6 أنواع مختلفة من الشواحن التوربينية ومزايا كل إعداد

ما الفرق بين الشاحن التوربيني الأحادي، والمزدوج، والمزدوج الملف، والهندسة المتغيرة، أو حتى الكهربائي؟ ما هي مزايا كل إعداد؟

عالم الشحن التوربيني لديه تنوع كبير مثل تصميمات المحركات. دعونا نلقي نظرة على الأنماط المختلفة:

الشواحن التوربينية الكهربائيةشاحن توربيني أحادي

الشواحن التوربينية الأحادية وحدها لديها متغيرات لا حدود لها. سيؤدي اختلاف حجم عجلة الضاغط والتوربين إلى خصائص عزم دوران مختلفة تمامًا. ستؤدي الشواحن التوربينية الكبيرة إلى توليد قوة عالية في النهاية العلوية، لكن الشواحن التوربينية الأصغر ستوفر عزم دوران أفضل في النهاية السفلية لأنها تدور بشكل أسرع. هناك أيضًا شواحن توربينية أحادية ذات محامل كروية ومحامل مجلة. توفر المحامل الكروية احتكاكًا أقل للضاغط والتوربين للدوران عليه، وبالتالي تكون أسرع في الدوران (مع إضافة التكلفة).

• المزايا:

• طريقة فعالة من حيث التكلفة لزيادة قوة المحرك وكفاءته.

• بسيطة، بشكل عام أسهل خيارات الشحن التوربيني للتثبيت.

• يسمح باستخدام محركات أصغر لإنتاج نفس القدر من الطاقة مثل المحركات الأكبر ذات السحب الطبيعي، مما يمكن أن يزيل الوزن غالبًا.

• التكلفة والتعقيد، حيث يجب عليك الآن حساب المحرك الكهربائي والتأكد من بقائه باردًا لمنع مشكلات الموثوقية. هذا ينطبق على وحدات التحكم المضافة أيضًا.

• تميل الشواحن التوربينية الأحادية إلى الحصول على نطاق دورات في الدقيقة فعال ضيق إلى حد ما. هذا يجعل التحجيم مشكلة، حيث سيتعين عليك الاختيار بين عزم دوران جيد في النهاية السفلية أو قوة أفضل في النهاية العلوية.

• قد لا تكون استجابة الشاحن التوربيني سريعة مثل إعدادات الشاحن التوربيني البديلة.

2. شاحن توربيني مزدوج

تمامًا مثل الشواحن التوربينية الأحادية، هناك الكثير من الخيارات عند استخدام شاحنين توربينيين. يمكنك الحصول على شاحن توربيني واحد لكل بنك أسطوانات (V6، V8، إلخ). بدلاً من ذلك، يمكن استخدام شاحن توربيني واحد لدورات في الدقيقة المنخفضة وتجاوزه إلى شاحن توربيني أكبر لدورات في الدقيقة المرتفعة (I4، I6، إلخ). يمكنك حتى الحصول على شاحنين توربينيين بنفس الحجم تقريبًا حيث يتم استخدام أحدهما عند دورات في الدقيقة المنخفضة ويتم استخدام كلاهما عند دورات في الدقيقة المرتفعة. في BMW X5 M و X6 M، يتم استخدام الشواحن التوربينية ذات الملف المزدوج، واحدة على كل جانب من V8.

• المزايا:

• بالنسبة للشواحن التوربينية المزدوجة المتوازية على محركات على شكل 'V'، فإن الفوائد (والعيوب) تشبه إلى حد كبير إعدادات الشاحن التوربيني الأحادي.
• بالنسبة للشواحن التوربينية المتتالية أو استخدام شاحن توربيني واحد عند دورات في الدقيقة المنخفضة وكلاهما عند دورات في الدقيقة المرتفعة، يسمح هذا بمنحنى عزم دوران أوسع وأكثر تسطحًا. عزم دوران أفضل في النهاية السفلية، لكن الطاقة لن تتناقص عند دورات في الدقيقة المرتفعة كما هو الحال مع شاحن توربيني أحادي صغير.

