מגדש טורבו

חתך של מגדש טורבו

מגדש טורבו (Turbocharger) הוא מערכת לדחיסת אוויר בלחץ גבוה למנוע בעירה פנימית, שמטרתה להפיק הספק גבוה יותר מהמנוע מבלי להגדיל את נפחו.

מבנה

מנוע בעירה פנימית הוא מנוע השורף תערובת מדויקת של חמצן ודלק ביחס המשתנה ממנוע למנוע, והופך את אנרגיית החום הנוצרת בשרפה לאנרגיית לחץ, אשר מנוצלת לביצוע עבודה מכנית. ככל שמסת האוויר בצילינדר גדולה יותר, ניתן לשרוף בו כמות דלק גדולה יותר וליצור לחץ גזי שרפה גבוה יותר הדוחף את הבוכנה בעוצמה רבה יותר. המשמעות היא הגדלת הספק המנוע. הכנסת מסה גדולה יותר של אוויר לצילינדר בעל נפח נתון נעשית על ידי דחיסתו באמצעות מגדש טורבו. במנוע עם מגדש טורבו לחץ האוויר גדל בסביבות 7-8PSI (משתנה בין סוגי הטורבו) מעל ללחץ האטמוספירי הרגיל של 14.7PSI בגובה פני הים, כלומר כמות האוויר גדולה כמעט ב-50%.

כדי לייצר לחץ אוויר גבוה נעזר מגדש הטורבו בגזים השרופים הנפלטים מהמנוע דרך מערכת הפליטה כדי לסובב טורבינה המחוברת בציר למדחס. כתוצאה מסיבוב הטורבינה מסתובב גם המדחס ודוחס את האוויר הנכנס אל הצילינדרים. ככל שמהירות סיבובי המנוע (סל"ד) עולה, כמות הגזים הנפלטים מהמנוע גדלה ולחץ הגזים בצינור הפליטה עולה ומסובב את הטורבינה במהירות גבוהה יותר. הטורבינה והמדחס מורכבים על גל משותף הגורם לעלייה במהירות המדחס ולדחיסת כמות אוויר גדולה יותר לצילינדרים. המדחס דוחס אוויר אל מצנן ביניים (intercooler) ומשם לצילינדרים שבמנוע. מצנן הביניים דואג לצנן האוויר לפני כניסתו למנוע מאחר שאוויר חם תופס נפח רב יותר ופוגע ביעילות הדחיסה.

מגדש טורבו יעיל בעיקר בסל"ד גבוה מאחר שבסל"ד נמוך לחץ הגזים השרופים בצינור הפליטה אינו מספיק לדחיסת האוויר, אולם ישנם מנועים בהם מותקן מגדש טורבו בעל גאומטריית להבים משתנה בהתאם ללחץ הגזים בצינור הפליטה, וישנם מנועים בהם מותקנים שני מגדשי טורבו, הראשון קטן במטרה לניצול טוב יותר בסל"ד נמוך, והשני גדול יותר לניצול מקסימלי בסל"ד גבוה.

שסתומי פריקה

פורק עודפים (Wastegate)

כדי למנוע מקרה בו לחץ הגדישה יהיה גבוה מדי, מנטרלים את הלחץ במגדש על ידי פורק עודפים. השסתום בנוי כך שבחלקו האחד שורר הלחץ הנמצא בצנרת הכניסה. האוויר לוחץ על בוכנה קטנה שמאחוריה קפיץ. אם הלחץ גבוה והבוכנה נלחצת, תוזז זרוע מכנית שתפתח מעקף לגזים השרופים בצידו השני של השסתום ותמנע מהם לעבור דרך הטורבינה. קיימים גם שסתומי עודפים משוכללים יותר.

פורק לחץ

בנוסף לשסתום העודפים, מצויד מגדש הטורבו גם בפורק לחץ. בשעת עזיבת דוושת הגז, נסגרת המצערת שבסעפת היניקה. לחץ האוויר שבצנרת נכלא בין המצערת לבין להבי המדחס (שבתווך נמצא מצנן הביניים). הלחץ השורר שם גבוה יותר מאשר הלחץ הרגיל בזמן עבודתו הסדירה של המגדש. הלחץ הגבוה עלול לפגוע בלהבים הרגישים של המדחס. כדי למנוע את עליית הלחץ, משתמשים מהנדסי הרכב בפורקים מסוגים שונים, פורק BOV ופורק DV.

• BOV - Blow Off Valve, פורק זה, משחרר את האוויר הדחוס החוצה, אל תא המנוע. בזמן שחרור האוויר נשמע רעש פריקת האוויר. בדרך כלל, כאשר רכב המצויד במגדש כזה נוסע, נשמע הקול בין העברת ההילוכים - כאשר הנהג מסיר את רגלו מדוושת התאוצה. חסרונו של הפורק הוא שהאוויר שנדחס, משתחרר ללא תועלת.
• DV - Dump Valve, פורק זה מחזיר את האוויר הדחוס חזרה למערכת, ולכן האוויר שנדחס מנוצל שוב. ניתן להרכיב פורק מסוג זה גם במנועי דיזל ובמנועים בעלי מצערות אלקטרוניות.

מגדש-על (Supercharger)

כל מכונה המזרימה אוויר בלחץ גבוה למנוע מכונה מגדש-על, וכך גם מגדש טורבו. עם זאת, השימוש המקובל במונח מגדש-על מתייחס למגדש המקבל את כוחו באופן ישיר מהמנוע, בדרך כלל באמצעות רצועה. יתרונו של מגדש העל הוא יכולת התפקוד בסל"ד נמוך, כיוון שאין הוא תלוי בעוצמת גזי הפליטה אלא מקבל את כוחו באופן ישיר מן המנוע. כך במגדש-על לא קיימת תופעת ההשהייה עד לתפוקת הכוח הנוסף המאפיינת מגדש טורבו. חסרונו העיקרי של מגדש העל נובע מנצילות נמוכה בהשוואה למגדש הטורבו. מגדש העל צורך מן המנוע אנרגיה שלולא קיומו הייתה מופנית לטובת כוח ההנעה הראשי, בעוד מגדש הטורבו עושה שימוש בגזי הפליטה שבלעדיו מסולקים מן המנוע ללא שימוש.

מנועים עם מספר מגדשים

קיימות מספר תצורות להרכבת מספר מגדשים במנוע בודד:

• Twin-turbo מקביל - הרכבת מספר טורבינות בעלות גודל זהה במקביל. כל טורבינה אחראית לאספקת אוויר לצילינדרים שונים של המנוע. במכונית בוגאטי ויירון, למשל, מורכבים ארבעה מגדשי טורבו.
• Twin-turbo בטור - הרכבת שתי טורבינות בטור. הטורבינה הראשונה קטנה יותר על מנת לפעול ביעילות כבר מסל"ד נמוך של המנוע. הטורבינה השנייה, הגדולה יותר, תתחיל לפעול רק בסל"ד גבוה. תצורה כזו מאפשרת גדישה כבר מסל"ד נמוך.
• Twincharger - הרכבת שני מגדשים שונים, לרוב בטור. המגדש הראשון הוא מגדש-על והמגדש השני הוא מגדש טורבו. מבנה זה מנצל את יתרונות מגדש העל בסל"ד נמוך ויתרונות מגדש הטורבו בסל"ד גבוה. תצורה זו קיימת למשל במנועי TSI של קונצרן פולקסווגן.

קישורים חיצוניים

• דניאל שמיל, שירת הסטיקר מה נשאר מהפראות של מנועי הטורבו בעידן החשמלי, באתר TheMarker‏, 25 באוקטובר 2024