يُولد المحرك الطاقة عن طريق حرق الوقود داخل الأسطوانات لأداء العمل. ونظرًا لأن كمية الوقود الداخلة محدودة بحجم الهواء المسحوب إلى الأسطوانات، فإن قدرة المحرك تكون محدودة بالتالي. إذا كان أداء المحرك في أفضل حالاته، فلا يمكن زيادة قدرته إلا بضغط المزيد من الهواء في الأسطوانات لزيادة كمية الوقود، وبالتالي تحسين قدرة المحرك على أداء العمل.

يُعد نظام الشاحن التوربيني أحد أكثر أنظمة الشحن القسري شيوعًا في المحركات المزودة بشاحن فائق.

إذا أمكن، خلال نفس وحدة الزمن، ضغط حجم أكبر من خليط الهواء والوقود قسرًا داخل الأسطوانة (غرفة الاحتراق) للاحتراق (يمكن لمحرك صغير الإزاحة أن "يسحب" نفس حجم الهواء الذي يسحبه محرك كبير الإزاحة، مما يزيد من كفاءته الحجمية)، فإنه يستطيع توليد طاقة أكبر من محرك يعمل بسحب الهواء الطبيعي عند نفس سرعة الدوران. يشبه هذا المبدأ توجيه مروحة كهربائية إلى داخل الأسطوانة، لضخ الهواء قسرًا لزيادة حجمها وبالتالي الحصول على قدرة حصانية أكبر. يكمن الاختلاف في مصدر الطاقة: فبدلًا من محرك كهربائي، تُدار المروحة بواسطة غازات العادم المنبعثة من المحرك.

عادةً، تحقق المحركات المزودة بشاحن توربيني زيادة في القدرة تتراوح بين 30 و40% على الأقل. هذا التأثير الملحوظ هو السبب الرئيسي وراء القيمة العالية التي تحظى بها الشواحن التوربينية. علاوة على ذلك، يمثل تحقيق كفاءة احتراق مثالية وزيادة كبيرة في القدرة القيمة الأساسية التي يقدمها نظام الشحن التوربيني للمركبة.

إذن، كيف يعمل الشاحن التوربيني بالضبط؟

أولًا، تدفع غازات العادم المنبعثة من المحرك دافعة التوربين عند مخرج العادم (الجانب الأيمن في الرسم التوضيحي أعلاه)، مما يؤدي إلى دورانها. هذا الدوران بدوره يدفع دافعة الضاغط المتصلة بها على الجانب المقابل (الجانب الأيسر). ثم تسحب دافعة الضاغط الهواء بقوة عبر المدخل. يُضغط هذا الهواء بواسطة الشفرات الدوارة قبل دخوله إلى ممرات ضغط أضيق تدريجيًا للضغط الثانوي. تتجاوز درجة حرارة هذا الهواء المضغوط درجة حرارة هواء السحب، مما يستلزم تبريده بواسطة مبرد وسيط قبل حقنه في غرف الاحتراق. تشكل هذه العملية الدورية مبدأ عمل الشاحن التوربيني.

وظيفة صمام الخانق

يحتوي نظام سحب الهواء في المحرك على مكونين رئيسيين: أولهما فلتر الهواء، المسؤول عن تنقية الهواء من الشوائب؛ وثانيهما مشعب السحب، الذي يوجه الهواء إلى الأسطوانات. ويوجد داخل مشعب السحب مكون بالغ الأهمية يُعرف بصمام الخانق.

تتمثل الوظيفة الأساسية لصمام الخانق في تنظيم كمية خليط الهواء والوقود الداخل إلى الأسطوانات. أثناء القيادة، يتحكم مدى الضغط على دواسة الوقود مباشرةً في فتحة صمام الخانق. فكلما زاد الضغط على الدواسة، اتسعت فتحة صمام الخانق، مما يسمح بدخول كمية أكبر من خليط الهواء والوقود، وبالتالي زيادة سرعة دوران المحرك.

