شاحن توربيني

في محرك الاحتراق الداخلي ، الشاحن التوربيني (المعروف أيضًا باسم التوربو أو الشاحن التوربيني الفائق ) هو جهاز تحريض قسري يعمل بتدفق غازات العادم. يستخدم هذه الطاقة لضغط هواء السحب، مما يجبر المزيد من الهواء على دخول المحرك لإنتاج المزيد من الطاقة لإزاحة معينة . [ ^{1] [2]}

التصنيف الحالي هو أن الشاحن التوربيني يعمل بالطاقة الحركية لغازات العادم، في حين يعمل الشاحن الفائق ميكانيكيًا (عادةً بواسطة حزام من العمود المرفقي للمحرك). ^[3] ومع ذلك، حتى منتصف القرن العشرين، كان الشاحن التوربيني يسمى "شاحن توربيني فائق" وكان يُعتبر نوعًا من الشواحن الفائقة. ^[4]

قبل اختراع الشاحن التوربيني، كان الحث القسري ممكنًا فقط باستخدام الشواحن الفائقة التي تعمل بالطاقة الميكانيكية . بدأ استخدام الشواحن الفائقة في عام 1878، عندما تم بناء العديد من محركات الغاز ثنائية الشوط ذات الشحن الفائق باستخدام تصميم المهندس الاسكتلندي دوجالد كليرك . ^[5] ثم في عام 1885، حصل جوتليب دايملر على براءة اختراع لتقنية استخدام مضخة تعمل بالتروس لدفع الهواء إلى محرك احتراق داخلي. ^[6]

غالبًا ما تُعتبر براءة اختراع عام 1905 التي حصل عليها ألفريد بوتشي ، وهو مهندس سويسري يعمل في شركة سولزر، بمثابة ولادة الشاحن التوربيني. ^{[7] [8] [9] كانت هذه البراءة} لمحرك شعاعي مركب مع توربين تدفق محوري مدفوع بالعادم وضاغط مثبت على عمود مشترك. ^{[10] [11]} تم الانتهاء من النموذج الأولي الأول في عام 1915 بهدف التغلب على فقدان الطاقة الذي تعاني منه محركات الطائرات بسبب انخفاض كثافة الهواء على ارتفاعات عالية. ^{[12] [13]} ومع ذلك، لم يكن النموذج الأولي موثوقًا به ولم يصل إلى مرحلة الإنتاج. ^[12] تم تقديم براءة اختراع مبكرة أخرى للشواحن التوربينية في عام 1916 من قبل مخترع التوربينات البخارية الفرنسي أوغست راتو ، لاستخدامها المقصود في محركات رينو التي تستخدمها الطائرات المقاتلة الفرنسية. ^{[10] [14]} بشكل منفصل، أظهرت الاختبارات التي أجرتها اللجنة الاستشارية الوطنية للملاحة الجوية (NACA) وسانفورد ألكسندر موس في عام 1917 أن الشاحن التوربيني يمكن أن يمكّن المحرك من تجنب أي فقدان للطاقة (مقارنة بالطاقة المنتجة عند مستوى سطح البحر) على ارتفاع يصل إلى 4250 مترًا (13944 قدمًا) فوق مستوى سطح البحر. ^[10] تم إجراء الاختبار في بايكس بيك في الولايات المتحدة باستخدام محرك الطائرات Liberty L-12 . ^[14]

كان أول تطبيق تجاري لشاحن توربيني في يونيو 1924 عندما تم تسليم أول شاحن توربيني عالي التحمل، طراز VT402، من مصانع بادن التابعة لشركة Brown, Boveri & Cie ، تحت إشراف ألفريد بوتشي، إلى SLM، Swiss Locomotive and Machine Works في فينترتور. ^[15] تبع ذلك عن كثب في عام 1925، عندما نجح ألفريد بوتشي في تركيب شواحن توربينية على محركات ديزل ذات عشر أسطوانات، مما أدى إلى زيادة خرج الطاقة من 1300 إلى 1860 كيلووات (1750 إلى 2500 حصان). ^{[16] [17] [18]} تم استخدام هذا المحرك من قبل وزارة النقل الألمانية لسفينتي ركاب كبيرتين تسمى Preussen و Hansestadt Danzig . تم ترخيص التصميم للعديد من الشركات المصنعة وبدأ استخدام الشواحن التوربينية في التطبيقات البحرية وعربات السكك الحديدية والتطبيقات الثابتة الكبيرة. ^[13]

تم استخدام الشواحن التوربينية في العديد من محركات الطائرات خلال الحرب العالمية الثانية، بدءًا من طائرة بوينج بي-17 فلاينج فورتريس في عام 1938، والتي استخدمت الشواحن التوربينية التي أنتجتها شركة جنرال إلكتريك. ^{[10] [19]} وشملت الطائرات الأخرى المبكرة ذات الشواحن التوربينية Consolidated B-24 Liberator و Lockheed P-38 Lightning و Republic P-47 Thunderbolt والمتغيرات التجريبية لـ Focke-Wulf Fw 190 .

