مقاله طراحی و انتخاب پرخوران ( توربو شارژ ) مناسب برای موتورهای گاز سوز دو سوخته ( بنزینی + گاز طبیعی فشرده )

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله ابتدا به عملکرد پرخوران پرداخته ، سپس انواع روشهای کنترل فشار توسط پرخوران و نمودارهای عملکردی و بحث تاخیر توربینی ، مورد بررسی قرار گرفته است و در انتها روند انتخاب پرخوران برای موتور بنزینی همراه با تحلیل وانجام ازمونهای شبیه سازی ونهایتا تستهای آزمایشگاهی مورد بررسی قرارگرفته است .

مقدمه

هدف از بکارگیری پرخوران در موتورهای احتراق داخلی افزایش توان خروجی به ازای ابعاد ثابت موتور در مقایسه با موتورهای با تنفس طبیعی می باشد . این هدف با افزایش فشار هوای ورودی به موتور به دست می آید .در واقع با استفاده از پرخوران نسبت توان به وزن موتور افزایش می یابد . یکی دیگر از علل کاربرد پرخوران ، چگالی پایین هوا در ارتفاعات می باشد که باعث می شود جرم هوای کمتری وارد موتور شود در صورتیکه با استفاده از پرخوران چگالی هوای ورودی به موتور افزایش می یابد .

انواع پرخوران :

: Turbocharger .1

در پرخوران با استفاده از کمپرسور فشار هوای ورودی افزایش می یابد . حرکت کمپرسور از توربینی که در راهگاه خروجی تعبیه شده تامین می شود ، گازهای خروجی حاصل از مرحله خروج آنی گازها - blow down - با انرژی جنبشی زیاد به همراه گازهای مرحله خروج - exhaust - باعث حرکت توربین می شوند و کمپرسور که با شفتی به توربین متصل است به حرکت در می آید . :

Supercharger . 2

در سوپرشارژر با استفاده از کمپرسور فشار هوای ورودی افزایش می یابد . حرکت کمپرسور از میل لنگ گرفته می شود .

: Comprex . 3

در این نوع با استفاده از موجهای فشاری وتقویت - tune - کردن این موجها ، راندمان حجمی و در نتیجه آن چگالی و فشار هوای ورودی افزایش می یابد .

مدار عملکرد پرخوران - موتور بنزینی - :

مدار عملکرد پرخوران - شکل - 1 به این صورت است که در سرعت و دور کم موتور دریچه - waste gate - بسته می باشد و تمام جریان از توربین می گذرد . در این حالت فشار - Boost - مورد نیاز توسط دریچه گاز - throttle - کنترل می شود . در حالت بار کامل - full load - که دریچه گاز کاملا باز می باشد مقدارفشار هوا Boost - - توسط دریچه waste gate - - کنترل می شود . به این صورت که با افزایش فشار هوای ورودی ، دریچه - waste gate - که با یک عملگر دیافراگمی و یک اهرم بندی از فشار ورودی فرمان می گیرد باز می گردد و مقداری از گازهای خروجی ، بدون عبور از توربین از لوله اگزوز عبور می کند .ضمنا در این مدار ازخنک کننده - Intercooler - برای پایین آوردن درجه حرارت هوای تحت فشار که درجه حرارت آن نیز بالا رفته استفاده می شود .

مدار عملکرد سوپرشارژر :

در مدار سوپرشارژر حرکت کمپرسور توسط یک مکانیزم چرخدنده ای از میل لنگ تامین می شود - شکل - 2 .فشار هوا در مدار سوپرشارژر بوسیله مدار برگشت - Bypass - ودریچه گاز - Throttle - کنترل می شود به این صورت است که در صورت افزایش فشار ورودی بیش از مقدار مورد نظر مداربرگشت - - Bypass باز شده و جریان اضافی به پشت کمپرسور منتقل می شود و فشار کاهش می یابد . در سرعتهای کم نیزدریچه گاز - Throttle - به تنهایی مقدار فشار را کنترل می کند .

