منذ اختراع محركات الاحتراق الداخلي بدأ عشاق السرعة ومصممي سيارات السباق من البحث عن طرق لزيادة قدرة محرك السيارة. من أحد الطرق المستخدمة لزيادة قدرة المحرك هو تصميم محرك أكبر، لكن محرك أكبر سوف يكون له تكلفة اعلى ووزن أكبر وجهد مبالغ فيه لصيانته وهذا بالتأكيد ليس هو الحل الأمثل.
طريقة أخرى لزيادة قدرة المحرك مع الحفاظ على حجمه الطبيعي هو زيادة كفاءة المحرك. بإمكانك ان تنجز هذا بإدخال المزيد من الهواء إلى حجيرة الاحتراق الداخلي. هواء أكثر يعني المزيد من الوقود أيضا والمزيد من الوقود يعني احتراق أكبر والحصول على قدرة اعلى. إضافة الشاحن الفائق أو السوبر شارجر supercharger هو طريقة جيدة لدفع المزيد من الهواء إلى المحرك. في هذه المقالة من كيف تعمل الأشياء سوف نشرح ما هو السوبر شارج وكيف يعمل وما الفرق بينه وبين الشاحن التوربيني turbochargers.
السوبر شارجر supercharger هو جهاز يضغط الهواء في شوط الاخذ لقيم أعلى من الضغط الجوي. كلا من السوبر شارج الشاحن التوربيني يقومان بهذه المهمة. في الحقيقة مصطلح التيربو شارجر هو اختصار للاسم الرسمي للجهاز والذي يكون تيربو-سوبر شارجر turbo-supercharger.
الاختلاف بين الجهازين هو مصدر حصولهما على طاقة تشغيلهما. الشاحن التوربيني يعمل بواسطة تدفق غازات العادم لتشغيل التوربين. السوبر شارجر يعمل بواسطة حزام ميكانيكي او سلسلة تتحرك بواسطة ناقل الحركة والذي يعرف بالاسم الكرانك شافت (crankshaft) وهو ناقل الحركة في المحرك.
اساسيات عمل السوبر شارجر Supercharger
يوجه شوط من أشواط المحرك ذو الأربعة أشواط وهو شوط الاخذ لهذه العملية (لمزيد من التوضيح اطلع على كيف يعمل محرك السيارة) التي تتكون من ثلاثة خطوات وهي على النحو التالي:
1. يتحرك المكبس للأسفل
2. ينتج عن ذلك فراغ
3. يسحب الهواء عند الضغط الجوي إلى داخل حجيرة الاحتراق.
بمجرد ان يسحب الهواء إلى المحرك فانه يتحد مع الوقود حيث تعمل شمعة الاحتراق من خلال إطلاق شرارة اشتعال الوقود وعندها يبدأ التفاعل الكيميائي الذي ينتج عنه تحول الطاقة الكيميائية المختزنة في خليط الوقود والهواء إلى طاقة حركية مفيدة وهذه العملية تعرف باسم عملية الاحتراق combustion. عندما يتعرض الوقود للأكسدة نتيجة للاحتراق تتحرر منه طاقة كبيرة. قوة هذا الاحتراق تتركز فوق رأس الأسطوانة مباشرة وتدفع المكبس إلى الأسفل في حركة ترددية تتحول في النهاية إلى حركة دائرية في العجلات.
أسطوانة محرك مع سوبر شارجر supercharger
بالحصول على المزيد من الوقود سوف يعمل على زيادة قوة الاحتراق. لكن لا يمكن ضخ المزيد من الوقود في المحرك لان كمية الاكسجين اللازمة للاحتراق لا تكفي الا للكمية المعتادة من الوقود، أي 14 جزء من الهواء مقابل جزء واحد من الوقود وهذا امرا أساسيا لتشغيل المحرك بأعلى كفاءة.
هنا الان يأتي دور السوبر شارجر supercharger. يقوم السوبر شارجر بزيادة كمية الهواء المسحوب خلال شوط الاخذ وضغطه بمقدار اعلى من الضغط الجوي. هذا يعمل على دفع المزيد من الهواء إلى المحرك ويعطيه القوة الدافعة المطلوبة. بمزيد من الهواء في الدفع ومزيد من الوقود فان قدرة المحرك تزداد. يقوم السوبر شارجر supercharger بزيادة القدرة الحصانية للمحرك تصل في المتوسط إلى 46% وزيادة بمقدار 31% لعزمه. في المناطق المرتفعة عن الأرض حيث يكون الهواء اقل كثافة والضغط الجوي اقل فان السوبر شارجر supercharger يعمل في حالاته الأفضل حيث يقوم برفع ضغط الهواء المسحوب أكثر.
على عكس التيربو شارجر turbocharger الذي يستخدم غازات العادم الناتجة عن الاحتراق لتشغيل الضاغط، يعتمد السوبر شارجر supercharger مباشرة على ناقل الحركة. معظم أنواع السوبر شارجر تعمل من خلال حزام إضافي يلتف حول بكرة متصلة مع ترس الحركة. عندما يدور ترس الحركة فانه يحرك ترس الضاغط. يأتي مدور الضاغط بعدة تصاميم ولكن وظيفته الأساسية هي سحب الهواء وضغطه في اقل حجم ممكن وتمريره في شعب سحب الهواء.
