الفرق بين أنواع الضواغط التوربينية

مع ازدياد صرامة قوانين الانبعاثات، يعمد مزيد من الصانعين لاستخدام محركات أصغر حجمًا وتزويدها بضواغط توربينية.  ومن جهة أخرى، تُضاف الضواغط التوربينية لمعظم المحركات الجديدة لزيادة ناتج القدرة والعزم، لا سيما وأنها عامل جذب مُهم للزبائن.

ومع هذه الثورة في استخدام الضواغط التوربينية على معظم السيارات، من سمارت رودستر ذات المحرك سعة 698 سنتمتر مكعب إلى بيوغاتي شيرون بمحركها الهائل وأسطواناته الـ 16 سعة 8 لترات، صرنا نسمع بشكل متكرر استخدام هذا الصانع أو ذلك لضاغطين توربينيين، أو لضاغط توربيني واحد بملفين، أو ضاغط متغير الهندسة (الجيومترية)، فما الفرق بين هذه الأنظمة؟

نستخدم في موقعنا للتعبير عن التوربو أو التيربو مصطلح ضاغط توربيني، حيث أن عمل النظام هو ضغط الهواء ويستعمل التوربين لذلك. أما كلمة شاحن فتحمل معنى الملء أو التحميل وهي غير دقيقة

سنبدأ الموضوع بالتعريف بالضاغط التوربيني (التيربو). فهو ببساطة ضاغط للهواء. يعمل بطريقة ميكانيكية لزيادة كمية خليط الهواء والوقود الداخل إلى المحرك. وهو مؤلف من توربين ومروحة ضغط مربوطتين ببعضهما. التوربين موجود في ممر الدخان “الخارج” من حجرات الاحتراق، وهو يدور بفعل مرور الدخان حوله ومعه تدور المروحة الثانية الموجودة في ممر الهواء “الداخل” إلى المحرك.

مع زيادة كمية الهواء الداخلة إلى المحرك، يمكن حقن كمية أكبر من الوقود وبالتالي استخراج قدرة أكبر من حجرة احتراق صغيرة.

وهكذا، يمكن لمحرك صغير، خفيف الوزن، وقليل التكلفة، واقتصادي باستخدام الوقود، أن يُقدم قدرة أكبر عند الحاجة فقط، بدلًا من استخدام محرك كبير وثقيل يستهلك كثيرًا من الوقود بشكل دائم لإنتاج ذات القدرة.

نصل الآن إلى توضيح الفروقات بين أنظمة التشغيل المختلفة للضواغط التوربينية، والتي يمكن تقسيمها لأربعة أنواع رئيسية:

• محرك بضاغط توربيني واحد
• محرك بضاغطين توربينيين
• محرك بضاغط توربيني بملفين (بمدخلين)
• محرك بضاغط توربيني متغيّر الجيومترية

بالنسبة للنوع الأول Single Turbo فهو بسيط ومعروف، ضاغط توربيني واحد، سواء كان كبيرًا أو صغيرًا يرتبط إلى مخارج العادم جميعها.

النوع الثاني الذي يعتمد ضاغطين توربينيين، يسمى بالانجليزية توين تيربو Twin Turbo أو باي تيربو Bi-turbo، يمكن تقسيمه لنوعين، الأول يأتي بضاغطين توربينيين متماثلين، كما في سيارة أودي RS6، والثاني يتألف من ضاغطين توربينيين متتابعين، كما في الجيل الرابع من تويوتا سوبرا (1993-1998).

نجد الضاغطين التوربينيين المتماثلين عادة على المحركات الأكبر حجمًا، ويأتي كل ضاغط على ضفّة (محركات الست أسطوانات V6 أو الثماني أسطوانات V8)، أما الضاغطين التوربينيين المُتتابعين فيعمل أحدهما لضغط الهواء على عبء منخفض عند سرعة منخفضة لدورات المحرك، والثاني على عبء مرتفع عند سرعة عالية لدورات المحرك، وهكذا يمكن توفير ضغط هواء خلال مدى واسع لدورات المحرك.

مُلاحظة: غالبًا ما يعني مصطلح Bi-turbo وجود ضاغطين مُتتابعين

النوع الثالث، ضاغط توربيني بملفين (بمدخلين) Twin Scroll Turbo، يعمل “غالبًا” بنفس فكرة التيربو المتتابع، ولكن يأتي بضاغط واحد له مدخلين، أحدهما أضيق من الآخر، ويضمنان عمل التيربو على سرعات مختلفة للمحرك. تأتي العديد من محركات بي ام دبليو بهذه التقنية.

النوع الرابع، الضاغط توربيني متغيّر الجيومترية Variable Geometry Turbocharger VGT، ويُسمى أيضًا Variable Nozzle Turbocharger VNT. يعمل أيضًا بفكرة مُشابهة للتيربو المتتابع، ولكن بدلًا من وجود مداخل منفصلة للغاز العادم، يوجد داخل التيربو رِيَش قابلة للميلان، وبحيث تزيد تدفق الدخان الواصل إلى التيربو أو تُقلله حسب الحاجة. والمأخذ على هذا النوع من الضواغط التوربينية أنه مرتفع التكلفة، وغالبًا ما نراه على محركات الديزل الضخمة مثل الشاحنات والمعدّات الثقيلة.

نهاية، تعمل شركة بورغ وارنر Borgwarner المتخصصة في صناعة مكوّنات السيارات حاليًا على ضاغط توربيني بمدخلين ومتغير الجيومترية ولكن بتقنية مُبسّطة، وبحيث يكون هُناك حاجز على مدخلي التوربو يمكن تغيير ميلانه وبما يؤدي إلى تغيير كمية الهواء الواصلة إلى التوربين، وقد يكون هذا النوع هو أفضل ما يُمكن تقديمه في عالم التيربو خاصة أنه يتخلص من تخلف التيربو وتكلفته قليلة نسبيًا. تُسمى الشركة منتجها بالضاغط المُتكيّف ثُنائي المداخل Variable Twin Scroll Turbocharger.

ما سبق كان لمحة سريعة وموجزة عن أشكال الضواغط التوربينية، وهُناك العديد من الأنظمة الأخرى والتفاصيل التي سنذكرها إن شاء الله في مواضيع قادمة.

أدناه فيديو يشرح بشكل مُبسّط كيفية عمل الضاغط التوربيني بشكل عام