تم تحقيق أول تطبيق عملي للشاحنات بواسطة شركة تصنيع الشاحنات السويسرية Saurer في ثلاثينيات القرن العشرين. تم تصنيع محركات BXD و BZD بشاحن توربيني اختياري من عام 1931 فصاعدًا. ^[20] لعبت الصناعة السويسرية دورًا رائدًا بمحركات الشحن التوربيني كما شهدت شركة Sulzer، Saurer و Brown، Boveri & Cie . ^{[21] [22]}

بدأت شركات تصنيع السيارات في إجراء أبحاث حول المحركات ذات الشحن التوربيني خلال الخمسينيات من القرن العشرين، إلا أن مشاكل "تأخر الشحن التوربيني" والحجم الضخم للشاحن التوربيني لم يكن من الممكن حلها في ذلك الوقت. ^{[8] [13] كانت أولى السيارات ذات الشحن التوربيني هي} شيفروليه كورفير مونزا قصيرة العمر وأولدزموبيل جيت فاير ، وكلاهما تم تقديمهما في عام 1962. ^{[23] [24]} بدأ التبني الأكبر للشحن التوربيني في سيارات الركاب في الثمانينيات، كوسيلة لزيادة أداء المحركات ذات الإزاحة الأصغر . ^[10]

مثل أجهزة الحث القسري الأخرى، يضغط الضاغط الموجود في الشاحن التوربيني على هواء السحب قبل دخوله إلى مشعب السحب . ^[25] في حالة الشاحن التوربيني، يتم تشغيل الضاغط بواسطة الطاقة الحركية لغازات عادم المحرك، والتي يتم استخراجها بواسطة توربين الشاحن التوربيني . ^{[26] [27]}

المكونات الرئيسية للشاحن التوربيني هي:

• التوربينات – عادةً ما تكون عبارة عن تصميم توربيني شعاعي
• الضاغط - عادة ما يكون ضاغط طرد مركزي
• مجموعة محورية دوارة لمركز الإسكان

إن قسم التوربين (يُطلق عليه أيضًا "الجانب الساخن" أو "جانب العادم" للتوربو) هو المكان الذي يتم فيه إنتاج القوة الدورانية، وذلك لتشغيل الضاغط (عبر عمود دوار يمر عبر مركز التوربو). وبعد أن يقوم العادم بتدوير التوربين، فإنه يستمر في أنابيب العادم ويخرج من السيارة.

تستخدم التوربينات سلسلة من الشفرات لتحويل الطاقة الحركية من تدفق غازات العادم إلى طاقة ميكانيكية لعمود دوار (يستخدم لتشغيل قسم الضاغط). توجه أغلفة التوربينات تدفق الغاز عبر قسم التوربينات، ويمكن للتوربين نفسه أن يدور بسرعات تصل إلى 250000 دورة في الدقيقة. ^{[28] [29]} تتوفر بعض تصميمات الشاحن التوربيني مع خيارات متعددة لأغلفة التوربينات، مما يسمح باختيار الغلاف الذي يناسب خصائص المحرك ومتطلبات الأداء بشكل أفضل.

يرتبط أداء الشاحن التوربيني ارتباطًا وثيقًا بحجمه، ^[30] والأحجام النسبية لعجلة التوربين وعجلة الضاغط. تتطلب التوربينات الكبيرة عادةً معدلات تدفق غاز العادم أعلى، وبالتالي زيادة تأخر التوربين وزيادة عتبة التعزيز. يمكن للتوربينات الصغيرة إنتاج التعزيز بسرعة وبمعدلات تدفق أقل، نظرًا لأنها تتمتع بقصور ذاتي دوراني أقل، ولكنها يمكن أن تكون عاملًا مقيدًا في ذروة الطاقة التي ينتجها المحرك. ^{[31] [32]} غالبًا ما تهدف التقنيات المختلفة، كما هو موضح في الأقسام التالية، إلى الجمع بين فوائد كل من التوربينات الصغيرة والتوربينات الكبيرة.

