الشاحن التوربيني

في محرك الاحتراق الداخلي ، يُعد الشاحن التوربيني (المعروف أيضًا باسم التوربو أو الشاحن التوربيني الفائق ) جهازًا للحث القسري يقوم بضغط هواء السحب، مما يدفع المزيد من الهواء إلى المحرك من أجل إنتاج المزيد من الطاقة لسعة معينة . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تتميز الشواحن التوربينية عن الشواحن الفائقة بأن الشاحن التوربيني يعمل بالطاقة الحركية لغازات العادم، بينما يعمل الشاحن الفائق ميكانيكيًا، عادةً بواسطة سير من عمود مرفق المحرك . ^{[ 3 ]} ومع ذلك، وحتى منتصف القرن العشرين، كان يُطلق على الشاحن التوربيني اسم "الشاحن التوربيني الفائق" وكان يُعتبر نوعًا من الشواحن الفائقة. ^{[ 4 ]}

قبل اختراع الشاحن التوربيني، كان الشحن القسري ممكنًا فقط باستخدام الشواحن الفائقة التي تعمل بالطاقة الميكانيكية . بدأ استخدام الشواحن الفائقة في عام 1878، عندما تم بناء العديد من محركات الغاز ثنائية الأشواط المزودة بشواحن فائقة باستخدام تصميم المهندس الاسكتلندي دوغالد كليرك . ^{[ 5 ]} ثم في عام 1885، حصل غوتليب دايملر على براءة اختراع لتقنية استخدام مضخة تعمل بالتروس لدفع الهواء إلى محرك الاحتراق الداخلي . ^{[ 6 ]}

يُعتبر براءة اختراع عام 1905 التي حصل عليها المهندس السويسري ألفريد بوشي ، العامل في شركة سولزر ، بمثابة ميلاد الشاحن التوربيني. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} كانت هذه البراءة لمحرك شعاعي مركب مزود بتوربين محوري التدفق يعمل بغاز العادم وضاغط مثبت على عمود مشترك. ^{[ 10 ] [ 11 ]} تم الانتهاء من النموذج الأولي الأول عام 1915 بهدف التغلب على فقدان الطاقة الذي تعاني منه محركات الطائرات نتيجة انخفاض كثافة الهواء على ارتفاعات عالية. ^{[ 12 ] [ 13 ]} إلا أن النموذج الأولي لم يكن موثوقًا به ولم يصل إلى مرحلة الإنتاج. ^{[ 12 ]} وفي عام 1916، تقدم مخترع التوربينات البخارية الفرنسي أوغست راتو بطلب للحصول على براءة اختراع مبكرة أخرى للشواحن التوربينية ، لاستخدامها في محركات رينو المستخدمة في الطائرات المقاتلة الفرنسية. ^{[ 10 ] [ 14 ]} في سياق منفصل، أظهرت اختبارات أجرتها اللجنة الاستشارية الوطنية للملاحة الجوية (NACA) وسانفورد ألكسندر موس عام 1917 أن الشاحن التوربيني يمكن أن يمكّن المحرك من تجنب أي فقد في الطاقة (مقارنةً بالطاقة المنتجة عند مستوى سطح البحر) على ارتفاع يصل إلى 4250 مترًا (13944 قدمًا) فوق مستوى سطح البحر. ^{[ 10 ]} أُجريت الاختبارات في قمة بايكس بيك بالولايات المتحدة باستخدام محرك طائرة ليبرتي L-12 . ^{[ 14 ]}  

