كتب أنواع الشاحن التوربيني الفائق

يوجد نوعان أساسيان للشاحن التوربيني الفائق طبقاً لطريقة نقل الغاز: موجب الإزاحة وديناميكي. تقوم الضواغط والمنافيخ موجبة الإزاحة بزيادة الضغط بمستوى ثابت تقريباً عند كل سرعات المحرك (دورة/دقيقة). بينما لا تقوم الضواغط الديناميكية برفع الضغط عند السرعات المنخفضة، ويزداد الضغط بزيادة سرعة المحرك عند تجاوز سرعة البداية. 

موجب الإزاحة

توصل الضواغط موجبة الإزاحة حجم ثابت تقريباً من الهواء في كل دورة عند جميع السرعات، كما تكون نسبة التسريب ثابتة أيضاً عند كل السرعات لضغط معين، مما يقلل من أهميتها عند السرعات المرتفعة.

تشمل الأنواع الرئيسية للضواغط موجبة الإزاحة الأنواع التالية:

•  الشاحن التوربيني الفائق نوع روتس
• لولب ليشولم المزدوج أو الضاغط اللولبي الدوار
• الريشة المنزلقة أو الشاحن التوربيني الفائق ذو القدرة الاضافية
• الشاحن التوربيني الفائق الحلزوني، والمعروف أيضاً بالشاحن جي. 

نوع الانضغاط

تنقسم الضواغط موجبة الإزاحة إلى أنواع ذات انضغاط داخلي وأنواع ذات انضغاط خارجي.

الشواحن التوربينية الفائقة نوع روتس داخلية الانضغاط فقط، بالرغم من أن منافيخ روتس ذات اللولبة المرتفعة تحاول محاكاة الانضغاط الداخلي للولب ليشلوم.

• الانضغاط الخارجي: يشير مصطلح "الانضغاط الخارجي" إلى الضواغط التي تنقل هواء عند الضغط الجوي إلى داخل المحرك. عندما يعمل المحرك عند ظروف الضغط المعزز، يكون الضغط في أنبوب الدخول المتشعب أكبر من ضغط الهواء القادم من الشاحن التوربيني الفائق. يؤدي هذا لحدوث تدفق عكسي للهواء من داخل المحرك إلى الشاحن التوربيني الفائق حتى يحدث اتزان بين الضغطين. يقوم التدفق العكسي للهواء بضغط الهواء القادم من الشاحن في هذه الحالة، وتعتبر هذه العملية عامل أساسي في انخفاض كفاءة شواحن روتس التوربينية الفائقة المستخدمة عند زيادة الضغط لمستويات مرتفعة. يقل الفقد كلما قل مقدار زيادة الضغط، وتعتبر شواحن روتس ذات كفاءة في تحريك الهواء عند فروق ضغط منخفضة، وهذا ما صُنعت لأجله في الأساس ولذلك أُطلق عليها مصطلح "المنفاخ".

تحتوي جميع أنواع الشواحن الأخرى على انضغاط داخلي بدرجة ما.

•  الانضغاط الداخلي: يشير مصطلح "الانضغاط الداخلي" إلى انضغاط الهواء داخل الشاحن التوربيني الفائق، الذي يكون قريباً من مستوى الضغط المعزز (قيمة الضغط المطلوب الداخل للمحرك)، ويصل الهواء بسلاسة إلى المحرك بدون حدوث أي تدفق عكسي. يُعتبر هذا أكثر كفاءة من انضغاط التدفق العكسي (الانضغاط الخارجي) ويحقق كفاءات مرتفعة للمحرك.
   تستخدم أجهزة الانضغاط الداخلي نسبة انضغاط داخلي ثابتة في الغالب. عندما يكونالضغط الناتج من الشاحن التوربيني الفائق مساوياً لقيمة الضغط الناتج من ضاغط الشاحن، يكون التدفق العكسي مساوياً للصفر، أما إن زاد الضغط الناتج أو الخارج من الشاحن عن قيمة ضغط الانضغاط (قيمة الضغط الناتجة من ضاغط الشاحن)، يُمكن أن يحدث تدفق عكسي للهواء في منفاخ روتس.
   يجب ملائمة منافيخ الانضغاط الداخلي بالنسبة لقيمة الضغط الناتج المتوقعة لتحقيق كفاءة مرتفعة وتجنب نفس المشاكل والكفاءة المنخفضة التي عانى منها منفاخ روتس. 

مقياس السعة

تُضنف الشواحن التوربينية الفائقة موجبة الإزاحة طبقاً لسعتها في كل دورة. يُستخدم تصنيف جي إم سي عادة في حالة منفاخ روتس. تُصنف أنواع منافيخ جي إم سي طبقاً لعدد وحجم الأسطوانات ثنائية الشوط، التي يلزم تنظيفها. صنعت جي إم سي شواحن سُميت 2-71، 3-71، 4-71 والمنفاخ الشهير 6-71. صُمم المنفاخ 6-71 على سبيل المثال لتنظيف 6أسطوانات، سعة كل منها 71 بوصة مكعبة (1163 سم مكعب)، وليُستخدم في محرك ديزل ثنائي الشوط سعته 426 بوصة مكعبة (6981 سم مكعب) عُرف برقم 6-71، لذلك أخذ المنفاخ نفس الرقم التمييزي. تكون سعة المنفاخ الفعلية أقل من ناتج ضرب رقمه التمييزي 6-71، حيث أن هذا الرقم هو إشارة لسعة المحرك في الأصل. يقوم منفاخ 6-71 بضخ 339 بوصة مكعبة (5555 سم مكعب) من الهواء مع كل دورة للمنفاخ (يُمكن للمنفاخ ان يضخ كمية من الهواء تساويسعة المحرك، نظراً لأن المنفاخ يدور بسرعة دورانية (دورة/دقيقة) أكبر من المحرك). 