سوبر تشارجر الطرد المركزي
لضغط الهواء يدور السوبر شارجر supercharger بسرعة مغزلية كبيرة أسرع بكثير من المحرك نفسه. وهذا يتطلب ان يكون ترس التحريك أكبر بكثير من ترس الانضغاط ليجعل ترس الانضغاط يدور بسرعة أكبر. يمكن ان تصل سرعة دوران السوبر شارجر إلى 50,000 او 65,000 دورة في الدقيقة.
عندما ينضغط الهواء ترتفع درجة حرارته وهذا يؤدي إلى انخفاض كثافته وبالتالي لا يتمدد كثيرا خلال الاحتراق. هذا يعني انه لا يستطيع ان يولد قدرة كافية عند الاحتراق. لكي يعمل السوبر شارجر supercharger عند اقصى كفاءة له فان الهواء المضغوط عند خروجه من وحدة التفريغ يجب ان يبرد قبل ان يدخل في شعبة سحب الهواء. المسؤول عن التبريد هو المبرد الداخلي والذي له تصميمين هما: المبرد الهوائي والمبرد المائي. يشبه عملهما عمل المبرد radiator حيث يدخل النظام عبر انابيب هواء او ماء للتبريد. عندما يخرج الهواء الساخن من السوبر شارجر supercharger يواجه انابيب التبريد. نقصان درجة حرارة الهواء ترفع من كثافته قبل ان يدخل إلى حجيرة الانضغاط.
السوبر شارجر التقليدي Roots Superchargers
هنالك ثلاثة أنواع من السوبر شارجر: التقليدي roots والبريمة المزدوجة twin-screw والطرد المركزي centrifugal. الفرق الجوهري بينهم هو طريقة تحريك الهواء من شعب السحب إلى داخل المحرك. السوبر شارجر التقليدي والبريمة المزدوجة تستخدم أنواع مختلفة من الفلقات المتداخلة meshing lobes في حين سوبر شارجر الطرد المركزي يستخدم دافع يعمل على سحب الهواء للداخل. بالرغم من ان هذه التصاميم توفر المطلوب الا انها تختلف كثيرا من ناحية الكفاءة.
السوبر شارجر التقليدي Roots supercharger
عندما تدور الفلقات المتداخلة ينحصر الهواء في جيوب بين الفلقات وينتقل الهواء بين الجانب المملوء والجانب الفارغ. تتحرك كمية كبيرة من الهواء في شعبة السحب ويتكدس مما يعمل على زيادة ضغطه. لهذا السبب فان السوبر شارجر التقليدي ما هو الا منفاخ قوي للهواء.
عادة ما يكون هذا النوع من السوبر شارجر كبير الحجم ويثبت فوق المحرك. وهي مشهورة في السيارات القوية والأجواء الحارة لأنه يكون بارزا فوق غطاء السيارة بشكل ملحوظ. على أي حال، تعتبر الأقل كفاءة لسببين هما: تضيف وزن كبير للسيارة وتقوم بتحريك الهواء بشكل متقطع بدلا من تدفق ناعم ومستمر.
سوبر شارجر البريمة المزدوجة Twin-screw Superchargers
يعمل سوبر شارجر البريمة المزدوجة من خلال سحب الهواء باستخدام فلقتين متداخلتين ومثلما كان الامر في السوبر شارجر التقليدي ينحصر الهواء في جيوب نتجت من دوران الفلقتين. لكن سوبر شارجر البريمة المزدوجة يضغط الهواء داخل غلاف المحور الدوار. بسبب ان المحور الدوار يمتلك شكل مخروطي فان هذا يعني ان الجيوب تتناقص في الحجم كلما تحرك الهواء لدفعه من الجانب المملوء بالهواء إلى الجانب الفارغ. مع تقلص حجم الجيوب يجبر الهواء على الدخول في فراغ أصغر.
السوبر شارجر البريمة المزدوجة Twin-screw Superchargers
هذا يجعل السوبر شارجر البريمة المزدوجة اكثر كفاءة الا انها تكلفتها اكثر بسبب ان تصميم البريمة يتطلب دقة عالية في عملية التصنيع. بعض أنواع السوبر شارجر البريمة المزدوجة يثبت فوق المحرك مثل السوبر شارجر التقليدي. كما انها تصدر ضوضاء عالية. يخرج الهواء المضغوط يصدر صوت انين او صفير خافت بواسطة تقنيات اخماد الضوضاء.