كان أول تطبيق تجاري للشاحن التوربيني في يونيو 1924، عندما تم تسليم أول شاحن توربيني للخدمة الشاقة، طراز VT402، من مصانع براون، بوفيري وشركاه في بادن ، تحت إشراف ألفريد بوشي، إلى شركة SLM، وهي شركة سويسرية لصناعة القاطرات والآلات في فينترتور. ^{[ 15 ]} وتلا ذلك مباشرةً في عام 1925، عندما نجح ألفريد بوشي في تركيب شواحن توربينية على محركات ديزل ذات عشر أسطوانات، مما زاد من قدرة المحرك من 1300 إلى 1860 كيلوواط (1750 إلى 2500 حصان) . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} استخدمت وزارة النقل الألمانية هذا المحرك في سفينتين كبيرتين لنقل الركاب، هما بروسن وهانزشتات دانزيغ . تم ترخيص التصميم لعدة شركات مصنعة، وبدأ استخدام الشواحن التوربينية في التطبيقات البحرية، وعربات السكك الحديدية، والتطبيقات الثابتة الكبيرة. ^{[ 13 ]} 

استُخدمت الشواحن التوربينية في العديد من محركات الطائرات خلال الحرب العالمية الثانية، بدءًا من طائرة بوينغ بي-17 فلاينغ فورتريس في عام 1938، والتي استخدمت شواحن توربينية من إنتاج شركة جنرال إلكتريك. ^{[ 10 ] [ 19 ]} وشملت الطائرات الأخرى التي استخدمت الشواحن التوربينية في وقت مبكر طائرة كونسوليديتد بي-24 ليبراتور ، ولوكهيد بي-38 لايتنينغ ، وريبابليك بي-47 ثندربولت ، والنسخ التجريبية من طائرة فوك-وولف إف دبليو 190 .

كان أول تطبيق عملي لتقنية الشحن التوربيني في الشاحنات من قِبل شركة ساورر السويسرية لتصنيع الشاحنات في ثلاثينيات القرن العشرين. وقد تم تصنيع محركات BXD وBZD مع خيار الشحن التوربيني ابتداءً من عام 1931. ^{[ 20 ]} وقد لعبت الصناعة السويسرية دورًا رائدًا في مجال محركات الشحن التوربيني، كما يتضح من شركات سولزر وساورر وبراون، بوفيري وشركاه . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

بدأ مصنّعو السيارات أبحاثهم حول المحركات المزودة بشاحن توربيني خلال خمسينيات القرن الماضي؛ إلا أن مشكلتي "تأخر التوربو" (تأخر توليد الطاقة الناتج عن الوقت اللازم للشاحن التوربيني للوصول إلى ذروة سرعة الدوران) وحجم الشاحن التوربيني الكبير لم تُحلا آنذاك. ^{[ 8 ] [ 13 ]} وكانت أولى السيارات المزودة بشاحن توربيني هما شيفروليه كورفير مونزا وأولدزموبيل جيتفاير ، اللتان لم تستمرا طويلاً، وقد طُرحتا في عام 1962. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

حققت الشواحن التوربينية نجاحًا مبكرًا في رياضة السيارات. كان سباق إنديانابوليس 500 عام 1968 أول سباق مسجل وواسع النطاق يُفوز به باستخدام محرك مزود بشاحن توربيني، واستمرت الشواحن التوربينية في الحفاظ على لقبها في هذا المضمار لسنوات لاحقة. كانت بورش رائدة في استخدام الشواحن التوربينية في محركات الإنتاج الضخم، مثل المحركات المشتقة من بورش 911 عام 1963. تم تزويد المحرك ذي الست أسطوانات المسطحة المبرد بالهواء، المشابه لمحرك شيفروليه كورفير السابق، بشاحن توربيني عام 1973. فازت سيارتا بورش 935 وبورش 936 ببطولتي العالم للسيارات الرياضية عام 1976، بالإضافة إلى فوزهما بسباق لومان 24 ساعة ، مما أثبت موثوقيتهما. في سباقات الفورمولا 1 ، تحققت أولى الانتصارات باستخدام الشواحن التوربينية في أواخر السبعينيات، نظرًا لتفوق الشواحن التوربينية في تزويد المحركات الصغيرة بقوة أكبر. كما فازت بأول بطولة عالمية للفورمولا 1 في عام 1983، بمحرك رباعي الأسطوانات يعتمد على طراز BMW M10 ويعود تاريخه إلى عام 1961.

