة سرعة متغيرة، طرد مركزي بنسبة متغيرة
• تستخدم الشواحن الكهربائية الفائقة المحركات الكهربائية بدلاً من مصادر الطاقة الميكانيكية.

تستخدم الشواحن الفائقة الكهربائية محركًا كهربائيًا لضغط هواء السحب، مما يوفر ضغطًا إضافيًا دون الاعتماد على الطاقة الميكانيكية من المحرك. يوفر هذا التصميم استجابة فورية لدواسة الوقود ويزيل تأخر التوربو، مما يجعله مفيدًا للأداء والكفاءة. ^{[ 6 ]}

تتميز أنواع الوقود ذات الرقم الأوكتاني الأعلى بمقاومة أفضل للاشتعال الذاتي والانفجار . ونتيجة لذلك، يمكن زيادة ضغط الشحن التوربيني، مما يؤدي إلى زيادة قدرة المحرك. وقد مكّن تطوير وقود الطائرات ذي الرقم الأوكتاني 100، الذي طُوّر في الولايات المتحدة الأمريكية في ثلاثينيات القرن الماضي، من استخدام ضغوط شحن أعلى في محركات الطائرات عالية الأداء، واستُخدم لزيادة قدرة العديد من الطائرات التي حطمت الأرقام القياسية في السرعة بشكل كبير.

بدأ استخدام الوقود عالي الأوكتان عسكريًا في أوائل عام 1940، عندما تم تزويد سلاح الجو الملكي البريطاني ، المشارك في الحرب العالمية الثانية، بوقود ذي رقم أوكتان 100. ^{[ 7 ]} كما امتلك سلاح الجو الألماني (لوفتفافه) إمدادات من وقود مماثل. ^{[ 8 ] [ 9 ]} وأصبح رفع رقم الأوكتان محورًا رئيسيًا لتطوير محركات الطائرات طوال الفترة المتبقية من الحرب، حيث وصل رقم الأوكتان في بعض أنواع الوقود اللاحقة إلى 150. وباستخدام هذا النوع من الوقود، أنتجت محركات طائرات مثل رولز رويس ميرلين 66 ودايملر بنز DB 605 DC قدرة تصل إلى 2000 حصان (1500 كيلوواط) . ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}  

من عيوب الشحن القسري (أي الشحن الفائق أو الشحن التوربيني) أن ضغط هواء السحب يزيد من درجة حرارته. بالنسبة لمحركات الاحتراق الداخلي، تُصبح درجة حرارة هواء السحب عاملاً مُحدداً لأداء المحرك. قد تُسبب درجات الحرارة المرتفعة للغاية احتراقاً مُبكراً أو طرقاً ، مما يُقلل من الأداء وقد يُؤدي إلى تلف المحرك. يزداد خطر الاحتراق المُبكر/الطرق مع ارتفاع درجة حرارة الهواء المُحيط وزيادة ضغط الشحن.

استخدمت غالبية محركات الطائرات خلال الحرب العالمية الثانية شواحن فائقة تعمل ميكانيكيًا نظرًا لمزاياها التصنيعية الكبيرة مقارنةً بالشواحن التوربينية. مع ذلك، أُعطيت الأولوية القصوى لمدى الطيران للطائرات الأمريكية نظرًا لمتطلبات مدى الطيران غير المتوقعة واضطرارها للسفر لمسافات طويلة بعيدًا عن قواعدها. ونتيجةً لذلك، استُخدمت الشواحن التوربينية بشكل رئيسي في محركات الطائرات الأمريكية مثل أليسون V-1710 وبرات آند ويتني R-2800 ، والتي كانت أثقل وزنًا عند تزويدها بالشواحن التوربينية، وتطلبت قنوات إضافية من سبائك معدنية باهظة الثمن تتحمل درجات الحرارة العالية في التوربين الغازي وقسم ما قبل التوربين في نظام العادم. وكان حجم القنوات وحده عاملًا تصميميًا بالغ الأهمية. على سبيل المثال، استخدمت كل من طائرتي إف 4 يو كورسير وبي -47 ثندربولت نفس المحرك الشعاعي ، ولكن كان من الضروري استخدام هيكل طائرة بي-47 الكبير ذي الشكل الأسطواني المزود بشاحن توربيني نظرًا لطول قنوات التوصيل من وإلى الشاحن التوربيني في الجزء الخلفي من الطائرة. استخدمت طائرة F4U شاحنًا توربينيًا ثنائي المراحل مزودًا بمبرد داخلي، بتصميم أكثر إحكامًا. ومع ذلك، كانت الشواحن التوربينية مفيدة في قاذفات القنابل التي تحلق على ارتفاعات عالية وبعض الطائرات المقاتلة نظرًا لزيادة الأداء والمدى على الارتفاعات العالية.

