محرك ديزل توربيني

محرك لاند روفر 19J موديل 1990 (يوجد الشاحن التوربيني في الزاوية العلوية اليمنى من الصورة)

يشير مصطلح "توربوديزل" (يُكتب أيضًا توربوديزل أو توربو ديزل ) إلى أي محرك ديزل مزود بشاحن توربيني . وكما هو الحال مع أنواع المحركات الأخرى، فإن تزويد محرك الديزل بشاحن توربيني يمكن أن يزيد بشكل ملحوظ من كفاءته وقدرته، خاصةً عند استخدامه مع مبرد داخلي . ^{[ 1 ]}

بدأ استخدام الشحن التوربيني في محركات الديزل في عشرينيات القرن الماضي مع المحركات البحرية الكبيرة والمحركات الثابتة. وأصبحت الشاحنات مزودة بمحركات الديزل التوربينية في منتصف خمسينيات القرن الماضي، تلتها سيارات الركاب في أواخر سبعينيات القرن الماضي. ومنذ تسعينيات القرن الماضي، انخفضت نسبة انضغاط محركات الديزل التوربينية.

تُعد محركات الديزل مناسبة بشكل عام للشحن التوربيني لسببين:

• لا تُشكل نسبة الهواء إلى الوقود "الخفيفة" ، الناتجة عن تزويد الشاحن التوربيني المحرك بكمية زائدة من الهواء، مشكلةً لمحركات الديزل، لأن التحكم في عزم الدوران يعتمد على كتلة الوقود المحقونة في غرفة الاحتراق (أي نسبة الهواء إلى الوقود)، وليس على كمية خليط الهواء والوقود. ^{[ 2 ]}
• تؤدي كمية الهواء الإضافية في الأسطوانة الناتجة عن الشحن التوربيني إلى زيادة نسبة الانضغاط بشكل فعال، وهو ما قد يتسبب في احتراق مبكر وارتفاع درجة حرارة غازات العادم في محركات البنزين . أما في محركات الديزل، فلا يوجد وقود في غرفة الاحتراق أثناء شوط الانضغاط ، إذ يُضاف إليها فقط قبل وصول المكبس إلى أعلى نقطة ميتة بقليل. وبالتالي، لا يحدث احتراق مبكر. ^{[ 3 ]}

كما هو الحال في محركات البنزين المزودة بشاحن توربيني، يمكن استخدام مبرد داخلي لتبريد هواء السحب وبالتالي زيادة كثافته. ^{[ 4 ]}

اخترع الشاحن التوربيني في أوائل القرن العشرين على يد ألفريد بوشي ، المهندس السويسري ورئيس قسم أبحاث محركات الديزل في شركة Gebrüder Sulzer لتصنيع المحركات. كان الهدف الأصلي من الشاحن التوربيني استخدامه في محركات الديزل، إذ أشارت براءة اختراع بوشي لعام 1905 إلى التحسينات في كفاءة هذه المحركات. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} مع ذلك، لم تُصنّع أولى المحركات المزودة بشاحن توربيني إلا في عام 1925، وهي محركات ديزل توربينية بحرية ذات 10 أسطوانات استخدمتها سفينتا الركاب الألمانيتان بروسن وهانزشتات دانزيغ . ^{[ 8 ] [ 9 ]} وقد زاد الشاحن التوربيني من قدرة المحرك من 1750 حصانًا (1287 كيلوواط) إلى 2500 حصان (1839 كيلوواط) . ^{[ 10 ]} في عام 1925، اخترع بوشي الشحن التوربيني المتسلسل، والذي يمثل، وفقًا لهيلموت بوشر (2012)، بداية تكنولوجيا الشحن التوربيني الحديثة. ^{[ 11 ]}    

بحلول أواخر عشرينيات القرن العشرين، كان العديد من المصنّعين ينتجون محركات ديزل توربينية كبيرة للاستخدام البحري والثابت، مثل سولزر براذرز، ومان، ودايملر بنز، وباكسمان. ^{[ 12 ] [ 13 ]} وقد أتاحت التحسينات اللاحقة في التكنولوجيا استخدام الشواحن التوربينية في محركات أصغر تعمل بسرعات أعلى، فبدأت محركات قاطرات الديزل التوربينية بالظهور في أواخر أربعينيات القرن العشرين. ^{[ 14 ] [ 15 ]} وفي عام 1951، صنعت شركة مان النموذج الأولي للمحرك K6V 30/45 mHA، بقدرة 1  ميغاواط ، والذي كان يتميز، بالنسبة لعصره، باستهلاك وقود منخفض للغاية بلغ 135.8 غرام/حصان (184.6 غرام/كيلوواط ساعة) ، أي ما يعادل كفاءة 45.7%. ^{[ 16 ]} كان هذا ممكناً بفضل تصميم الشاحن التوربيني المتقدم، والذي يتألف من ضاغط محوري بخمس مراحل مقترن بضاغط شعاعي بتسع مراحل ومبرد داخلي. ^{[ 17 ]}  

بدأ استخدام محركات الديزل التوربينية في المركبات البرية مع الشاحنات في أوائل الخمسينيات. تم الكشف عن النموذج الأولي لشاحنة MAN MK26 في عام 1951، ^{[ 18 ]} تلاه طراز الإنتاج MAN 750TL1 المزود بمحرك ديزل توربيني في عام 1954. ^{[ 19 ]} كما تم طرح شاحنة فولفو تيتان توربو في عام 1954. [ 20 ^{] وبحلول أواخر} الستينيات، أدى الطلب المتزايد على محركات الشاحنات ذات القدرة العالية إلى إنتاج محركات الديزل التوربينية من قبل شركات Cummins و Detroit Diesel و Scania AB و Caterpillar Inc.