تستخدم أنظمة الخانق التقليدية التي تعمل بالكابلات كابلًا فولاذيًا موصولًا من أحد طرفيه بدواسة الوقود ومن الطرف الآخر بصمام الخانق، بنسبة نقل 1:1. لا تُحقق هذه الطريقة دقة تحكم مثالية. في المقابل، تستخدم أنظمة الخانق الإلكترونية الحديثة مستشعرات موضعية لنقل بيانات مثل قوة وسعة الضغط على دواسة الوقود إلى وحدة التحكم لتحليلها. تُفسر هذه العملية نية السائق، وبعد ذلك تحسب وحدة التحكم الإلكترونية فتحة الخانق المطلوبة فعليًا وتصدر أوامر لتشغيل محرك الخانق، مما يحقق تحكمًا دقيقًا في الخانق.

هل طول مشعب السحب متغير؟

يُمكن لصمام تحكم مُثبّت داخل مشعب السحب تقسيمه إلى قسمين عن طريق الفتح والإغلاق، مما يُغيّر طوله الفعال. يهدف هذا التعديل في طول مشعب السحب بشكل أساسي إلى تحسين كفاءة سحب المحرك عند سرعات دوران مُختلفة، وبالتالي تحسين أداء توصيل الطاقة في جميع نطاقات دوران المحرك.

لماذا يتميز مشعب العادم بهذا الشكل الغريب؟

يتألف نظام عادم السيارة بشكل أساسي من مشعب العادم، والمحول الحفاز ثلاثي الاتجاهات، وكاتم الصوت، وأنابيب العادم. وتتمثل وظيفته الرئيسية في طرد غازات الاحتراق من الأسطوانات إلى الغلاف الجوي.

تتميز مشعبات العادم التي نراها عادةً بأشكال غريبة نوعًا ما. يهدف هذا التصميم إلى تقليل التداخل بين غازات العادم من الأسطوانات المختلفة أو حدوث ارتداد الغازات، وبالتالي منع أي تأثير سلبي على قوة المحرك.

كيف يعمل الشاحن التوربيني على زيادة الضغط؟

يُختصر مصطلح الشحن التوربيني عادةً إلى Turbo أو T. عندما نرى علامات مثل 1.4T أو 2.0T على الجزء الخلفي من السيارة، فهذا يشير إلى أن المحرك مزود بشاحن توربيني.

يتكون الشاحن التوربيني بشكل أساسي من جزأين: التوربين والضاغط، ويربط بينهما عمود إدارة. يرتبط مدخل التوربين بمشعب عادم المحرك، بينما يرتبط مخرجه بأنبوب العادم. أما مدخل الضاغط فيرتبط بمشعب السحب، ومخرجه بمشعب السحب. تصطدم غازات العادم المنبعثة من المحرك بالتوربين، مما يؤدي إلى دورانه بسرعة عالية. وهذا بدوره يدفع الضاغط المحوري إلى الدوران بسرعة، دافعًا الهواء المضغوط بقوة إلى الأسطوانات.

تعتمد تقنية الشحن التوربيني بشكل أساسي على استغلال طاقة غازات عادم المحرك لتشغيل ضاغط، مما يزيد من ضغط الهواء الداخل. لا تستهلك هذه العملية أي طاقة تقريبًا من المحرك، مما يوفر تسارعًا ممتازًا ومستدامًا. مع ذلك، عند السرعات المنخفضة، لا يستطيع الشاحن التوربيني العمل فورًا، مما يؤدي إلى تأخير طفيف في الاستجابة.

ماذا عن الشحن الفائق الميكانيكي؟

تعتمد عملية الشحن الفائق الميكانيكي بشكل أساسي على استخدام طاقة عمود المرفق لتشغيل ضاغط هواء ميكانيكي، وبالتالي ضغط الهواء. ومع ذلك، تتسبب هذه العملية في فقدان قدر معين من طاقة المحرك أثناء التشغيل.

بما أن الشاحن التوربيني الميكانيكي يُدار مباشرةً بواسطة عمود المرفق، فإنه يبدأ العمل بمجرد تشغيل المحرك. ونتيجةً لذلك، يُنتج المحرك عزم دوران هائلاً حتى عند السرعات المنخفضة. مع ذلك، أثناء التشغيل بسرعات عالية، يُسبب الشاحن التوربيني الميكانيكي فقدًا كبيرًا في طاقة المحرك، مما يؤدي إلى انخفاض ملحوظ في زيادة الطاقة.

