ما الفرق بين الشواحن التوربينية الفردية أو المزدوجة أو ذات التمرير المزدوج أو ذات الهندسة المتغيرة أو حتى الشواحن التوربينية الكهربائية؟ ما هي مميزات كل إعداد؟
يتمتع عالم الشواحن التوربينية بتنوع كبير مثل تصميمات المحرك. دعونا نلقي نظرة على الأنماط المختلفة:
1 – توربو واحد
2 – توين تيربو
3 – توربو مزدوج التمرير
4 – توربو الهندسة المتغيرة
5 – توربو مزدوج التمرير متغير
6 – توربو كهربائي
1 – الشواحن التوربينية الفردية
تتمتع الشواحن التوربينية الفردية وحدها بتنوع لا حدود له. سيؤدي اختلاف حجم عجلة الضاغط والتوربين إلى خصائص عزم دوران مختلفة تمامًا. ستوفر التوربينات الكبيرة طاقة عالية الجودة، لكن التوربينات الأصغر حجمًا ستوفر قوة منخفضة أفضل لأنها تدور بشكل أسرع. هناك أيضًا محمل كروي ومحمل توربيني فردي. توفر المحامل الكروية احتكاكًا أقل للضاغط والتوربين أثناء الدوران، وبالتالي تكون أسرع في التخزين المؤقت (مع زيادة التكلفة).
المزايا :
• طريقة فعالة من حيث التكلفة لزيادة قوة المحرك وكفاءته.
• بسيطة، وبشكل عام هي أسهل خيارات الشحن التوربيني للتثبيت.
• يسمح باستخدام محركات أصغر حجمًا لإنتاج نفس الطاقة التي تنتجها المحركات الأكبر حجمًا ذات السحب الطبيعي، والتي يمكنها في كثير من الأحيان إزالة الوزن.
سلبيات :
• تميل التوربينات الفردية إلى أن يكون لها نطاق RPM فعال وضيق إلى حد ما. وهذا يجعل الحجم مشكلة، حيث سيتعين عليك الاختيار بين عزم الدوران الجيد المنخفض أو القوة العالية الأفضل.
• قد لا تكون استجابة التربو سريعة مثل إعدادات التربو البديلة.
2 – توين توربو ( المزدوج )
تمامًا مثل الشواحن التوربينية الفردية ، هناك الكثير من الخيارات عند استخدام شاحنين توربينيين. يمكن أن يكون لديك شاحن توربيني واحد لكل مجموعة أسطوانات (V6، V8، إلخ). وبدلاً من ذلك، يمكن استخدام شاحن توربيني واحد لدورات منخفضة في الدقيقة والتحويل إلى شاحن توربيني أكبر لدورات عالية في الدقيقة (I4، I6، إلخ). يمكن أن يكون لديك أيضًا توربينان متماثلان الحجم حيث يتم استخدام أحدهما عند عدد دورات منخفض في الدقيقة ويستخدم كلاهما عند عدد دورات أعلى في الدقيقة. في سيارتي BMW X5 M وX6 M، يتم استخدام توربينين مزدوجين، واحد على كل جانب من محرك V8.
المزايا
• بالنسبة للشواحن التوربينية المزدوجة المتوازية في المحركات على شكل حرف “V”، فإن المزايا (والعيوب) تشبه إلى حد كبير إعدادات التوربو الفردي.
• بالنسبة للتوربينات المتسلسلة أو استخدام توربو واحد عند عدد دورات منخفض في الدقيقة وكلاهما عند عدد دورات مرتفع في الدقيقة، فإن هذا يسمح بمنحنى عزم دوران أكثر اتساعًا وأكثر استواءً. عزم دوران أفضل عند النهاية المنخفضة، لكن القوة لن تتناقص عند عدد دورات المحرك المرتفع كما هو الحال مع توربو واحد صغير.
السلبيات
• التكلفة والتعقيد، حيث تضاعفت مكونات التوربو تقريبًا.
• هناك طرق أخف وأكثر فعالية لتحقيق نتائج مماثلة (كما هو موضح أدناه).
3 – توربو مزدوج التمرير
تعد الشواحن التوربينية ثنائية التمرير أفضل في كل النواحي تقريبًا من الشواحن التوربينية أحادية التمرير. وباستخدام لفافتين، يتم تقسيم نبضات العادم. على سبيل المثال، في المحركات ذات الأربع أسطوانات (ترتيب الإشعال 1-3-4-2)، قد تتغذى الأسطوانات 1 و4 بلفافة واحدة من التوربو، بينما تتغذى الأسطوانات 2 و3 بلفافة منفصلة. لماذا هذا مفيد؟ لنفترض أن الأسطوانة 1 تنهي شوط قدرتها عندما يقترب المكبس من المركز الميت السفلي، ويبدأ صمام العادم في الفتح.
أثناء حدوث ذلك، تنهي الأسطوانة 2 شوط العادم، وتغلق صمام العادم وتفتح صمام السحب، ولكن هناك بعض التداخل. في مشعب التوربو التقليدي أحادي التمرير، سيتداخل ضغط العادم من الأسطوانة 1 مع سحب الأسطوانة 2 للهواء النقي نظرًا لأن كلا صمامي العادم مفتوحان مؤقتًا، مما يقلل من مقدار الضغط الذي يصل إلى التوربو ويتداخل مع كمية الهواء التي تسحبها الأسطوانة 2. وبتقسيم اللفائف يتم التخلص من هذه المشكلة.
المزايا
• يتم إرسال المزيد من الطاقة إلى توربينات العادم، مما يعني المزيد من الطاقة.