في عام 1952، أصبحت سيارة كومينز ديزل سبيشال أول سيارة مزودة بشاحن توربيني تشارك في سباق إنديانابوليس 500، وتأهلت في المركز الأول. ^{[ 21 ]} كانت السيارة تعمل بمحرك سداسي الأسطوانات سعة 6.6 لتر (403 بوصة مكعبة) ينتج قوة 283 كيلوواط (380 حصانًا) . ^{[ 22 ] [ 23 ]}     

أجرت عدة شركات أبحاثاً حول محركات الديزل التوربينية الأصغر حجماً لسيارات الركاب خلال الستينيات والسبعينيات. قامت شركة روفر ببناء نموذج أولي لمحرك ديزل توربيني رباعي الأسطوانات سعة 2.5 لتر في عام 1963، واستخدمت مرسيدس-بنز محرك ديزل توربيني خماسي الأسطوانات مزود بمبرد داخلي في سيارة مرسيدس-بنز C111-IID التجريبية عام 1976. ^{[ 24 ]}

كانت سيارة مرسيدس-بنز 300SD (W116) السيدان أول سيارة إنتاجية تعمل بمحرك ديزل توربيني ، وقد بيعت في الولايات المتحدة منذ منتصف عام 1978، وكانت مزودة بمحرك OM617 خماسي الأسطوانات. ^{[ 25 ]} وبعد عام، أصبحت بيجو 604 D Turbo أول سيارة ديزل توربيني تُباع في أوروبا. بدأ إنتاج وبيع سيارات الديزل التوربيني على نطاق واسع في أوروبا خلال أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات، وهو اتجاه استمر حتى يومنا هذا. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

منذ تسعينيات القرن الماضي، انخفضت نسبة انضغاط محركات الديزل التوربينية، نتيجةً لتحسن القدرة النوعية وانخفاض انبعاثات العادم في هذه المحركات ذات نسبة الانضغاط المنخفضة. كانت محركات الحقن غير المباشر تتميز بنسب انضغاط تبلغ 18.5 أو أعلى. بعد ظهور محركات الحقن بالسكك المشتركة في أواخر التسعينيات، انخفضت نسب الانضغاط إلى ما بين 16.5 و18.5. بعض محركات الديزل المصنعة منذ عام 2016، والمتوافقة مع معايير انبعاثات العادم Euro 6، تتميز بنسبة انضغاط تبلغ 14.0. ^{[ 28 ] : 182-183}

يمكن للشحن التوربيني أن يزيد بشكل كبير من قدرة محرك الديزل، مما يجعل نسبة ذروة القدرة إلى الوزن أقرب إلى تلك الموجودة في محرك البنزين المكافئ. ^{[ 29 ]}

أدت التحسينات التي طرأت على قوة محركات الديزل التوربينية، وكفاءتها في استهلاك الوقود، ومستويات الضوضاء والاهتزازات والخشونة، سواءً كانت صغيرة أو كبيرة السعة، خلال العقد الماضي، إلى انتشارها على نطاق واسع في بعض الأسواق، لا سيما في أوروبا حيث شكلت (حتى عام 2014) أكثر من 50% من تسجيلات السيارات الجديدة. ^{[ 30 ] [ 31 ]} وتُعتبر محركات الديزل التوربينية عمومًا أكثر مرونة في استخدامات السيارات من محركات الديزل ذات السحب الطبيعي . إذ يُمكن تصميم محركات الديزل التوربينية لتوفير نطاق عزم دوران أكثر قبولًا على مدى سرعاتها، أو، في حال تصنيعها للاستخدام التجاري، يُمكن تصميمها لتحسين عزم الدوران عند سرعة معينة حسب الاستخدام المحدد. أما محركات الديزل ذات السحب الطبيعي، فغالبًا ما يكون إنتاجها للطاقة أقل من محركات البنزين ذات السعة نفسها، بينما تتطلب في الوقت نفسه مكونات داخلية أقوى (وبالتالي أثقل) مثل المكابس وعمود المرفق لتحمل الضغوط الأكبر الناتجة عن نسبة الانضغاط العالية جدًا في محرك الديزل . هذه العوامل تُعطي محركات الديزل ذات السحب الطبيعي نسبة طاقة إلى وزن ضعيفة. تتميز وحدات الشاحن التوربيني بخفة وزنها، لكنها توفر تحسينات ملحوظة في القوة وعزم الدوران والكفاءة. ويمكن لتركيب شاحن توربيني أن يرفع نسبة القوة إلى الوزن في محرك الديزل إلى مستوى مماثل لمحرك البنزين، مما يجعل محركات الديزل التوربينية مرغوبة في قطاع السيارات، حيث يسعى المصنعون إلى تحقيق مستويات طاقة وأداء قيادة متقاربة في جميع منتجاتهم، بغض النظر عن نوع وحدة الطاقة المختارة.

• مضخة الحقن
• محركات البنزين المزودة بشاحن توربيني
• شاحن توربيني ذو هندسة متغيرة