كيف يعمل محرك مزود بشاحن توربيني مزدوج؟

يشير مصطلح "محرك ثنائي الشحن"، كما يوحي اسمه، إلى محرك مزود بشاحنين فائقين. أما إذا استخدم المحرك شاحنين توربينيين، فيُطلق عليه اسم "محرك ثنائي التوربو".

لمعالجة تأخر استجابة الشاحن التوربيني في الأنظمة التي تعمل بغازات العادم، يتم توصيل توربينين متطابقين على التوازي على مشعب العادم. عند سرعات المحرك المنخفضة، يمكن لتدفق العادم المنخفض أن يدفع التوربينين إلى سرعات دوران عالية، مما يولد ضغط تعزيز كافياً وبالتالي يقلل من تأخر استجابة الشاحن التوربيني.

كما ذُكر سابقاً، تُظهر الشواحن التوربينية تأخراً في الاستجابة عند سرعات المحرك المنخفضة، لكنها تُوفر ضغطاً كبيراً عند السرعات العالية، مما يُحسّن قوة المحرك بشكل ملحوظ دون استهلاك كبير للطاقة. في المقابل، تعمل الشواحن الفائقة الميكانيكية مباشرةً بدوران المحرك، مما يُزيل تأخر استجابة الشاحن التوربيني ولكنه يُسبب بعض فقدان الطاقة ويُوفر مستويات ضغط أقل. يُتيح الجمع بين هذين النظامين الاستفادة من مزايا كل منهما.

كما هو الحال مع محرك TSI سعة 1.4 لتر المُجهز به فولكس فاجن جولف جي تي، جمع المصممون بين شاحن توربيني وشاحن فائق. يُركّب الشاحن الفائق على نظام سحب الهواء في المحرك، بينما يُركّب الشاحن التوربيني على نظام العادم. يضمن هذا الترتيب توصيلًا فعالًا للضغط عبر نطاق سرعة المحرك بالكامل، من السرعات المنخفضة إلى العالية.

مبدأ عمل الشاحن التوربيني

إن مبدأ عمل الشاحن التوربيني بسيط للغاية. ببساطة، يستغل غازات العادم المنبعثة من المحرك لتشغيل التوربين. بدوره، يقوم هذا التوربين بتشغيل مروحة متصلة بنفس المحور، مما يدفع الهواء النقي باستمرار إلى أسطوانات المحرك. ونتيجة لذلك، يدخل المزيد من الهواء إلى الأسطوانات في وحدة الزمن، مما يعزز كفاءة المحرك.

تُعدّ الشواحن التوربينية مكونات عالية الحرارة، إذ تُسحب الغازات المُشغّلة لها مباشرةً من غازات العادم المنبعثة من الأسطوانات، لتصل درجة حرارتها إلى ما بين 900 و1000 درجة مئوية. في ظل ظروف الحمل الكامل، قد تصل سرعة دوران التوربين إلى ما بين 180,000 و200,000 دورة في الدقيقة. يتطلب التشغيل في ظل هذه الدرجات الحرارة والسرعات الدورانية العالية تزييتًا فائق الكفاءة والاستقرار. علاوة على ذلك، يتطلب العمل في ظروف الضغط والحرارة العالية أن تتمتع جميع مكونات الشاحن التوربيني ومواد التشحيم بمقاومة حرارية ممتازة وخصائص إحكام فائقة. لذا، ينبغي أن تركز الصيانة على الجوانب التالية:

1. اختيار زيت المحرك

يجد العديد من سائقي السيارات أنفسهم في حيرة من أمرهم عند اختيار زيت المحرك المناسب. عادةً ما ينجم تلف الشواحن التوربينية عن تلف موانع التسرب الزيتية بين الوحدة ومشعب السحب، مما يؤدي إلى استهلاك كبير للزيت. تكشف التحقيقات المتخصصة أن نسبة كبيرة من حالات تلف موانع التسرب الزيتية ناتجة عن إهمال أصحاب السيارات تغيير زيت المحرك في الفترات الموصى بها، أو استخدام زيت رديء الجودة. هذا يمنع عمود الدوران الرئيسي العائم للشاحن التوربيني من الحصول على التزييت الكافي وتبديد الحرارة اللازم، مما يؤدي إلى تدهور مانع التسرب الزيتي تحت درجات الحرارة العالية، وبالتالي تسرب الزيت.