• العيوب:

• التكلفة والتعقيد، حيث أن لديك ما يقرب من ضعف مكونات الشاحن التوربيني.
• هناك طرق أخف وأكثر كفاءة لتحقيق نتائج مماثلة (كما هو موضح أدناه).

3.شاحن توربيني مزدوج الملف

تعتبر الشواحن التوربينية ذات الملف المزدوج أفضل في كل طريقة تقريبًا من الشواحن التوربينية ذات الملف الواحد. باستخدام ملفين، يتم تقسيم نبضات العادم. على سبيل المثال، في محركات ذات أربع أسطوانات (ترتيب الإطلاق 1-3-4-2)، قد تتغذى الأسطوانات 1 و 4 على ملف واحد من الشاحن التوربيني، بينما تتغذى الأسطوانات 2 و 3 على ملف منفصل. لماذا هذا مفيد؟ لنفترض أن الأسطوانة 1 تنهي شوط الطاقة الخاص بها عندما تقترب المكبس من النقطة الميتة السفلية، وتبدأ صمام العادم في الانفتاح. أثناء حدوث ذلك، تنهي الأسطوانة 2 شوط العادم، وتغلق صمام العادم وتفتح صمام السحب، ولكن هناك بعض التداخل. في مشعب الشاحن التوربيني التقليدي ذي الملف الواحد، سيتعارض ضغط العادم من الأسطوانة 1 مع الأسطوانة 2 التي تسحب الهواء النقي لأن كلا صمامي العادم مفتوحان مؤقتًا، مما يقلل من مقدار الضغط الذي يصل إلى الشاحن التوربيني ويتعارض مع كمية الهواء التي تسحبها الأسطوانة 2. بتقسيم الملفات، يتم التخلص من هذه المشكلة.

• عن طريق توصيل محرك كهربائي مباشرة بعجلة الضاغط، يمكن القضاء على تأخر الشاحن التوربيني وغازات العادم غير الكافية فعليًا عن طريق تدوير الضاغط بالطاقة الكهربائية عند الحاجة.

• يتم إرسال المزيد من الطاقة إلى توربين العادم، مما يعني المزيد من الطاقة.
• من الممكن الحصول على نطاق دورات في الدقيقة أوسع من التعزيز الفعال بناءً على تصميمات الملفات المختلفة.
• من الممكن الحصول على المزيد من تداخل الصمامات دون إعاقة كشط العادم، مما يعني المزيد من المرونة في الضبط.

• التكلفة والتعقيد مقابل استخدام شاحن توربيني واحد أو ملف مزدوج تقليدي.

• يتطلب تصميم محرك وتصميم عادم معينين (مثل: I4 و V8 حيث يمكن تغذية أسطوانتين لكل ملف من الشاحن التوربيني، على فترات متساوية).
• التكلفة والتعقيد مقابل الشواحن التوربينية الأحادية التقليدية.

الشواحن التوربينية الكهربائيةالشاحن التوربيني ذو الهندسة المتغيرة (VGT)

ربما تكون VGTs واحدة من أكثر أشكال الشحن التوربيني استثنائية، وهي محدودة في الإنتاج (على الرغم من أنها شائعة إلى حد ما في محركات الديزل) نتيجة لمتطلبات التكلفة والمواد الغريبة. تعمل الريش الداخلية داخل الشاحن التوربيني على تغيير نسبة المنطقة إلى نصف القطر (A/R) لتتناسب مع دورات في الدقيقة. عند دورات في الدقيقة المنخفضة، يتم استخدام نسبة A/R منخفضة لزيادة سرعة غاز العادم وتسريع الشاحن التوربيني. مع ارتفاع الدورات، تزداد نسبة A/R للسماح بزيادة تدفق الهواء. والنتيجة هي تأخر توربيني منخفض، وعتبة تعزيز منخفضة، ونطاق عزم دوران واسع وسلس.

• المزايا:

• منحنى عزم دوران واسع ومسطح. شحن توربيني فعال في نطاق دورات في الدقيقة واسع جدًا.
• يتطلب شاحنًا توربينيًا واحدًا فقط، مما يبسط إعداد الشاحن التوربيني المتسلسل إلى شيء أكثر إحكاما.