تخضع محركات المكابس المزودة بشاحن توربيني للعديد من القيود التشغيلية نفسها التي تخضع لها محركات التوربينات الغازية. كما تتطلب هذه المحركات عمليات فحص دورية لشواحنها التوربينية وأنظمة العادم الخاصة بها للكشف عن أي تلف محتمل ناتج عن الحرارة والضغط الشديدين للشواحن التوربينية. وقد مثّل هذا التلف مشكلة بارزة في النماذج الأولى من قاذفات القنابل الأمريكية بوينغ بي-29 سوبرفورتريس عالية الارتفاع ، والتي استُخدمت في مسرح عمليات المحيط الهادئ خلال الفترة 1944-1945.

استمر استخدام محركات المكبس المزودة بشاحن توربيني في عدد كبير من الطائرات التي ظهرت بعد الحرب، مثل B-50 Superfortress و KC-97 Stratofreighter و Boeing 377 Stratocruiser و Lockheed Constellation و C-124 Globemaster II .

في بطولتي العالم للراليات عامي 1985 و1986، شاركت لانشيا بسيارة دلتا إس 4 ، التي جمعت بين شاحن فائق يعمل بحزام وشاحن توربيني يعمل بنظام العادم. اعتمد التصميم على سلسلة معقدة من صمامات التجاوز في نظامي السحب والعادم، بالإضافة إلى قابض كهرومغناطيسي، بحيث يتم توليد ضغط إضافي من الشاحن الفائق عند سرعات المحرك المنخفضة. وفي نطاق دورات المحرك المتوسطة، يتم توليد ضغط إضافي من كلا النظامين، بينما عند أعلى دورات المحرك، يفصل النظام نظام الدفع عن الشاحن الفائق ويعزل قنواته. ^{[ 15 ]} وقد تم ذلك في محاولة للاستفادة من مزايا كل نظام شحن مع التخلص من عيوبه. في المقابل، أدى هذا النهج إلى زيادة التعقيد وأثر على موثوقية السيارة في سباقات بطولة العالم للراليات، فضلاً عن زيادة وزن ملحقات المحرك في التصميم النهائي.

تم استخدام المحركات ذات الشحن المزدوج في بعض الأحيان في سيارات الإنتاج، مثل فولكس فاجن 1.4 لتر 2005-2013، ومحركات فولفو B4204T 2.0 لتر رباعية الأسطوانات المختارة من 2014 حتى الآن .

كانت أول سيارات يتم إنتاجها بكميات كبيرة في العالم ^{[ 23 ]} مزودة بشواحن فائقة هي مرسيدس  1.6 لتر 6/25 حصان ومرسيدس 2.6 لتر 10/40  حصان ، وكلاهما بدأ إنتاجهما في عام 1923. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} تم تسويقها كطرازات Kompressor ، وهو مصطلح تم استخدامه لطرازات مختلفة حتى عام 2012.