لذلك يوصى بتزويد المحركات المزودة بشاحن توربيني بزيت محرك عالي الجودة يوفر مقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية وثباتًا ضد الأكسدة، مع ضمان تقصير فترة تغيير الزيت بشكل مناسب.

2. تأكد من بقاء التوربين نظيفًا

الخلوص بين عمود الشاحن التوربيني وجلبة المحمل صغير للغاية. لذا، فإن استخدام زيت محرك ملوث، أو دخول الشوائب نتيجة اتساخ فلتر الزيت، سيؤدي إلى تآكل مفرط في الشاحن التوربيني. علاوة على ذلك، إذا احتوى هواء السحب على شوائب كبيرة، فإن جزيئات الغبار هذه التي تدخل إلى دافعة التوربين عالية السرعة ستصطدم بها. ينتج عن ذلك تشغيل غير مستقر للتوربين وتآكل متسارع لجلبات المحامل والأختام. لذلك، يجب على المركبات المجهزة بشواحن توربينية الحرص على استبدال كل من فلتر الزيت وفلتر الهواء فورًا للحفاظ على نظافة الشاحن التوربيني.

3. يجب أن تكون عمليات بدء التشغيل الباردة تدريجية؛ اترك المحرك يعمل على وضع الخمول للحظة بعد التسخين قبل إيقاف تشغيله.

خلال المراحل الأولى من بدء تشغيل المحرك البارد، يكون زيت المحرك عادةً في درجة حرارة منخفضة ولزوجة عالية، مما يؤدي إلى تزييت غير كافٍ. يتطلب الوصول إلى درجة حرارة التشغيل الطبيعية عملية تدريجية ووقتًا. إن إجبار الشاحن التوربيني على العمل بكامل طاقته خلال هذه الدقائق القليلة الأولى سيزيد من التآكل، وبالتالي يُقصر عمره الافتراضي.

الطريقة الصحيحة هي كالتالي: خلال الدقائق الأولى من القيادة، حافظ على سرعة منخفضة لعدة دقائق للسماح للزيت بالوصول إلى حالته المثلى قبل زيادة سرعة المحرك. هذا الأمر بالغ الأهمية، خاصةً في فصل الشتاء في المناطق الشمالية، حيث من الضروري تسخين السيارة بعد تشغيلها وهي باردة قبل الانطلاق. هذا يُفيد كلاً من السيارة والسائق.

عند ركن السيارة، ونظرًا لأن التوربو يعمل في درجات حرارة عالية جدًا، يُنصح بتشغيل المحرك على وضع الخمول لفترة وجيزة قبل إيقافه. في هذه المرحلة، يظل نظاما الزيت والتبريد في المحرك يعملان، مما يسمح لدرجة حرارة التوربو بالانخفاض تدريجيًا. تجدر الإشارة إلى أنه بعد إيقاف المحرك، سيستمر التوربو في الدوران بفعل القصور الذاتي، وسيظل بحاجة إلى تزييت الزيت. في حال إيقاف المحرك فجأة، سيتوقف نظام المحرك بالكامل عن العمل، مما يؤدي إلى توقف نظام تبريد التوربو وإمداده بالزيت بشكل مفاجئ. عندها سيعتمد التوربو كليًا على التبريد الطبيعي، مما قد يُقلل بشكل كبير من عمره الافتراضي.

4. عمليات التفتيش المنتظمة مهمة

تمامًا كما هو الحال مع الفحوصات الطبية الدورية للجسم، فإن ترسيخ هذه العادة الجيدة يساعدنا على اكتشاف أعطال الشاحن التوربيني بسرعة ومنع حدوث المشاكل قبل وقوعها. على سبيل المثال: افحص الجزء الخارجي من الشاحن التوربيني بحثًا عن حلقات منع التسرب التالفة؛ وتأكد من سلامة وصلات أنابيب دخول الزيت وعودته من أي ارتخاء أو تسريب؛ وافحص مخرج العادم بحثًا عن أي بقايا زيت؛ وتأكد من خلو جدران قناة مدخل الضاغط من الزيت؛ واستمع جيدًا لأي أصوات غير معتادة أو اهتزازات غير طبيعية. في حال اكتشاف أي من هذه المخالفات أثناء التشغيل الروتيني، فإن الصيانة الفورية من قبل فني متخصص ضرورية لمنع حدوث تلف أكبر للمكونات.