سوپر شارژر Supercharger

سوپر شارژر به اصطلاح عامه سوپر و یا دمنده ، اولین سیستم تقویت تنفس و افزایش حجم هوای ورودی به موتور و در نتیجه افزاینده راندمان موتور می باشد.

همانگونه که می دانید در یک موتور احتراق داخلی چهار مرحله ای ( سیکل چهار زمانه ) ، مرحله اول این سیکل ها مکش هوا می باشد . طی این مرحله برای مکش هوا فرایندهای زیر اتفاق می افتد:

پیستون پایین می آید، (2) خلاء ایجاد می شود، (3) هوا تحت تاثیر این اختلاف فشار بین سیلندر و محیط با سرعت بسیار زیاد وارد سیلندر می شود.

در موتور های بنزینی هنگامی که هوا وارد موتور می شود، قبل از ورود به مانیفلد هوا در موتورهای کاربوراتی ، در حین ورود به مانیفلد هوا در موتورهای انژکتوری تک نقطه ای  و یا پس از ورود به مانیفلد و در گلوگاههای ورودی به هر سیلندر در موتورهای پاشش چند نقطه ای با سوخت ترکیب شده ، مخلوط انفجار شکل می گیرد. مخلوط انفجار پس از متراکم شدن و جرقه شمع مشتعل شده و تولید انرژی مکانیکی ( جنبشی ) می نماید. نیروی حاصل از مشتعل شدن مخلوط انفجار که در بخش بالایی سیلندر متمرکز شده است، پس از پرتاب پیستون به سمت پایین، نیروی محرکه ایجاد شده را به میل لنگ منتقل می نماید این نیرو از طریق سیستم انتقال قدرت که در مباحث پیشین توضیح داده شده نهایتا به چرخ ها منتقل می گردد.

 

با تزریق سوخت بیشتر به داخل سیلندر، شدت انفجار و در پی آن قدرت موتور افزایش می یابد اما باید توجه داشت که بدلیل نیاز سوخت به هوا ( اکسیژن ) جهت محترق شدن ، پمپ کردن سوخت به داخل سیلندر با محدودیت مواجه خواهد شد؛ زیرا طبق اصول شیمیایی مندرج در کتاب های درسی، به ازای هر واحد سوخت تقریبا 14 واحد هوا نیاز است. بنابراین، تزریق سوخت بیشتر به تزریق اکسیژن بیشتر نیاز خواهد داشت تا بتوان حداکثر راندمان را از مقدار سوخت تزریقی به دست آورد. اولین وسیله ای که جهت رفع این محدودیت به ذهن طراحان موتور خطور کرد استفاده از ابزاری بنام سوپرشارژر بوده است.

سوپرشارژر در حقیقت یک کمپرسور هوا است که برای افزایش فشار، و وزن حجمی ( چگالی) هوای ورودی به موتور احتراق داخلی مورد استفاده قرار می گیرد. سوپرشارژر با مکش و فشرده سازی هوا تا فشار بالاتر از فشار اتمسفر، حجم هوای ورودی به موتور در مرحله مکش را فارغ از میزان خلاء ایجاد شده توسط پیستون بالا برده و هوای بیشتری را وارد سیلندر موتور می کند. بنابراین، با وجود هوای بیشتر، سوخت بیشتری نیز به داخل سیلندر تزریق می شود و در نتیجه قدرت موتور افزایش پیدا می کند. ذکر این نکته نیز لازم است که حتی اگر همان مقدار اولیه سوخت نیز تزریق گردد با توجه به تامین اکسیژن کافی توسط سوپرشارژر ، احتراق بویژه در دورهای بالای موتور کامل تر از قبل صورت گرفته و در نتیجه ضمن افزایش قدرت موتور،  راندمان موتور افزایش خواهد یافت.

 جهت راه اندازی و به حرکت در آوردن سوپرشارژر معمولاً مانند کمپرسور کولر و سایر لوازم جانبی نصب شده روی موتور بسته به نوع طراحی و سازنده از تسمه، چرخ دنده، یا زنجیر متصل به میل بادامک استفاده می شود. همانگونه که می دانید امکان استفاده از گازهای خروجی موتور جهت راه اندازی و تحریک سیستم تقویت هوای ورودی ، بدون نیاز به ادوات فوق الذکر در موتورهای امروزی مهیا شده که از چنین سوپرشارژری تحت عنوان توربو شارژر یاد می شود. طبق داده های سازندگان معتبر موتور ، استفاده از سوپرشارژر به طور متوسط 15% و استفاده از توربوشارژرها حدود 30% به قدرت موتور اضافه می کند. ( سوپرشارژرها می توانند از 7 تا 30 درصد و توربوشارژر از 15 تا 41 درصد بسته به نوع طراحی و نوع افتر کولر مورد استفاده راندمان موتور را افزایش دهند. )

برخلاف توربو شارژر که از گازهای خروجی اگزوز برای به حرکت در آوردن توربین داخلی و در نتیجه کمپرسور هوا استفاده می کند، سوپرشارژر نیروی محرکه خود را مستقیماً از موتور دریافت می کند. به عبارت بهتر، تفاوت سوپرشارژر نسبت به توربو شارژر در این است که چون نیروی محرکه به طور مستقیم از موتور خودرو دریافت می شود، بنابراین بخشی از نیروی موتور جهت تحریک این سیتم مصرف خواهد شد.