Turbodiesel passenger cars entered the global market in the 1970s, with the Mercedes 300 D. Greater adoption of turbocharging in passenger cars began in the 1980s, as a way to increase the performance of smaller displacement engines.^[10]

Like other forced induction devices, a compressor in the turbocharger pressurises the intake air before it enters the inlet (intake) manifold.^[25] In the case of a turbocharger, the compressor is powered by the kinetic energy of the engine's exhaust gases, which is extracted by the turbocharger's turbine.^[26][27]

The main components of the turbocharger are:

• Turbine – usually a radial turbine design
• Compressor – usually a centrifugal compressor
• Center housing hub rotating assembly

Turbine

The turbine section (also called the "hot side" or "exhaust side" of the turbo) is where the rotational force is produced, in order to power the compressor (via a rotating shaft through the center of a turbo). After the exhaust has spun the turbine, it continues into the exhaust piping and out of the vehicle.

The turbine uses a series of blades to convert kinetic energy from the flow of exhaust gases to mechanical energy of a rotating shaft (which is used to power the compressor section). The turbine housings direct the gas flow through the turbine section, and the turbine itself can spin at speeds of up to 250,000 rpm.^[28][29] Some turbocharger designs are available with multiple turbine housing options, allowing a housing to be selected to best suit the engine's characteristics and the performance requirements.

A turbocharger's performance is closely tied to its size,^[30] and the relative sizes of the turbine wheel and the compressor wheel. Large turbines typically require higher exhaust gas flow rates, therefore increasing turbo lag and increasing the boost threshold. Small turbines can produce boost quickly and at lower flow rates, since they have lower rotational inertia, but can be a limiting factor in the peak power produced by the engine.^[31][32] Various technologies, as described in the following sections, are often aimed at combining the benefits of both small turbines and large turbines.

تستخدم محركات الديزل الكبيرة في كثير من الأحيان توربينًا محوريًا أحادي المرحلة بدلاً من التوربين الشعاعي. ^{[ 33 ]}

شاشة مزدوجة التمرير

يستخدم الشاحن التوربيني ثنائي اللفائف مدخلين منفصلين لغازات العادم، للاستفادة من نبضات تدفق غازات العادم من كل أسطوانة. ^{[ 34 ]} في الشاحن التوربيني القياسي (أحادي اللفائف)، تتحد غازات العادم من جميع الأسطوانات وتدخل الشاحن التوربيني عبر مدخل واحد، مما يؤدي إلى تداخل نبضات الغاز من كل أسطوانة. أما في الشاحن التوربيني ثنائي اللفائف، فتُقسم الأسطوانات إلى مجموعتين لزيادة النبضات إلى أقصى حد. يفصل مشعب العادم الغازات من هاتين المجموعتين، ثم تمر عبر حجرتين حلزونيتين منفصلتين ("لفائف") قبل دخولها إلى غلاف التوربين عبر فوهتين منفصلتين. يُسهم تأثير التنظيف الناتج عن نبضات الغاز هذه في استعادة المزيد من الطاقة من غازات العادم، وتقليل الفقد العكسي الطفيلي، وتحسين الاستجابة عند سرعات المحرك المنخفضة. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

ومن السمات الشائعة الأخرى للشواحن التوربينية ثنائية التمرير أن الفوهتين مختلفتان في الحجم: الفوهة الأصغر مثبتة بزاوية أكثر حدة وتستخدم للاستجابة عند دورات المحرك المنخفضة، بينما الفوهة الأكبر أقل زاوية ومُحسَّنة للأوقات التي تتطلب فيها القدرة العالية. ^{[ 37 ]}

• 
  رسم توضيحي مقطعي يُظهر اللفتين المزدوجتين لمحرك ميتسوبيشي (اللفافة الأكبر مضاءة باللون الأحمر)
• 
  مشعب العادم الشفاف ولفائف التوربو في محرك هيونداي جاما ، يظهر الأسطوانات المزدوجة (1 و4 و2 و3).