غالبًا ما تستخدم محركات الديزل الكبيرة توربينًا محوريًا أحادي المرحلة بدلاً من التوربين الشعاعي. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يستخدم الشاحن التوربيني ثنائي التمرير مدخلين منفصلين لغاز العادم، للاستفادة من النبضات في تدفق غازات العادم من كل أسطوانة. ^[33] في الشاحن التوربيني القياسي (بتمريرة واحدة)، يتم دمج غاز العادم من جميع الأسطوانات ويدخل الشاحن التوربيني عبر مدخل واحد، مما يتسبب في تداخل نبضات الغاز من كل أسطوانة مع بعضها البعض. بالنسبة للشاحن التوربيني ثنائي التمرير، يتم تقسيم الأسطوانات إلى مجموعتين من أجل تعظيم النبضات. يحافظ مشعب العادم على فصل الغازات من هاتين المجموعتين من الأسطوانات، ثم تنتقل عبر غرفتين حلزونيتين منفصلتين ("تمريرات") قبل الدخول إلى غلاف التوربين عبر فوهتين منفصلتين. يعمل تأثير التنظيف لهذه النبضات الغازية على استعادة المزيد من الطاقة من غازات العادم، ويقلل من الخسائر العكسية الطفيلية ويحسن الاستجابة عند سرعات المحرك المنخفضة. ^{[34] [35]}

من السمات المشتركة الأخرى لشواحن التوربينات ذات التمرير المزدوج أن الفوهتين لهما أحجام مختلفة: يتم تثبيت الفوهة الأصغر بزاوية أكثر انحدارًا وتستخدم للاستجابة لعدد الدورات في الدقيقة المنخفض، بينما تكون الفوهة الأكبر أقل زاوية ومُحسّنة للأوقات التي تتطلب مخرجات عالية. ^[36]

• 
  منظر مقطوع يظهر مخطوطتين من مخطوطة ميتسوبيشي المزدوجة (المخطوطة الأكبر مضاءة باللون الأحمر)
• 
  مشعب عادم شفاف ومدحرجات توربينية على محرك Hyundai Gamma ، يظهر الأسطوانات المزدوجة (1 و4 و2 و3)

تُستخدم الشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة (المعروفة أيضًا باسم الشواحن التوربينية ذات الفوهة المتغيرة ) لتغيير نسبة العرض إلى الارتفاع الفعالة للشاحن التوربيني مع تغير ظروف التشغيل. يتم ذلك باستخدام ريش قابلة للتعديل تقع داخل غلاف التوربين بين المدخل والتوربين، مما يؤثر على تدفق الغازات نحو التوربين. تستخدم بعض الشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة محركًا كهربائيًا دوارًا لفتح وإغلاق الريش، ^[37] بينما يستخدم البعض الآخر محركًا هوائيًا .

إذا كانت نسبة أبعاد التوربين كبيرة جدًا، فسيفشل التوربين في إنشاء دفعة عند السرعات المنخفضة؛ إذا كانت نسبة الأبعاد صغيرة جدًا، فسيخنق التوربين المحرك عند السرعات العالية، مما يؤدي إلى ضغوط عالية لمشعب العادم، وخسائر ضخ عالية، وفي النهاية انخفاض ناتج الطاقة. من خلال تغيير هندسة غلاف التوربين مع تسارع المحرك، يمكن الحفاظ على نسبة أبعاد التوربين عند أقصى حد لها. وبسبب هذا، غالبًا ما يكون للشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة تأخر أقل، وعتبة تعزيز أقل، وكفاءة أكبر عند سرعات المحرك العالية. ^{[30] [31]} تتمثل فائدة الشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة في أن نسبة الأبعاد المثلى عند سرعات المحرك المنخفضة تختلف كثيرًا عن تلك الموجودة عند سرعات المحرك العالية.

يجمع الشاحن التوربيني الكهربائي بين توربين تقليدي يعمل بالعادم ومحرك كهربائي، وذلك لتقليل تأخر التوربيني. ويختلف هذا عن الشاحن الفائق الكهربائي ، الذي يستخدم محركًا كهربائيًا فقط لتشغيل الضاغط.

يقوم الضاغط بسحب الهواء الخارجي من خلال نظام سحب المحرك، ثم يقوم بضغطه، ثم يقوم بتزويده إلى حجرات الاحتراق (عبر مشعب السحب ). يتكون قسم الضاغط في الشاحن التوربيني من مروحة وناشر وغطاء حلزوني. يتم وصف خصائص تشغيل الضاغط بواسطة خريطة الضاغط .

