كيف يعمل التيربو والكومبريسور: أنواع الشحن الزائد

تتيح أنظمة الشحن الزائد زيادة أداء المحرك بشكل ملحوظ. في الأساس، الهدف من الشحن الزائد للمحرك هو إدخال هواء أكثر إلى الأسطوانات مما يستطيع المحرك أن يسحبه بمفرده عند الضغط الجوي.

لماذا نريد هواءً أكثر في غرفة الاحتراق؟ لأنه، بتعبير مبسط جداً، قوة المحرك تعتمد على كمية الأكسجين (وبالتالي الهواء) التي يمكننا جعلها تتفاعل مع الوقود لإنتاج انفجار قوي –أو احتراق، بحسب ما إذا كنا نتحدث عن البنزين أو الديزل على التوالي– يدفع المكبس.

ولتحقيق ذلك، يجب ضغط هواء السحب باستخدام آلية شحن زائد، وقد تكون من نوعين: توربو (ويُسمى أيضاً التوربوشاحن) أو كومبريسور.

سنتناول مبدأ عمل التوربو والكومبريسور. بهذه الطريقة ستفهم بشكل أفضل المزايا والعيوب في كل حالة.

قبل ذلك، من المفيد أن نتذكر أن الكومبريسور والتوربو ليستا تقنيتين حديثتين.

يُستخدم الشحن الزائد في رياضة السيارات منذ العقد الأول من القرن العشرين. وفي حالة الكومبريسورات، جرى تكييف آلية كانت تُستخدم بالفعل في تطبيقات صناعية أخرى. أما التوربوشاحن، فقد كان تطويره الأولي في محركات الطائرات، لتعويض انخفاض كثافة الهواء مع زيادة الارتفاع.

هكذا يعمل التوربو

يتكون التوربو أساساً من توربينين متصلين بشكل متزامن بعمود واحد يدوران داخل غلاف. مبدأ العمل هو الاستفادة من الطاقة الحركية لغازات العادم الصادرة عن المحرك.

تُمرَّر غازات العادم عبر التوربين الأول، فتتسبب في دورانه. وبما أن التوربين الثاني متصل به، فسيدور هو أيضاً. في هذه الحالة، تُستغل حركة التوربين الثاني لتوليد الضغط عبر دفع الهواء داخل مجمع السحب.

هناك أمور مهمة يجب معرفتها عن محركات التوربوشاحن. فبطبيعة الحال، كلما كان التوربو أكبر، زادت قدرته على توليد الضغط. ومع ذلك، سيكون من الأصعب أيضاً على غازات العادم أن تسرّع التوربين، مما قد يسبب تأخراً في الاستجابة بين لحظة الضغط على دواسة الوقود وفعالية تسليم القدرة. وهذا ما يُعرف بـ تأخر التوربو (Turbo lag).

ومن الأمور الأخرى أن التوربينات يمكن أن تدور بسرعات عالية جداً، تتجاوز 150.000 دورة في الدقيقة. لذلك فإن التشحيم الصحيح للتوربو (وتحديداً لعموده) أمر بالغ الأهمية لتجنب الأعطال. ولذلك من المهم جداً أن نفهم بوضوح الدور الذي يلعبه زيت المحرك.

يُتحكم في الضغط الزائد الذي قد يولده التوربو عبر صمام التفريغ. وضبط هذا الصمام، الذي يسمح بـ”تسرب” الهواء، هو ما يتيح تنظيم معايرة التوربو أو ضغط النفخ الخاص به.

إضافة إلى ذلك، لتحسين الأداء، تحتوي المحركات المزودة بالتوربو عادةً على مبرد يُسمى الإنتركولر. وما يفعله هذا المبرد هو تبريد هواء السحب بعد مروره عبر التوربو، إذ يرتفع حرارته بسبب الضغط، فيفقد كثافته من الأكسجين.

وأخيراً فيما يتعلق بالتوربوشاحن، تجدر الإشارة إلى أنه نظام لزيادة الأداء يتلاءم بشكل خاص مع محركات الديزل، التي تعمل بضغط الخليط، لا بانفجاره عبر شرارة الشمعة.

تتطلب محركات البنزين خليطاً بنسبة محددة من الأكسجين والوقود (للمهتمين، يُسمى الخليط المتساوي الكيمياء (Stoichiometric)) لكي يكون الاحتراق فعالاً، في حين أن محرك الديزل قادر على حرق كل الأكسجين الذي يمكنك إدخاله إلى غرفة الاحتراق.

والواقع أنه منذ زمن لم تعد توجد في السوق محركات ديزل غير مزودة بشاحن. أما في محركات البنزين، فقد بدأ التوربو يكتسب أهمية مع ظهور الحقن الإلكتروني، الذي أتاح التحكم في الخليط بدقة أكبر من محركات التوربو المزودة بالكاربراتور. لكن هذا يستحق حكاية أخرى. وحالياً توجد علامات تجارية تقدم محركات بنزين ممتازة دون توربو. ومن الأمثلة على ذلك محرك 2.0 Skyactive من Mazda الذي جربناه في CX-30.

أنواع التوربو

توجد أنواع مختلفة من التوربوشاحن، حسب التطبيق الذي ستُستخدم فيه. وتنقسم حسب “هندستها” إلى توربو ثابت أو متغير.