هندسة متغيرة

تُستخدم الشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة (المعروفة أيضًا باسم الشواحن التوربينية ذات الفوهات المتغيرة ) لتغيير نسبة العرض إلى الارتفاع الفعالة للشاحن التوربيني مع تغير ظروف التشغيل. ويتم ذلك باستخدام ريش قابلة للتعديل موجودة داخل غلاف التوربين بين المدخل والتوربين، والتي تؤثر على تدفق الغازات باتجاه التوربين. تستخدم بعض الشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة مشغلًا كهربائيًا دوارًا لفتح وإغلاق الريش، ^{[ 38 ]} بينما تستخدم أنواع أخرى مشغلًا هوائيًا .

إذا كانت نسبة أبعاد التوربين كبيرة جدًا، فلن يتمكن الشاحن التوربيني من توليد ضغط تعزيز كافٍ عند السرعات المنخفضة؛ أما إذا كانت صغيرة جدًا، فسيؤدي ذلك إلى اختناق المحرك عند السرعات العالية، مما ينتج عنه ارتفاع ضغط مشعب العادم، وزيادة فقدان الطاقة، وبالتالي انخفاض القدرة الناتجة. من خلال تغيير هندسة غلاف التوربين مع تسارع المحرك، يمكن الحفاظ على نسبة أبعاد الشاحن التوربيني عند المستوى الأمثل. ولهذا السبب، غالبًا ما تتميز الشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة بانخفاض تأخر الاستجابة، وانخفاض عتبة ضغط التعزيز، وزيادة الكفاءة عند سرعات المحرك العالية. ^{[ 30 ] [ 31 ]} وتكمن فائدة الشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة في أن نسبة الأبعاد المثلى عند سرعات المحرك المنخفضة تختلف اختلافًا كبيرًا عن تلك عند سرعات المحرك العالية.

الشواحن التوربينية المدعومة كهربائياً

يجمع الشاحن التوربيني المدعوم كهربائياً بين توربين تقليدي يعمل بغازات العادم ومحرك كهربائي، بهدف تقليل تأخر استجابة التوربو. وقد مكّنت التطورات التي شهدتها تكنولوجيا الشواحن التوربينية الكهربائية في أوائل العقد الثالث من القرن الحادي والعشرين، مثل دمج الأنظمة الهجينة الخفيفة، ^{[ 39 ] الشواحن التوربينية من بدء الدوران قبل أن توفر غازات العادم الضغط الكافي. [ 40 ]} وهذا بدوره يقلل من تأخر استجابة التوربو ^{[ 41 ]} ويحسن كفاءة المحرك، خاصةً أثناء القيادة بسرعات منخفضة وفي ظروف التوقف والانطلاق المتكررة في المناطق الحضرية. ويختلف هذا عن الشاحن الفائق الكهربائي ، الذي يستخدم محركاً كهربائياً فقط لتشغيل الضاغط.

ضاغط

يسحب الضاغط الهواء الخارجي عبر نظام سحب المحرك، ويضغطه، ثم يضخه إلى غرف الاحتراق (عبر مشعب السحب ). يتكون قسم الضاغط في الشاحن التوربيني من دافع، وموزع، وغلاف حلزوني. تُوصف خصائص تشغيل الضاغط بواسطة مخطط الضاغط . ^{[ 1 ]}

غطاء منفذ

تستخدم بعض الشواحن التوربينية "غطاءً ذا فتحات"، حيث تسمح حلقة من الثقوب أو الأخاديد الدائرية بتسريب الهواء حول شفرات الضاغط. تتميز تصاميم الغطاء ذي الفتحات بمقاومة أكبر لارتفاع ضغط الضاغط، ويمكنها تحسين كفاءة عجلة الضاغط. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