تستخدم بعض الشواحن التوربينية "غلافًا مفتوحًا"، حيث تسمح حلقة من الثقوب أو الأخاديد الدائرية للهواء بالتسرب حول شفرات الضاغط. يمكن أن تتمتع تصميمات الغلاف المفتوح بمقاومة أكبر لارتفاع ضغط الضاغط ويمكنها تحسين كفاءة عجلة الضاغط. ^{[38] [39]}

تحتوي مجموعة الدوران المركزية (CHRA) على العمود الذي يربط التوربين بالضاغط. يمكن أن يساعد العمود الأخف وزنًا في تقليل تأخر التوربين. ^[40] تحتوي CHRA أيضًا على محمل للسماح لهذا العمود بالدوران بسرعات عالية مع الحد الأدنى من الاحتكاك.

يتم تبريد بعض محركات الشاحن التوربيني بالماء وتحتوي على أنابيب لتدفق سائل تبريد المحرك من خلالها. أحد أسباب تبريد الماء هو حماية زيت التشحيم الخاص بالشاحن التوربيني من ارتفاع درجة الحرارة.

أبسط نوع من الشواحن التوربينية هو الشاحن التوربيني العائم الحر . ^[41] سيكون هذا النظام قادرًا على تحقيق أقصى قدر من التعزيز عند أقصى عدد دورات للمحرك وبسرعة كاملة، ومع ذلك، هناك حاجة إلى مكونات إضافية لإنتاج محرك يمكن قيادته في مجموعة من ظروف الحمل وعدد الدورات في الدقيقة. ^[41]

المكونات الإضافية التي تستخدم عادة مع الشواحن التوربينية هي:

• مبرد متوسط ​​- مبرد يستخدم لتبريد هواء السحب بعد أن يتم ضغطه بواسطة الشاحن التوربيني ^[42]
• حقن الماء - رش الماء في غرفة الاحتراق، من أجل تبريد هواء السحب ^[43]
• بوابة العادم - العديد من الشواحن التوربينية قادرة على إنتاج ضغوط تعزيز في بعض الظروف أعلى مما يمكن للمحرك أن يتحمله بأمان، لذلك غالبًا ما يتم استخدام بوابة العادم للحد من كمية غازات العادم التي تدخل التوربين
• صمام النفخ - لمنع توقف الضاغط عند إغلاق الخانق

يحتاج هذا القسم إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة عن طريق إضافة مصادر موثوقة في هذا القسم. قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. ( يونيو 2022 ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

يشير تأخر التوربو إلى التأخير - عندما تكون سرعة دوران المحرك ضمن نطاق تشغيل الشاحن التوربيني - والذي يحدث بين الضغط على دواسة الوقود وتشغيل الشاحن التوربيني لتوفير ضغط التعزيز. ^{[44] [45]} يرجع هذا التأخير إلى زيادة تدفق غاز العادم (بعد فتح دواسة الوقود فجأة) والذي يستغرق وقتًا لتدوير التوربين إلى سرعات يتم فيها إنتاج التعزيز. ^[46] يتمثل تأثير تأخر التوربو في تقليل استجابة الخانق ، في شكل تأخير في توصيل الطاقة. ^[47] لا تعاني الشواحن الفائقة من تأخر التوربو لأن آلية الضاغط يتم تشغيلها مباشرة بواسطة المحرك.

تتضمن طرق تقليل تأخر التوربو ما يلي: ^{[ بحاجة لمصدر ]}

• خفض عزم الدوران لشاحن التوربيني عن طريق استخدام أجزاء ذات نصف قطر أقل ومواد سيراميكية ومواد أخرى أخف وزناً
• تغيير نسبة أبعاد التوربين (نسبة A/R)
• زيادة ضغط الهواء في الطابق العلوي (تفريغ الضاغط) وتحسين استجابة بوابة النفايات
• تقليل خسائر الاحتكاك للمحمل، على سبيل المثال، استخدام محمل رقائقي بدلاً من محمل زيتي تقليدي
• استخدام الشواحن التوربينية ذات الفوهة المتغيرة أو الشواحن التوربينية ذات التمرير المزدوج
• تقليل حجم أنابيب الطابق العلوي
• استخدام شواحن توربينية متعددة بشكل متسلسل أو متوازي
• استخدام نظام مضاد للتأخير
• استخدام صمام بكرة الشاحن التوربيني لزيادة سرعة تدفق غاز العادم إلى التوربين (الملف المزدوج)
• استخدام صمام الفراشة لدفع غاز العادم عبر ممر أصغر في مدخل التوربو
• الشواحن التوربينية الكهربائية ^[48] والشواحن التوربينية الهجينة .