• التوربوشاحن ذو الهندسة الثابتة. في هذا النوع، يصطدم تدفق الهواء بالتوربين الذي تحركه غازات العادم دائماً بالطريقة نفسها. تصنيعه أبسط، لأن أجزاءه المتحركة أقل. المشكلة أنه عندما يدور المحرك بسرعات منخفضة، لا يحمل تدفق غازات العادم طاقة كافية لتسريع التوربين بسرعة، مما يسبب التأخر المذكور سابقاً في استجابة التوربو.
• التوربوشاحن ذو الهندسة المتغيرة. يُعرف أيضاً باسم VGT (اختصار Variable Geometry Turbocharger). يحتوي على ريش في منطقة التوربين تُحرَّك بشكل هوائي أو كهربائي. تتيح تغيير طريقة اصطدام غازات العادم بها، لتسريع حركتها خاصة عندما يكون تدفق الغازات ضعيفاً. وهي تلغي إلى حد كبير تأخر استجابة التوربو.
• توربو Twin-Scroll: ويُسمى أيضاً التوربو ذا المدخلين. يعمل على تقسيم تدفق الغازات القادمة من الأسطوانات لكي لا يتولد ضغط مضاد في مجمع السحب

في هذا الفيديو يمكنك أن ترى كيف تعمل التوربوشاحن، وتحديداً ذات الهندسة المتغيرة.

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

هكذا يعمل الكومبريسور

ننتقل الآن إلى الكومبريسور. الهدف لا يزال هو نفسه كما في التوربو، أي إدخال هواء مضغوط إلى غرفة الاحتراق. لكن هنا لا تُستخدم طاقة غازات العادم، بل إن آلية الكومبريسور يحركها المحرك نفسه، عادةً عبر سير متصل بعمود المرفق.

يعود تطبيقه أيضاً إلى بداية القرن العشرين، عندما كان يُستخدم في نماذج المسابقات كوسيلة للحصول على قدرات عالية. وبما أنه لا يعتمد على غازات العادم، فإنه لا يقدم تأخراً في الاستجابة. لكنه عند السرعات العالية يتسبب في خسارة كبيرة في قدرة المحرك، مما يقلل الكفاءة.

أنواع الكومبريسور

توجد أنواع مختلفة من الكومبريسورات، حسب بنيتها.

• كومبريسور من نوع Roots. ويُسمى أيضاً “الفصوص”، نسبةً إلى الدوارات ذات الشكل الثماني التي تدور في اتجاهين متعاكسين داخل غلاف، فتدفع الهواء.
• كومبريسور Eaton. ويُعرف أيضاً باسم كومبريسور “اللولبي”. يتكون من عنصرين ذوي شكل حلزوني يدوران متشابكين، بحيث يدخل الهواء بين القطعتين الدوارتين فيجد حجماً يتناقص، مما يرفع الضغط.

نوع آخر من الكومبريسور، استخدمته Volkswagen دون نجاح في التسعينيات، هو كومبريسور G، المعروف باسم كومبريسور Scroll. يتكون من حلزون ثابت وآخر داخلي متحرك، يضغطان الهواء أثناء حركتهما. وقد توقف استخدامه بسبب تعقيد تصنيعه وضعف موثوقيته.

فيديو كومبريسور Roots

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

فيديو كومبريسور Eaton

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

أيهما أفضل: التوربو أم الكومبريسور؟

إذا وصلت إلى هنا، فيمكنك أن تكوّن رأيك الخاص حول أيهما أفضل: التوربو أم الكومبريسور. لأنه لا توجد إجابة واحدة على هذا السؤال. فذلك يعتمد على نوع المحرك وعلى ما تريد تحقيقه. بل إن بعض العلامات التجارية، كما سترى، تلجأ إلى النظامين معاً.

باختصار، يتيح الكومبريسور الحصول على استجابة شبه فورية لدواسة الوقود من سرعة منخفضة جداً. لكنه ضخم، وتشغيله يُنقص من قدرة المحرك.

التوربوشاحن لا “يسرق” الطاقة من المحرك، بل يستخدم طاقة غازات العادم، التي كانت ستضيع خلاف ذلك. لكنه يعاني من مشكلة تأخر الاستجابة عندما لا تكون هناك غازات عادم كافية لتحريك التوربين، وهذا يزداد كلما كان التوربو أكبر. وهذا يجبر على اللجوء إلى حلول مثل استخدام أكثر من توربوشاحن واحد (صغير للسرعات المنخفضة، وكبير للقدرة العالية عند السرعات المرتفعة)؛ وقد لجأت Mercedes-Benz أو BMW إلى استخدام ثلاثة توربوات في بعض محركاتها.

وهناك علامات تجارية لجأت إلى الشحن المزدوج للجمع بين مزايا النظامين. وليس في نماذج رياضية فقط. فعلى سبيل المثال، استخدمت نماذج عديدة من مجموعة Volkswagen كومبريسوراً وتوربواً معاً في محرك 1.4 ذي الأربع أسطوانات الشهير الذي كان مُثبتاً، من بين سيارات أخرى، في Volkswagen Golf.

فتح عصر الكهربة الجديد الباب أمام التوربوشاحنات مع مساعدة كهربائية، مثل EPC الذي يحتوي على كومبريسور كهربائي يتولى تسريع التوربين لتقليل تأخر الاستجابة عند السرعات المنخفضة. وحل آخر، شوهد أيضاً في أحدث النماذج الرياضية لـAudi ذات محرك TDI، هو الجمع بين كومبريسور كهربائي وتوربو.

https://youtu.be/iEGisoOnewg