استمرت الأنواع التالية في استخدام الأرقام في التسمية للإشارة لسعة المنفاخ، بداية من منفاخ 8-71 إلى 16-71 المستخدمة في السيارات الرياضية المختلفة. صنعت أيضاً جي إم سي منافيخ ذات سعة 53 بوصة مكعبة (869) في الفئات 2-53 و3-53 و4-53 و6-53 و8-53، بالإضافة لفئات "V71" للاستخدام فيالمحركات شكل V. 

ديناميكي

تعتمد الضواغط الديناميكية على تسريع الهواء إلى سرعات مرتفعة ثم تحويل هذه السرعة إلى ضغط بواسطة ناشر (أنبوب تتوسع مساحة مقطعه تدريجياً) أو عن طريق ابطاء الهواء.

تشمل الأنواع الأساسية للضاغط الديناميكي:

•  الشاحن التوربيني الفائق ذو الطرد المركزي
•  الضاغط المحوري متعدد المراحل 
•  الشاحن التوربيني الفائق ذو موجة الضغط 

مشغلات الشاحن التوربيني الفائق

تصنف الشواحن التوربينية الفائقة طبقاً للوسيلة المستخدمة لتدويرها، مثل الوسائل التالية:

•  حزام (حزام على شكل V، حزام متزامن، حزام مستوي)
•  التدوير بواسطة التعشيق المباشر
•  التدوير بواسطة تروس 
• التدوير بواسطة سلسلة (جنزير) 

تأثيرات درجة الحرارة والمبردات البينية

أحد عيوب الشحن التوربيني الفائق هو أن زيادةضغط الهواء يرفع بالتاليدرجة حرارته. عندما يُستخدم شاحن توربيني فائق فيمحرك احتراق داخلي، تصبح درجة حرارة شحنة الوقود والهواء عامل أساسي في تحديد أداء المحرك. تؤدي درجة الحرارة المفرطة لتفجير خليط الوقود والهواء (انظر: طقطقة المحرك) في محركات الاشعال بالشرارة، ويضر ذلك المحرك. يُمكن أن يسبب هذا مشاكل في السيارات في يوم شديد الحرارة أو عند زيادة الضغط بشكل مفرط.

يُمكن تقدير الزيادة في درجة الحرارة خلال الشاحن التوربيني الفائق، بمعاملة عملية الانضغاط كإجراء أيزنتروبي.

حيث:

•  :  درجة حرارة الهواء الجوي (الهواء المحيط).
•  : درجة حرارة الهواء عند مخرج الضاغط.
•  : القيمة المطلقة للضغط الجوي المحيط.
•  : الضغط المطلق عند مخرج الضاغط.
•  : النسبة بين سعات الحرارة النوعية، وتساوي   = 1.4 للهواء.
•  : الحرارة النوعية عند ثبوت الضغط.
•  : الحرارة النوعية عند ثبوت الحجم.

إذا كان هناك شاحن توربيني فائق ينتج ضغط مقداره 0.69 بار عند مستوى سطح البحر (الضغط الجوي = 1.01 بار، ودرجة حرارة الجو =24 سليزيوس عند مستوى سطح البحر)، ستكون درجة حرارة الهواء الخارج من الشاحن تساوي 71.4 سليزيوس. تُسمى درجة الحرارة هذه بدرجة الحرارة الخارجة من الضاغط، وتوضح القيمة السابقة أهمية استخدام وسيلة لتبريد الهواء بعدالضاغط.

صحيح أن درجة حرارة الدخول المرتفعة لمحركات الاحتراق الداخلي ستجعل المحرك يسحب هواء أقلكثافة، إلا أن هذا صحيحاً فقط في حالة الضغط الساكن غير المتغير للهواء، مما يعني أن المحرك سيسحب هواء أقل في كل دورة للمحرك في يوم حار عما سيسحبه في يوم بارد. بالرغم من ذلك لا تؤدي زيادة درجة حرارة الهواء في الشاحن التوربيني الفائق إلى انخفاض كثافته، حيث أن زيادة درجة الحرارة هذه ناتجة عن زيادة ضغط الهواء. تُضاف الطاقة للهواء ويظهر ذلك في تغير طاقة جزيئاته الداخلية (تغير درجة حرارته) وفي الضغط الساكن للهواء، بالإضافة لسرعة الهواء.

لا يغير التبريد البيني كثافة الهواء بعد انضغاطه، لكنه يقوم بإزالة الطاقة الحرارية التي أُضيفت للهواء فقط في عملية الانضغاط، أي أن المبرد البيني يزيل الطاقة المضافة بواسطة الانضغاط فقط ولا يغير كثافة الهواء. يؤدي ذلك إلى عدم اشتعال خليط الوقود والهواء قبل الوقت المحدد ( الإشعال المسبق) أي قبل أن تشعلهشمعة الاشعال.