خنک کاری : - Intercooling -

در استفاده از سیستم پرخوران درجه حرارت گازهای خارج شده از کمپرسور به دلیل افزایش فشار بالا می رود . در این سیستم با استفاده ازخنک کننده - Intercooler - درجه حرارت گاز کاهش می یابد و در نتیجه آن چگالی هوا افزایش یافته و این به مفهوم اینست که اکسیژن بیشتری برای شارژ در مرحله مکش در دسترس است .خنک کننده - Intercooler - هم بصورت هوا خنک است و هم دارای مدار جداگانه سرمایشی می باشد .

مزایای استفاده ازخنک کننده : - Intercooler -

.1راندمان حرارتی بالاتر و در نتیجه مصرف سوخت کمتر و آلودگی soot کمتر در موتور دیزل

2.    کاهش تمایل به خود اشتعالی - - knock در موتورهای بنزینی

3.    کم کردن تنش حرارتی روی بلوک سیلندر و سرسیلندر

4.    کاهش در آلودگی NOx ، به علت درجه حرارت احتراق پایینتر

روشهای کنترل فشار ورودی در پرخوران :

1.    استفاده از پرخوران دریچه ای - : - Waste gate turbocharger

در سرعتهای بالا و یا بار زیاد موتور ، دریچه به تدریج باز می شود - شکل - 3 و قسمتی از جریان خروجی گازها بدون عبور از توربین از دریچه به سمت اگزوز می رود که درنتیجه آن سرعت توربین کاهش می یابد و باعث تنظیم فشار ورودی می شود .

2.    استفاده از پرخوران با پره توربین متغییر : Variable turbine geometry - VTG -

در دورهای پایین یا بارکم وضعیت قرارگیری پره های منحرف کننده به صورتی است که فاصله کمی توسط آنها ایجاد می شود - شکل - 4 این گپ کم باعث ایجاد اختلاف فشاربیشتر و در نتیجه سرعت بیشتر جریان می شود و در نتیجه آن ، توربین با سرعت بیشتری می گردد و کمپرسور با دور بیشتری حرکت می کند . - مطابق شکل - a در دورهای بالا یا بار زیاد وضعیت قرارگیری پره های منحرف کننده به صورتی است که گپ افزایش می یابد و باعث کاهش اختلاف فشار و در نتیجه کاهش سرعت توربین می شود - شکل . - b امروزه این نوع از پرخوران به طور گسترده در موتورهای دیزل استفاده می شود .

3.    استفاده ازپرخوران با دریچه توربین لغزشی : Variable sleeve turbine - VST -

این نوع از پرخوران در موتورهای کوچک استفاده می شود - شکل. - 5 در این نوع ، دریچه لغزشی پورت ورودی 2 یا 3 و یا هر دو را باز می کند . در سرعتهای پایین یا بار کم فقط یکی از پورتهای ورودی باز می شود و گازهای خروجی با سرعت بیشتری به توربین برخورد می کنند و در نتیجه توربین با سرعت بیشتری به گردش در می آید - مطابق شکل . - a زمانیکه فشار در پرخوران افزایش می یابد ورودی 3 به مرور باز می شود و سرعت توربین به مرور کاهش می یابد - شکل - b .همچنین یک مسیر مدار برگشت - bypass - - مسیر - 5 در فشارهای خیلی کم برای عبور گازهای خروجی وجود دارد .

تاخیر توربینی - : - Turbo lag

یکی از مشکلاتی که در پرخوران وجود دارد اثر تاخیر توربینی می باشد . این اثر باعث کاهش پاسخ سیستم به متغییرهای آنی می شود . هنگامیکه به صورت آنی دریچه گاز باز می شود چندین سیکل طول می کشد تا دودهای خروجی بر اینرسی توربین غلبه کرده و باعث رسیدن کمپرسور به دور مطلوب شود