هناك ظاهرة مماثلة غالبًا ما يتم الخلط بينها وبين تأخر التوربو، وهي عتبة التعزيز . حيث تكون سرعة المحرك (دورة في الدقيقة) حاليًا أقل من نطاق تشغيل نظام الشاحن التوربيني، وبالتالي يكون المحرك غير قادر على إنتاج دفعة كبيرة. عند دورات في الدقيقة منخفضة، لا يتمكن معدل تدفق غاز العادم من تدوير التوربين بشكل كافٍ.

يؤدي عتبة التعزيز إلى تأخيرات في توصيل الطاقة عند دورات في الدقيقة المنخفضة (نظرًا لأن المحرك غير المعزز يجب أن يسرع السيارة لزيادة الدورات في الدقيقة فوق عتبة التعزيز)، بينما يؤدي تأخر التوربو إلى تأخير في توصيل الطاقة عند دورات في الدقيقة الأعلى.

تستخدم بعض المحركات شواحن توربينية متعددة، عادةً لتقليل تأخر التوربو، أو زيادة نطاق الدورات في الدقيقة حيث يتم إنتاج التعزيز، أو تبسيط تصميم نظام السحب/العادم. الترتيب الأكثر شيوعًا هو الشواحن التوربينية المزدوجة، ومع ذلك، فقد تم استخدام ترتيبات التوربو الثلاثي أو الرباعي أحيانًا في السيارات الإنتاجية.

الفرق الرئيسي بين الشاحن التوربيني والشاحن الفائق هو أن الشاحن الفائق يتم تشغيله ميكانيكيًا بواسطة المحرك (غالبًا من خلال حزام متصل بعمود المرفق ) بينما يتم تشغيل الشاحن التوربيني بواسطة الطاقة الحركية لغاز عادم المحرك . ^[49] لا يضع الشاحن التوربيني حملاً ميكانيكيًا مباشرًا على المحرك، على الرغم من أن الشواحن التوربينية تضع ضغطًا خلفيًا للعادم على المحركات، مما يزيد من خسائر الضخ. ^[49]

تُستخدم المحركات فائقة الشحن بشكل شائع في التطبيقات التي يكون فيها استجابة الخانق مصدر قلق رئيسي، كما أن المحركات فائقة الشحن أقل عرضة لتسخين هواء السحب.

يمكن أن يؤدي الجمع بين شاحن توربيني يعمل بالعادم وشاحن فائق يعمل بالمحرك إلى التخفيف من نقاط ضعف كليهما. ^[50] تسمى هذه التقنية بالشحن المزدوج .

تم استخدام الشواحن التوربينية في التطبيقات التالية:

• محركات السيارات التي تعمل بالبنزين
• محركات السيارات والشاحنات التي تعمل بالديزل
• محركات الدراجات النارية (نادراً جداً)
• محركات الشاحنات التي تعمل بالديزل ، بدءًا بشاحنة Saurer في عام 1938 ^[51]
• محركات الديزل للحافلات والمدربين
• محركات المكبس للطائرات
• محركات بحرية
• محركات قاطرة وديزل متعددة الوحدات للقطارات
• المحركات الثابتة/الصناعية

في عام 2017، كانت 27% من المركبات المباعة في الولايات المتحدة مزودة بشاحن توربيني. ^[52] وفي أوروبا، كانت 67% من جميع المركبات مزودة بشاحن توربيني في عام 2014. ^[53] تاريخيًا، كان أكثر من 90% من الشواحن التوربينية تعمل بالديزل، ومع ذلك، فإن التبني في محركات البنزين آخذ في الازدياد. ^[54] الشركات التي تصنع معظم الشواحن التوربينية في أوروبا والولايات المتحدة هي Garrett Motion (المعروفة سابقًا باسم Honeywell) و BorgWarner و Mitsubishi Turbocharger . ^{[2] [55] [56]}

يعد فشل الشاحن التوربيني وارتفاع درجات حرارة العادم الناتجة عنه من بين أسباب حرائق السيارات. ^[57]

يؤدي فشل الأختام إلى تسرب الزيت إلى الأسطوانات مما يتسبب في ظهور دخان أزرق رمادي. في محركات الديزل، يمكن أن يؤدي هذا إلى زيادة السرعة، وهي الحالة المعروفة باسم هروب محرك الديزل .

• مقياس التعزيز
• تقليص حجم المحرك
• شحن ضغط نبض العادم
• محرك توربيني ساخن على شكل حرف V