أبسط أنواع الشواحن التوربينية هو الشاحن التوربيني ذو العوامة الحرة . ^{[ 45 ]} يستطيع هذا النظام تحقيق أقصى ضغط عند أقصى عدد دورات للمحرك وفتح الخانق بالكامل، إلا أنه يتطلب مكونات إضافية لإنتاج محرك قادر على العمل في نطاق واسع من ظروف الحمل وعدد الدورات في الدقيقة. ^{[ 45 ]}

المكونات الإضافية التي تُستخدم عادةً مع الشواحن التوربينية هي:

• المبرد البيني - مشعاع يستخدم لتبريد هواء السحب بعد ضغطه بواسطة الشاحن التوربيني ^{[ 46 ]}
• حقن الماء - رش الماء في غرفة الاحتراق، من أجل تبريد هواء السحب ^{[ 47 ]}
• صمام تصريف الضغط - العديد من الشواحن التوربينية قادرة على إنتاج ضغوط تعزيز في بعض الظروف أعلى مما يمكن للمحرك تحمله بأمان، لذلك غالبًا ما يتم استخدام صمام تصريف الضغط للحد من كمية غازات العادم التي تدخل التوربين.
• صمام تصريف الضغط - لمنع توقف الضاغط عند إغلاق الخانق

يشير تأخر التوربو إلى التأخير الذي يحدث بين الضغط على دواسة الوقود وبدء تشغيل الشاحن التوربيني لتوفير ضغط التعزيز، بافتراض أن سرعة دوران المحرك ضمن نطاق تشغيل الشاحن التوربيني. ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} ويعود هذا التأخير إلى زيادة تدفق غازات العادم (بعد فتح دواسة الوقود فجأة)، مما يستغرق وقتًا لتدوير التوربين إلى السرعات اللازمة لتوليد ضغط التعزيز. ^{[ 51 ]} ويؤدي تأخر التوربو إلى انخفاض استجابة دواسة الوقود ، على شكل تأخير في توصيل الطاقة. ^{[ 52 ]} أما الشواحن الفائقة فلا تعاني من تأخر التوربو لأن آلية الضاغط تعمل مباشرة بواسطة المحرك. ^{[ 50 ]}

تشمل طرق تقليل تأخر استجابة التوربو ما يلي:

• خفض القصور الذاتي الدوراني للشاحن التوربيني باستخدام أجزاء ذات نصف قطر أصغر ومواد سيراميكية ومواد أخرى أخف وزناً ^{[ 53 ] [ 54 ]}
• تغيير نسبة أبعاد التوربين (نسبة A/R)
• زيادة ضغط الهواء في الطابق العلوي (تفريغ الضاغط) وتحسين استجابة صمام تصريف الضغط
• تقليل خسائر الاحتكاك في المحامل، على سبيل المثال، باستخدام محمل رقائقي بدلاً من محمل الزيت التقليدي
• باستخدام شواحن توربينية متغيرة الفوهة أو ثنائية التمرير
• تقليل حجم أنابيب الطابق العلوي ^{[ 54 ]}
• استخدام شواحن توربينية متعددة بالتتابع أو بالتوازي
• استخدام نظام مضاد للتأخر
• استخدام صمام بكرة الشاحن التوربيني لزيادة سرعة تدفق غاز العادم إلى التوربين (ثنائي التمرير)
• استخدام صمام فراشة لدفع غاز العادم عبر ممر أصغر في مدخل التوربو
• الشواحن التوربينية الكهربائية ^{[ 55 ]} والشواحن التوربينية الهجينة .

تُعدّ عتبة التعزيز ظاهرة مشابهة تُشخّص خطأً على أنها تأخر استجابة الشاحن التوربيني . ^{[ 56 ]} وهي الحالة التي تكون فيها سرعة دوران المحرك (عدد دورات المحرك في الدقيقة) أقل من نطاق تشغيل نظام الشاحن التوربيني، وبالتالي لا يستطيع المحرك توليد تعزيز كبير. عند عدد دورات منخفض، لا يكفي معدل تدفق غاز العادم لتدوير التوربين بالقدر الكافي.

