توربو شارژر (Turbocharger) چگونه کار می کند؟

معادل نام توربو شارژ در فارسی پرخوران است که با هدف طراحی موتورهای سبک تر با حجم کمتر و در عین حال قدرتمند تر و با راندمان بالاتر اختراع شد. در نظر بگیرید که یک خودرو در دنده چهار در حال حرکت در یک جاده مسطح با سرعتی حدود 70 کیلومتر در ساعت است؛ دور موتور در این وضعیت حدود 2000 دور در دقیقه بوده و در این وضعیت میل لنگ در هر ثانیه حدود 34 دور می چرخد.  از آنجا که در حال بحث در خصوص موتورهای چهار زمانه هستیم و دور میل سوپاپ نصف دور میل لنگ است و یا به عبارتی دیگر سرعت چرخش میل سوپاپ نصف سرعت چرخش میل لنگ است لذا سوپاپ دود در هر ثانیه حدود 17 بار باز و بسته می شود. با توجه به اینکه هوا در اثر خلا نسبی که در اثر پائین رفتن پیستون در سیلندر، وارد سیلندر می شود لذا راندمان موتور مناسب است زیرا هوا به مقدار مناسب وارد سیلندر می شود.

حال اگر راننده قصد افزایش سرعت خودرو را داشته باشد، می بایست پدال گاز را فشار دهد، چنانچه دور موتور به حدود 4500 دور در دقیقه افزایش یابد، میل لنگ در ثانیه 75 دور خواهد چرخید، در این حالت سوپاپ هوا حدود 38 بار در هر ثانیه باز و بسته می شود، در این حالت سرعت باز و بسته شدن سوپاپ های هوا آنقدر زیاد است که هوا نمی تواند به اندازه کافی و به مقدار مورد نیاز وارد سیلندر شود و در این حالت راندمان موتور به شدت کاهش می یابد. به عبارت دیگر مشکلی که در این دور موجب کاهش کارائی موتور می شود، کاهش حجم هوای ورودی به داخل سیلندر است؛ در واقع می توان با افزایش فشار سوخت و افزایش زمان پاشش سوخت، سوخت بیشتری وارد سیلندر نمود ولی افزایش میزان هوای ورودی به داخل سیلندر کار بسیار مشکل و دشواری است.

سیستم توربوشارژر در واقع این کار را انجام می دهد و هوا علاوه بر اینکه در اثر خلاء نسبی به داخل سیلندر راه پیدا می کند، بوسیله سیستم توربوشارژر نیز به داخل سیلندر تزریق می شود و همانطور که با اعداد و ارقام نشان داده شد، این کار صرفا لازم است در دورهای بالا انجام شود؛ به عبارت دیگر سیستم توربوشارژر در دورهای پائین به کار گرفته نشده بلکه در دورهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

برای متراکم کردن هوای ورودی به داخل سیلندر نیاز به صرف انرژی بالائی است زیرا مطابق قوانین فیزیک متراکم نمودن یک گاز کار بسیار سختی است و نیاز به انرژی بالائی دارد و برای انجام این کار باید مقداری از انرژی و گشتاور تولید شده توسط موتور را صرف عملیات تراکم هوا و هدایت آن به داخل سیلندر کرد.

طراح سیستم توربوشارژر برای انجام این کار از انرژی نهفته در گازهای خروجی اگزوز استفاده کرده است، به عبارت دیگر در سیستم توربوشارژر از انرژی گرمائی خروجی موتور استفاده شده است که از اگزوز خودرو خارج شده و تلف می گردد. بدین منظور یک پره در مسیر گازهای خروجی اگزوز قرار گرفته و جریان خروجی اگزوز که دارای انرژی بسیار بالائی است، این پره را می چرخاند، نام این پره توربین است، شفت متصل به این پره(توربین) با پره دیگری متصل است که در مسیر هوای ورودی به داخل موتور قرار گرفته است، این پره کمپرسور نام دارد. در دورهای پائین، انرژی موجود در گازهای خروجی و سرعت خروج گازهای سوخته شده در اثر احتراق زیاد نیست ولی با این حال پره های توربین را می چرخاند و این چرخش توسط شفت متصل به آن به کمپرسور منتقل می شود اما سرعت چرخش آن در حدی نیست که تغییر محسوسی در روند ورود هوا به داخل سیلندر ایجاد کند. 

در این حالت (دور موتور پائین)، توربین و کمپرسور می چرخند ولی عملا تاثیری در افزایش راندمان حجم ورودی هوا به داخل سیلندر ندارند، وقتی دور موتور بالا می رود، انرژی حاصل از خروج گازهای حاصل از احتراق به میزان چشم گیری افزایش می یابد، این انرژی به پره هائی که در مسیر اگزوز وجود دارد منتقل شده و آنرا به سرعت تحت تاثیر قرار می دهد و در نهایت موجب چرخش کمپرسور می شود. سرعت بسیار زیاد کمپرسور که در مسیر هوای ورودی به موتور قرار دارد، موجب فشرده شدن هوا شده و این هوای فشرده شده به داخل سیلندر تزریق می شود، همانطوری که قبلا نیز اشاره شد در دور بالای موتور، سرعت باز و بست شدن سوپاپ های هوا آنقدر زیاد است که در موتورهائی که فاقد سیستم توربوشارژر هستند فرصت کمی برای ورود هوا به داخل سیلندر در اثر ایجاد خلاء نسبی وجود دارد؛  ولی در موتورهائی که دارای سیستم توربوشارژر هستند، از آنجا که هوای فشرده شده در پشت سوپاپ هوا وجود دارد، به محض اینکه سوپاپ باز می شود، هوا با فشار بالا به داخل سیلندر تزریق می شود، سیستم پاشش این نوع موتورها DGI و یا پاشش مستقیم نام دارد و بنزین با فشار بالا به داخل سیلندر تزریق می شود. میزان فشار بنزین در ریل سوخت در موتورهای فاقد سیستم توربوشارژر حدود 3.5 بار است ولی میزان فشار سوخت در ریل سوخت در موتورهائی که مجهز به سیستم توربوشارژر هستند، تا حدود 80 بار و بالاتر هم نیز می رسد، به سادگی می توان تفاوت میزان هوای موجود در سیلندر را در یک موتور مجهز به توربوشارژر و یک موتور فاقد سیستم توربوشارژر احساس نمود.