• في هذا النوع من الشواحن التوربينية من الممكن توفير نطاق أوسع لعدد الدورات في الدقيقة من التعزيز الفعال بناءً على تصميمات التمرير المختلفة.
• يمكن زيادة تداخل الصمامات دون إعاقة التخلص من العادم، مما يعني مرونة أكبر في الضبط.
السلبيات
• يتطلب هذا النوع من الشواحن التوربينية تصميمًا محددًا للمحرك وتصميمًا للعادم (على سبيل المثال: I4 وV8 حيث يمكن تغذية أسطوانتين لكل لفافة توربو، على فترات متساوية).
• التكلفة والتعقيد مقابل التوربينات الفردية التقليدية.
4 – الشواحن التوربينية ذو الهندسة المتغيرة (VGT)
ربما يكون VGTs أحد أكثر أشكال الشحن التوربيني استثنائية، وهو محدود الإنتاج (على الرغم من شيوعه إلى حد ما في محركات الديزل) نتيجة للتكلفة ومتطلبات المواد الغريبة. تعمل الريش الداخلية داخل الشاحن التوربيني على تغيير نسبة المساحة إلى نصف القطر (A/R) لتتناسب مع عدد الدورات في الدقيقة. عند عدد دورات منخفض في الدقيقة، يتم استخدام نسبة A/R منخفضة لزيادة سرعة غاز العادم وتجميع الشاحن التوربيني بسرعة. مع ارتفاع عدد الدورات، تزيد نسبة A/R للسماح بزيادة تدفق الهواء. والنتيجة هي تأخر توربو منخفض، وعتبة تعزيز منخفضة، ونطاق عزم دوران واسع وسلس.
المزايا
• منحنى عزم الدوران واسع ومسطح. شحن توربيني فعال في نطاق واسع جدًا من الدورات في الدقيقة.
• يتطلب توربوًا واحدًا فقط، مما يبسط إعداد التوربو المتسلسل إلى شيء أكثر إحكاما.
السلبيات
• يُستخدم عادةً فقط في تطبيقات الديزل حيث تكون غازات العادم أقل حتى لا تتضرر الريش بسبب الحرارة.
• بالنسبة لتطبيقات البنزين، عادةً ما تمنعها التكلفة نظرًا لأنه يجب استخدام معادن غريبة من أجل الحفاظ على الموثوقية. تم استخدام هذه التقنية في بورشه 997، على الرغم من وجود عدد قليل جدًا من محركات البنزين VGT نتيجة للتكلفة المرتبطة بها.
5 – الشواحن التوربينية متغيرة التمرير المزدوج
هل يمكن أن يكون الشاحن التوربيني متغير التمرير المزدوج هذا هو الحل الذي كنا ننتظره؟ في معرض SEMA ، كان اللافت عند جناح BorgWarner رؤية أحدث ما توصلت إليه تقنية الشحن التوربيني، ومن بين المفاهيم التوربو المزدوج المتغير كما هو موضح في الفيديو أعلاه.
المزايا
• أرخص بكثير (من الناحية النظرية) من VGTs، مما يجعل حالة مقبولة للشحن التوربيني للبنزين.
• يسمح بمنحنى عزم دوران مسطح وواسع.
• أكثر قوة في التصميم مقارنة بـ VGT، اعتمادًا على اختيار المواد.
السلبيات
• التكلفة والتعقيد مقابل استخدام توربو واحد أو التمرير المزدوج التقليدي.
• لقد تم استخدام هذه التكنولوجيا من قبل (على سبيل المثال: صمام التخزين المؤقت السريع) ولكن لا يبدو أنها تنتشر في عالم الإنتاج. من المحتمل أن تكون هناك تحديات إضافية مع التكنولوجيا.
6 – الشواحن التوربينية الكهربائية
تعد تقنية الشواحن التوربينية الكهربائية الحاصلة على براءة اختراع من Aeristech تقنية تمكينية جديدة ستساعد مصنعي السيارات على تلبية تشريعات الانبعاثات المستقبلية الصارمة مع توفير استجابة ممتازة في جميع أنحاء نطاق تشغيل المحرك، حتى عند انخفاض عدد دورات المحرك في الدقيقة وسرعة السيارة. يعد FETT هو الحل الأمثل لتقليص حجم المحرك بشكل كبير وتحسين كفاءة المحرك باستخدام شاحن توربيني أحادي المرحلة. إن إضافة محرك كهربائي قوي إلى المزيج يزيل جميع عيوب الشاحن التوربيني تقريبًا.
المزايا
• من خلال توصيل محرك كهربائي مباشرة بعجلة الضاغط، يمكن التخلص فعليًا من تأخر التوربو وغازات العادم غير الكافية عن طريق تدوير الضاغط بالطاقة الكهربائية عند الحاجة.
• ومن خلال توصيل محرك كهربائي بتوربينة العادم، يمكن استعادة الطاقة المهدرة (كما هو الحال في الفورمولا 1).
• نطاق RPM فعال وواسع جدًا مع عزم دوران متساوٍ طوال الوقت.
السلبيات
• التكلفة والتعقيد، حيث يجب عليك الآن مراعاة المحرك الكهربائي والتأكد من بقائه باردًا لمنع مشكلات الموثوقية. وهذا ينطبق على وحدات التحكم المضافة أيضًا.
• أصبحت التعبئة والتغليف والوزن مشكلة، خاصة مع إضافة بطارية على متن السيارة، والتي ستكون ضرورية لتزويد التوربو بالطاقة الكافية عند الحاجة.
• يمكن أن تقدم VGTs أو اللفائف المزدوجة فوائد مشابهة جدًا (ولكن ليس على نفس المستوى تمامًا) بتكلفة أقل بكثير.