• العيوب:
• عادة ما تستخدم فقط في تطبيقات الديزل حيث تكون غازات العادم أقل حتى لا تتضرر الريش بالحرارة.
• بالنسبة لتطبيقات البنزين، فإن التكلفة عادة ما تبقيها خارج نطاق الاستخدام حيث يجب استخدام معادن غريبة من أجل الحفاظ على الموثوقية. تم استخدام هذه التقنية في Porsche 997، على الرغم من وجود عدد قليل جدًا من محركات البنزين VGT نتيجة للتكلفة المرتبطة بها.

الشواحن التوربينية الكهربائيةالشاحن التوربيني ذو الملف المزدوج المتغير

هل يمكن أن يكون هذا هو الحل الذي كنا ننتظره؟ أثناء حضوري SEMA 2015، توقفت عند كشك BorgWarner للبحث في أحدث ما توصل إليه الشحن التوربيني، ومن بين المفاهيم الشاحن التوربيني ذو الملف المزدوج المتغير كما هو موضح في الفيديو أعلاه.

• المزايا:

• أرخص بكثير (من الناحية النظرية) من VGTs، وبالتالي يجعل حالة مقبولة لشحن البنزين التوربيني.
• يسمح بمنحنى عزم دوران واسع ومسطح.
• أكثر قوة في التصميم مقابل VGT، اعتمادًا على اختيار المواد.
   
• العيوب:التكلفة والتعقيد مقابل استخدام شاحن توربيني واحد أو ملف مزدوج تقليدي.
• تم اللعب بالتكنولوجيا من قبل (مثل: صمام الدوران السريع) ولكن يبدو أنها لا تحظى بشعبية في عالم الإنتاج. من المحتمل وجود تحديات إضافية مع التكنولوجيا.
• 1.

الشواحن التوربينية الكهربائيةتعد تقنية الشاحن التوربيني الكهربائي الكامل الحاصلة على براءة اختراع من Aeristech تقنية تمكينية جديدة ستساعد الشركات المصنعة للمركبات على تلبية تشريعات الانبعاثات المستقبلية الصارمة مع توفير استجابة ممتازة في جميع أنحاء نطاق تشغيل المحرك، حتى عند دورات المحرك المنخفضة وسرعة السيارة. FETT هو الحل الأمثل لتصغير المحرك الشديد وتحسين كفاءة المحرك باستخدام شاحن توربيني أحادي المرحلة.

إن إلقاء محرك كهربائي قوي في المزيج يقضي على جميع عيوب الشاحن التوربيني تقريبًا. تأخر الشاحن التوربيني؟ انتهى. ليس هناك ما يكفي من غازات العادم؟ لا مشكلة. ألا يستطيع الشاحن التوربيني إنتاج عزم دوران منخفض؟ الآن يمكنه ذلك! ربما تكون المرحلة التالية من الشحن التوربيني الحديث، هناك بلا شك عيوب في المسار الكهربائي أيضًا.

المزايا:

• عن طريق توصيل محرك كهربائي مباشرة بعجلة الضاغط، يمكن القضاء على تأخر الشاحن التوربيني وغازات العادم غير الكافية فعليًا عن طريق تدوير الضاغط بالطاقة الكهربائية عند الحاجة.

• عن طريق توصيل محرك كهربائي بتوربين العادم، يمكن استعادة الطاقة المهدرة (كما هو الحال في Formula 1).
• نطاق دورات في الدقيقة فعال للغاية مع عزم دوران متساوٍ في جميع الأنحاء.
• العيوب:
   

• التكلفة والتعقيد، حيث يجب عليك الآن حساب المحرك الكهربائي والتأكد من بقائه باردًا لمنع مشكلات الموثوقية. هذا ينطبق على وحدات التحكم المضافة أيضًا.

• تصبح العبوة والوزن مشكلة، خاصة مع إضافة بطارية على متن الطائرة، والتي ستكون ضرورية لتوفير طاقة كافية للشاحن التوربيني عند الحاجة.
• يمكن أن توفر VGTs أو الملفات المزدوجة فوائد مماثلة جدًا (على الرغم من أنها ليست بنفس المستوى) بتكلفة أقل بكثير.