توربو شارژر موتور کشتی

در موتورهای دوزمانه کراس هد باید هوایی با فشار بالاتر از فشار اتمسفر وارد موتور شود تا موتور دیزل بتواند کار کند. اگرچه اولین توربو شارژرها بر روی موتورهای aero در جنگ جهانی اول به کار گرفته شد اما تا سال 1950 در موتورهای دوزمانه بزرگ از سیستم توربوشارژر استفاده نشد.

قبل از به کارگیری هوای فشرده برای تامین هوای احتراق، از فضای زیر پیستون تنها استفاده می شد و یا کمپرسور هوا به صورت مکانیکی به کار رفته می شد. در واقع در این روش از نیروی موتور برای تولید هوای فشرده استفاده می شد که این امر خود دلیلی بر کاهش بازدهی موتور بود.

قدرت موتور در طول 20 سال گذشته به صورت چشمگیری افزایش یافته است.در سال 1980 موتوری با توان 15000 کیلو وات یک موتور قدرتمند بحساب می آمد. اما امروزه موتورهایی که تولید شده اند قدرتی 4یا 5 برابر بیشتر از موتورهای مدل قدیمی دارند. این موضوع تنها به دلیل بهبود مواد و تکنیک های ساخت نیست بلکه به دلیل بهبود و پیشرفت در طراحی توربو شارژر نصب شده روی موتور است.

مقدار انرژی که در یک موتور تولید می شود بستگی به 2 عامل دارد؛ مقدار سوختی که در هر سیکل سوخته می شود و بازدهی موتور.

سوخت شامل کربن و هیدروژن است.با سوختن سوخت در اکسیژن انرژی موجود در سوخت آزاد می شود و به کار و گرما تبدیل می شود. سوخت بیشتری ار در هر سیکل سوخته شود انرژی بیشتری آزاد می شود.

هر مقداری که سوخت در هر سیکل کارکرد موتور سوخته شود به همان میزان نیز باید مقدار هوا افزایش یابد. به عنوان مثال اگر یک موتور با 10 سیلندر را در نظر بگیریم که دارای قطری برابر با 850 میلیمتر و استروک 2٫35 متر باشد باید 1 کیلوگرم سوخت را در هر دور گردش بسوزاند تا قدرتی برابر 38500 کیلووات در 105 دور در دقیقه تولید کند. این بدان معناست که هر سیلندر معادل 0٫1 کیلوگرم در هر استروک سوخت می سوزاند. برای اینکه سوخت به طور کامل سوخته شود باید هوای معادل 220% هوای مورد نیاز تئوری استفاده شود. زیرا حدود 14 کیلوگرم اکسیژن لازم است که به صورت تئوری 1 کیلو سوخت مصرف شود پس 4٫5 کیلو از هوا باید برای هر سیلندر فرستاده شود تا 0٫1 کیلو سوخت سوزانده شود.

مقداری از این هوا برای خارج کردن دود خروجی استفاده می شود. همچنین این هوا کمک می کند تا لاینر و سوپاپ دود خنک شوند. با حرکت رو به بالای پیستون در مرحله تراکم و بسته شدن سوپاپ دود، سیلندر باید جرمی بیش از جرم هوای تئوری را در برگیرد (حدود 3٫7) تا اکسیژن مورد نیاز برای سوختن سوخت تامین شود.

3٫7 کیلوگرم در فشار اتمسفر حجمی برابر با 3٫2 متر مکعب دارد. حجم سیلندر موتور در مثال ما حدود 1٫2 متر مکعب بعد از اینکه سوپاپ دود بسته شد و تراکم شروع می شود، است.به دلیل افزایش درجه حرارت هوای خروجی به سمت موتور تا 70 درجه سانتیگراد، می توان مقدار اکسیژن لازم برای احتراق را محاسبه کرد. هوا باید 3 برابر فشار اتمسفر یا حدود 3 بار باشد.

توجه:
این مقادیر تقریبی هستند و تنها برای توضیحات به کار برده شده اند. سازنده ها تنها به مصرف مخصوص سوخت توجه دارند که بر حسب گرم در کیلو وات ساعت است (g/kwh). این مقادیر در زمان تست به دست می آیند و به شرایط ایده‌ال بسیار نزدیک است. با توجه به توضیحات بالا مقادیر 165 و 177 g/kwh به دست می آید. مصرف سوخت واقعی به دست آمده بستگی به بازدهی موتور و انرژی حرارتی سوخت دارد.

حدود 35% انرژی حرارتی در سوخت به سمت دود خروجی هدر می رود. توربوشارژر مقداری از این انرژی را استفاده می کند (حدود7%انرژی کل یا 20%انژی هدر رفته) تا توربین تکی را بچرخاند. این توربین از طرق شفت به یک فن متصل است که هوا را می مکد و با فشار می فرستد. به دلیل افزایش فشار، درجه حرارت این هوا زیاد می شود که باید این هوا خنک شود تا حجمش کاهش یابد. سپس هوای خنک شده به سمت سیلندها از طریق منیفولد هوا منتقل می شود.

سرعت توربوشارژر با توجه به مقدار بار وارد شده به موتور متغیر است. در قدرت بالا توربوشارژر ممکن است تا سرعت 10000دور در دقیقه هم بچرخد.

مواد به کار رفته در ساختمان توربو شارژر:

پوسته سمت دود:

• از چدن ساخته می شود.

پوسته قسمت کمپرسور:

• از آلیاژ آلومینیوم.

لبه ها ونازل ها:

• ازآلیاژ نیکل یا آلیاژ نیمونیک ساخته می شود.

فن کمپرسور:

• آلیاژ آلومینیوم یا تیتانیوم یا فولاد ضد زنگ ساخته می شود.

شروع به کار موتور:
به دلیل اینکه موتور در زمان استارت و سرعت پایین نیاز به هوا دارد، یک فن کمکی (دمنده) برقی فراهم شده تا کمبود هوا را جبران کند و وقتی که فشار هوای ورودی به موتور به حدنصاب رسید به صورت اتوماتیک خاموش می‌شود.