 سوپرشارژرها انواع مختلفی دارند که از جمله مهم ترین آن ها می توان به روتز (Roots)، دوپیچی یا هلیکسی (Twin-Screw)، و سانتریفیوژی (Centrifugal) اشاره کرد. اختلاف اصلی در این نوع سوپرشارژرها صرفاً در چگونگی تزریق هوای فشرده به داخل مانیفلد موتور خودرو است. در سوپرشارژرهای روتز و دوپیچی، از لب های هادی(Meshing Lobes) برای هدایت جریان هوا به داخل موتور استفاده شده است، درحالی که این وظیفه در سوپرشارژرهای سانتریفیوژی بر عهده یک پروانه (Impeller) است. اگرچه همه این سوپرشارژرها هوای فشرده تأمین می کنند، اما عملکرد و راندمان آن ها با هم فرق می کند. طبق آن چه در منابع آمده است، این نوع سوپرشارژرها بسته به این که چه کاربردی از آن ها انتظار خواهید داشت، در اندازه های مختلفی موجود هستند؛ مثلاً اندازه سوپرشارژری که برای افزایش راندمان و بهبود عملکرد موتور ماشین معمولی به کار می رود با آن چه برای خودروهای مسابقه ای مورد استفاده قرار می گیرد، متفاوت است. در ادامه، به اختصار به چگونگی عملکرد هر یک از این موارد پرداخته می شود.

 

سوپرشارژر روتز (Roots)

در این نوع سوپرشارژر، به محض این که لب های هادی می چرخند، هوای محبوس در بین لب ها از سمت ورودی به سمت خروجی هدایت می شوند. در این مرحله، به قدری هوا وارد مانیفلد می شود که در آن بدلیل ایجاد تراکم، فشار مثبت شکل بگیرد. در حقیقت، سوپرشارژرهای روتز همان دمنده هوا هستند و گاهی اوقات در لفظ عامه، به چنین سوپرشارژرهایی، دمنده نیز گفته می شود.  از آن جا که این سوپرشارژرها اندازه بزرگی دارند، اغلب ، آن ها را روی موتور خودرو قرار می دهند و به همین دلیل است که کاپوت برخی خودروهای عضلانی یا همان ماسل کار ها از وسط برآمدگی دارد.

از جمله معایبی که در مورد این نوع سوپرشارژرها گفته شده است می توان به سنگینی آن و ناپیوسته بودن جریان هوای فشرده به داخل منیفولد هوا اشاره کرد.

سوپرشارژر دوپیچی (Twin-Screw)

در این نوع سوپرشارژر، از یک روتور مخروطی یا حلزونی شکل برای هدایت هوا از سمت ورودی به سمت خروجی استفاده شده است. بدین صورت که هوا در فضای حاصل از لب های هادی حلزونی شکل در داخل درپوش موتور محبوس و فشرده می شود. مزیت این نوع سوپرشارژرها در این است که هرچه از سمت ورودی به سمت خروجی حرکت می کنیم، حجم فضای روتور برای هوا کاهش می یابد و در نتیجه هوا در فضای کوچک تری فشرده می شود که این به نوبه خود، راندمان سوپرشارژر را بالا می برد. بدیهی است، بالا رفتن کارایی سوپرشارژر در افزایش کارکرد موتور نیز تأثر مثبت خواهد داشت.

 گفتنی است، سوپرشارژرهای دوپیچی به دلیل دقیق تر بودن فرایند ساخت آن ها، گران قیمت تر هستند.

سوپرشارژر سانتریفیوژی (Centrifugal)

در این نوع سوپرشارژر، از یک پروانه مخصوص که نقش هدایت جریان هوا به داخل موتور را دارد، استفاده شده است. این قطعه با دور بسیار بالا یعنی 50,000 تا 60,000 دور بر دقیقه، هوا را به داخل کمپرسور می مکد ( بدلیل تعبیه یک گیربکس کوچک در درون هوزینگ آن دور پروانه نسبت به دور موتور تا 8 برابر افزایش خواهد یافت ) و این هوا در اثر نیروی گریز از مرکز به صورت شعاعی، به بیرون پرتاب شده و به سمت مانیفلد هوار موتور هدایت می شود.

اگرچه پروانه، هوا را در سرعت های بسیار بالا به بیرون هدایت می کند، اما فشار نقطه ای آن کم است. ازاین رو، به کمک یک پخش کننده (Diffuser) به شکل مجموعه ای از پره های ثابت پیرامون پروانه، هوای با سرعت بالا و فشار کم به هوای با سرعت کم و فشار بالا تبدیل می شود. بدین صورت که پس از برخورد هوا با پره ها و کاهش سرعت مولکول های آن، فشار هوا افزایش می یابد. لازم به ذکر است، این نوع سوپرشارژرها معمول ترین و پرکاربردترین سیستم های تقویت تنفس موتور به شمار می روند و علاوه بر این که سبک و کوچک هستند، به جای روی موتور، جلوی آن متصل می شوند.