سوبر شارجر الطرد المركزي Centrifugal Superchargers
يقوم سوبر شارجر الطرد المركزي بتحريك طاحونة الهواء وتعرف باسم الامبلر impeller عند سرعات عالية جدا تصل إلى 60,000 دورة في الدقيقة وهذا يعمل على سحب الهواء إلى غرفة ضغط صغيرة. مع سحب الهواء بهذه السرعة الكبيرة تعمل قوة الطرد المركزي على دفع الهواء بسرعة كبيرة ولكن عند ضغط منخفض. فتحات صغيرة تعرف بالمشتت تحيط بطاحونة الهواء تعمل على تحويل الهواء السريع والمنخفض الضغط إلى هواء بطيء وعند ضغط مرتفع. حيث تقل حركة جزيئات الهواء عندما تصطدم بفراشات طاحونة الهواء التي تعمل على تقليل سرعة الهواء وتزيد ضغطه.
سوبر شارجر الطرد المركزي Centrifugal supercharger
يعتبر سوبر شارجر الطرد المركزي الأكثر كفاءة والأكثر استخداما. تتميز بصغرها وخفة وزنها وتتصل مع مقدمة المحرك بدلا من تثبيتها فوق المحرك. كما انها تصدر انين مميز عند دوران المحرك.
أي واحد من هذه الأنواع يمكن ان يضاف إلى السيارة كنوع من الإضافات على السيارة. بعض شركات السيارات توفرها كإضافات في بعض النماذج المخصصة للسباقات.
مزايا السوبر شارجر
من اهم مزايا امتلاك السوبر شارجر هو زيادة القدرة الحصانية للمحرك، فتثبيت السوبر شارجر Supercharger على أي سيارة سوف يجعلها تتصرف كسيارة قوية وبمحرك اكثر قدرة.
يعد تثبيت السوبر شارجر اقل تكلفة من التيربو شارجر لأنه يثبت فوق المحرك يجعل امر الصيانة اسهل بالمقارنة مع التيربو شارجر الذي يتطلب الكثير من التعديلات على السيارة لتثبيته.
كما ان السوبر شارجر لا يعاني من تأخر في الاستجابة كما يحدث في حالة التيربو شارج والمقصود في تأخر الاستجابة هو الفترة الزمنية بين ضغط السائق على بدالة الوقود واستجابة المحرك. حيث يعاني التيربو شارجر من تأخير بسبب الوقت اللازم الذي تتطلبه غازات العادم للوصول إلى السرعة الكفاية لتحريك فراشات الدوران.
التجهيزات الأساسية لطائرة مع سوبر شارجر طارد مركزي او ضاغط
ومن المزايا أيضا انه لا يوجد إجراءات خاصة لإيقاف السيارة المزودة بسوبر شارجر وهذا لان أجزاء السوبر شارجر لا يتطلب عملها ان تشحم بزيت المحرك، في حين ان السيارات التي تعمل بالتيربو شارجر تتطلب إبقاء محرك السيارة يعمل لمدة 30 ثانية قبل إيقاف المحرك حتى نعطي الفرصة لزيت التشحيم ان يبرد.
تعتبر السوبر شارجر إضافة شائعة للطائرات التي تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي. هذا متوقع لان الطائرة تبقى محلقة معظم الوقت في الجو حيث يكون الاكسجين المتوفر للاحتراق اقل. مع إضافة السوبر شارجر تتمكن الطائرات من التحليق لارتفاعات اعلى بدون فقدان كفاءة أداء المحرك. والشكل أعلاه يوضح طريقة تثبيت السوبر شارجر في الطائرة وفكرة عمله التي تعتمد على سحب الهواء مباشرة من المحرك واستخدام ضاغط لدفع الهواء المضغوط في حجيرة الاحتراق.
عيوب السوبر شارجر
من اكبر عيوب السوبر شارجر هو اتصاله المباشر مع ناقل الحركة (الكرانك شافت) وهذي يعني ان السوبر شارجر سوف يستخدم جزء من القدرة الحصانية للمحرك والتي تصل في بعض الأحيان إلى 20% من القدرة الكلية للمحرك. ولكن السوبر شارجر بالمقابل يولد ما مقداره 46% قدرة حصانية إضافية جعل من الـ 20% المفقودة شيء يستحق.
يسبب السوبر شارجر اجهاد إضافي على المحرك، والذي نحتاج ان يكون قويا للتحكم في الدفع الإضافي والاحتراق الأكبر. معظم مصنعو السيارات يأخذوا هذه النقطة في عين الاعتبار عندما يقومون بتصميم سيارات تستخدم السوبر شارجر وهذا يجعل السيارة اكثر ثمنا عند الشراء وكذلك عند الصيانة.
بالرغم من العيوب السابقة الا ان تكلفة السوبر شارجر الإضافية تعتبر الأكثر فعالية لزيادة القدرة الحصانية للمحرك. يمكن ان تصل الزيادة في القدرة من 50 إلى 100% وهذا يجعل السيارة قوية للسباقات والمناورة وللأحمال الثقيلة والمزيد من التشويق في القيادة.
في النهاية نلاحظ ان هذا الموضوع تطبيق مباشر للقوانين الديناميكا الحرارية وكيف يستخدمها المهندسون الميكانيكيون في رفع كفاءة المحرك الا ان تثبيت هذه الإضافات على السيارات التي لم يعد محركها مصمما من الأساس لتحمل هذه القوة الكبيرة قد يقصر من عمره بشكل كبير.
مع تحياتي
د./ حازم فلاح سكيك