وشملت سيارات السباق المزودة بشاحن فائق من هذا الوقت تقريبًا سيارة فيات 805-405 موديل 1923 (أول سيارة شاركت وفازت في سباق الجائزة الكبرى)، ^{[ 27 ]} وسيارة ميلر 122 موديل 1923 ^{[ 28 ]} وسيارة ألفا روميو P2 موديل 1924 ، وهي سيارة موسم سباق الجائزة الكبرى لعام 1924 من شركة صن بيم، ^{[ 29 ]} وسيارة ديلاج موديل 1925 ، ^{[ 30 ]} وسيارة بوجاتي تايب 35C موديل 1926 .

ومن بين أشهر السيارات المزودة بشاحن توربيني سيارة بنتلي 4½ لتر ("بنتلي الشاحن التوربيني")، والتي تم طرحها في عام 1929.

في عام 1935، وصل تطوير الشواحن الفائقة من النوع اللولبي إلى مرحلة مهمة عندما حصل المهندس السويدي ألف ليسهولم على براءة اختراع لتصميم ضاغط لولبي دوار بخمسة دوارات أنثوية وأربعة دوارات ذكرية. ^{[ 17 ]}

في القرن الحادي والعشرين، تراجعت شعبية محركات السيارات الإنتاجية المزودة بشاحن فائق، إذ اتجه المصنعون إلى استخدام الشواحن التوربينية لتحقيق كفاءة أعلى في استهلاك الوقود وقوة أكبر. فعلى سبيل المثال، استُبدلت محركات كومبريسور من مرسيدس-بنز، التي ظهرت في أوائل الألفية الثانية (مثل محرك C 230 كومبريسور رباعي الأسطوانات، ومحرك C 32 AMG V6، ومحرك CL 55 AMG V8)، بمحركات مزودة بشاحن توربيني في طرازات مثل C 250 و CL 65 AMG ، وذلك في عام 2010 تقريبًا . مع ذلك، توجد استثناءات، مثل محرك أودي 3.0 TFSI V6 المزود بشاحن فائق (الذي طُرح عام 2009)، ومحرك جاكوار AJ-V8 V8 المزود بشاحن فائق (الذي طُوّر إلى الجيل الثالث عام 2009).

في ثلاثينيات القرن العشرين، طُوِّرت محركات ثنائية السرعة لشواحن التوربينات في محركات الطائرات، مما أتاح مرونة أكبر في تشغيل الطائرات. إلا أن هذا التصميم استلزم مزيدًا من التعقيد في التصنيع والصيانة. تربط التروس شاحن التوربينات بالمحرك باستخدام نظام من القوابض الهيدروليكية، التي كان الطيار يُشغِّلها أو يُفصلها يدويًا في البداية من خلال وحدة تحكم في قمرة القيادة. عند الارتفاعات المنخفضة، كان يُستخدم الترس ذو السرعة المنخفضة لمنع مستويات التعزيز المفرطة. أما عند الارتفاعات العالية، فكان يُمكن تحويل شاحن التوربينات إلى ترس أعلى لتعويض انخفاض كثافة هواء السحب. في معركة بريطانيا، زُوِّدت طائرات سبيتفاير وهوريكان، التي تعمل بمحرك رولز رويس ميرلين، بشواحن توربينات أحادية المرحلة وأحادية السرعة. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

في عام 1942، طُبِّقَ نظام الشحن التوربيني ثنائي المراحل ثنائي السرعة مع التبريد اللاحق على محرك رولز رويس ميرلين 61 للطائرات. وقد مكّن الأداء المُحسَّن الطائرات التي زُوِّدت بهذه المحركات من الحفاظ على تفوق حاسم على الطائرات الألمانية التي واجهتها طوال الحرب العالمية الثانية، على الرغم من أن المحركات الألمانية كانت أكبر بكثير في السعة. ^{[ 33 ] [ 32 ]} وكانت الشواحن التوربينية ثنائية المراحل ثنائية السرعة دائمًا. فبعد ضغط الهواء في مرحلة الضغط المنخفض ، يتدفق الهواء عبر مبادل حراري (" مبرد داخلي ") حيث يُبرَّد قبل أن يُضغط مرة أخرى بواسطة مرحلة الضغط العالي ، ثم يُبرَّد لاحقًا في مبادل حراري آخر.