يؤدي عتبة التعزيز إلى تأخير في توصيل الطاقة عند عدد دورات منخفض (حيث يجب على المحرك غير المعزز تسريع السيارة لزيادة عدد الدورات فوق عتبة التعزيز)، بينما يؤدي تأخر التوربو إلى تأخير في توصيل الطاقة عند عدد دورات أعلى.

تستخدم بعض المحركات عدة شواحن توربينية، عادةً لتقليل تأخر التوربو، أو لزيادة نطاق دورات المحرك في الدقيقة الذي يُنتج فيه ضغط التوربو، أو لتبسيط تصميم نظام السحب/العادم. الترتيب الأكثر شيوعًا هو شاحنان توربينيان، ومع ذلك، فقد استُخدمت أحيانًا ترتيبات ثلاثية أو رباعية التوربو في سيارات الإنتاج مثل محرك Bugatti W16 ، المستخدم في العديد من سيارات Bugatti . ^{[ 57 ]}

يتمثل الفرق الرئيسي بين الشاحن التوربيني والشاحن الفائق في أن الشاحن الفائق يُدار ميكانيكيًا بواسطة المحرك (غالبًا عبر سير متصل بعمود المرفق )، بينما يُدار الشاحن التوربيني بواسطة الطاقة الحركية لغازات عادم المحرك . ^{[ 58 ]} لا يُحمّل الشاحن التوربيني المحرك بحمل ميكانيكي مباشر، على الرغم من أنه يُولّد ضغطًا عكسيًا للعادم على المحركات، مما يزيد من فقدان الطاقة. ^{[ 58 ]}

تُعد المحركات المزودة بشاحن فائق شائعة في التطبيقات التي يكون فيها استجابة دواسة الوقود مصدر قلق رئيسي، كما أن المحركات المزودة بشاحن فائق أقل عرضة لتسخين هواء السحب.

تم استخدام الشواحن التوربينية في التطبيقات التالية:

• محركات السيارات التي تعمل بالبنزين
• محركات السيارات والشاحنات التي تعمل بالديزل
• محركات الدراجات النارية (نادراً جداً)
• محركات الشاحنات التي تعمل بالديزل ، بدءًا من شاحنة ساورر في عام 1938 ^{[ 60 ]}
• محركات الديزل للحافلات والمركبات السياحية
• محركات الطائرات المكبسية
• محركات بحرية
• قاطرات ومحركات ديزل متعددة الوحدات للقطارات
• المحركات الثابتة/الصناعية

في عام 2017، كانت 27% من المركبات المباعة في الولايات المتحدة مزودة بشواحن توربينية. ^{[ 61 ]} وفي أوروبا، بلغت نسبة المركبات المزودة بشواحن توربينية 67% في عام 2014. ^{[ 62 ]} تاريخيًا، كانت أكثر من 90% من الشواحن التوربينية تعمل بالديزل، إلا أن استخدامها في محركات البنزين آخذ في الازدياد. ^{[ 63 ]} وتُعد شركات Garrett Motion (التي كانت تُعرف سابقًا باسم Honeywell)، و BorgWarner ، و Mitsubishi Turbocharger من أكبر الشركات المصنعة للشواحن التوربينية في أوروبا والولايات المتحدة . ^{[ 2 ] [ 64 ] [ 65 ]}

تُعد أعطال الشاحن التوربيني وما ينتج عنها من ارتفاع في درجات حرارة العادم من بين الأسباب العديدة لحرائق السيارات. ^{[ 66 ]}

سيؤدي تلف موانع التسرب إلى تسرب الزيت إلى نظام العادم، مما ينتج عنه في كثير من الأحيان دخان أزرق رمادي. ^{[ 67 ]} بالنسبة لمحركات الديزل، قد يتسبب ذلك في حدوث خلل في احتراق الوقود .

• مقياس ضغط التوربو
• تقليص حجم المحرك
• شحن ضغط نبض العادم
• محرك توربيني ساخن على شكل حرف V