رغم الاستخدام الواسع للشواحن الفائقة في منتصف القرن العشرين وخلال الحرب العالمية الثانية ، فقد تراجع استخدامها بشكل كبير في الطائرات الحديثة ذات المحركات المكبسية . ويعزى ذلك في الغالب إلى ارتفاع درجة الحرارة واستخدام سبائك أخف وزنًا، مما يجعل الشواحن التوربينية أكثر كفاءة من الشواحن الفائقة، بالإضافة إلى انخفاض تكاليف الصيانة نظرًا لقلة الأجزاء المتحركة. ^{[ 34 ]}

نظراً لانخفاض كثافة الهواء على ارتفاعات عالية، يُستخدم الشحن التوربيني بكثرة في محركات الطائرات. فعلى سبيل المثال، تبلغ كثافة الهواء على ارتفاع 9100 متر (30000 قدم) ثلث كثافته عند مستوى سطح البحر، مما يعني إمكانية حرق ثلث كمية الوقود فقط في محرك يعمل بسحب الهواء الطبيعي، وبالتالي تنخفض القدرة الناتجة بشكل كبير. ^{[ 35 ]} ويمكن اعتبار الشاحن التوربيني إما زيادةً اصطناعيةً لكثافة الهواء عن طريق ضغطه، أو ضخ كمية هواء أكبر من المعتاد إلى الأسطوانة مع كل حركة للمكبس في شوط السحب. ^{[ 35 ]}  

بما أن الشاحن التوربيني مصمم عادةً لإنتاج مقدار محدد من الضغط عند الارتفاعات العالية (حيث تكون كثافة الهواء أقل)، فإنه غالبًا ما يكون أكبر من اللازم للارتفاعات المنخفضة. ولمنع مستويات الضغط المفرطة، تتم مراقبة ضغط مشعب السحب. ومع ارتفاع الطائرة وانخفاض كثافة الهواء، يمكن فتح الخانق تدريجيًا للحصول على أقصى مستوى طاقة آمن لارتفاع معين. يُعرف الارتفاع الذي يصل فيه الخانق إلى أقصى فتحة ويظل المحرك ينتج كامل طاقته المقدرة بالارتفاع الحرج . وفوق هذا الارتفاع، ينخفض ​​ناتج طاقة المحرك لأن الشاحن التوربيني لم يعد قادرًا على التعويض الكامل عن انخفاض كثافة الهواء.

من المشاكل الأخرى التي تُواجه في المناطق المنخفضة (مثل مستوى سطح الأرض) أن هواء السحب يكون أكثر دفئًا منه في المناطق المرتفعة. يُقلل الهواء الدافئ من عتبة حدوث طرق المحرك ، خاصةً في المحركات المزودة بشاحن توربيني أو شاحن فائق. تشمل طرق تبريد هواء السحب في مستوى سطح الأرض المبردات البينية/المبردات اللاحقة ، وحقن المواد المضادة للاحتراق غير الطبيعي ، والشواحن الفائقة ثنائية السرعة، والشواحن الفائقة ثنائية المراحل.

في المحركات المزودة بشاحن توربيني والتي تستخدم المكربن ، يؤدي فتح صمام الخانق جزئيًا إلى تقليل ضغط الهواء داخل المكربن. في الأجواء الباردة، قد يتسبب هذا الهواء منخفض الضغط في تكوّن الجليد على صفيحة الخانق. ويمكن أن تؤدي كميات كبيرة من الجليد إلى تعطل المحرك، حتى مع تشغيله بكامل طاقته المقدرة بالإضافة إلى الشاحن التوربيني LSA.