پمپ تولید خلأ بوستر

(نحوه تأمین خلا بوستر در موتورهای توربو دار)

هدف از تکنولوژی افزایش ایمنی و آسایش کاربران است. اما گاهی ارائه یک تکنولوژی جدید سبب می‌شود در بخشی از فعالیتش با تکنولوژی موجود تداخل پیدا کند که در نهایت سبب تضعیف عملکرد کلی خواهد شد. یکی از این سیستم‌های توربوشارژر است. در این مقاله اثر استفاده از توربو شارژر روی سیستم ترمز و روش کنترل آن مورد بررسی قرار می‌گیرد.

در خودروهای مجهز به موتور توربوشارژ، شرایط کاری موتور با موتورهای تنفس طبیعی تفاوت دارد. از آنجایی که بوستر ترمز برای تقویت نیروی پای راننده به خلأ نیاز دارد، افزایش فشار در مانیفولد هوا هنگام فعال بودن توربو می‌تواند عملکرد بوستر را مختل کند. به همین دلیل خودروسازان از راهکارهای مختلفی مانند پمپ خلأ کمکی استفاده می‌کنند تا ایمنی سیستم ترمز در همه شرایط حفظ شود. در این مقاله، نحوه تأمین خلأ بوستر ترمز در موتورهای توربو و راهکارهای فنی آن را بررسی می‌کنیم.

تداخل عملکرد توربوشارژر و بوستر ترمز

در نظر اول ممکن است عجیب بیاید که چگونه ممکن است عملکرد توربو و سیستم ترمز تداخل کاری داشته باشند اما اگر عملکرد این دو سیستم مورد بررسی قرار بگیرد بخش مورد نظر قابل مشاهده خواهد بود. به صورت ساده باید گفت وظیفه توربو افزایش راندمان حجمی موتور با کمک ارسال هوای اضافی به اتاق احتراق است.این کار سبب افزایش فشار در مانیفولد هوا خواهد شد. از طرف دیگر سیستم ترمز برای تقویت نیروی فشار پای راننده در زمان ترمز گیری از بوستر استفاده میکند. بوستر با کمک خلأ مانیفولد هوا این فرایند را انجام میدهد.

چرا در موتورهای توربو، خلأ مانیفولد برای بوستر کافی نیست؟

با توجه به توضیحات ارائه شده، در زمانی که توربو فعال میشود خلأ نسبی مانیفولد از بین خواهد رفت. اگر در این لحظه بخواهیم ترمز بگیریم عملکرد بوستر دچار مشکل خواهد شد. چون بدون خلأ نسبی مانیفولد بوستر نمیتواند عملکرد مناسبی داشته باشد بنابراین در آن زمان ترمز گیری ضعیف خواهد بود. با توجه به اینکه سیستم ترمز یک سامانه فوق ایمنی در خودرو به شمار میرود باید به این مورد توجه بیشتری داشت.

روش‌های کنترل تداخل توربو و بوستر ترمز

استراتژی‌های موجود برای حل مشکل

شکل 1 استراتژی‌های موجود برای کنترل این تداخل عملکرد را نشان می‌دهد.

شکل 1- روش‌های کنترل تداخل عملکرد توربو و بوستر

افزایش دور شروع عملکرد توربوشارژر

در واقع این روش استراتژی خاصی به شمار نمی‌رود. فقط باتوجه‌به توان و راندمان موتور لحظه فعال شده توربو در دورهای بالاتر انجام می‌شود. عموماً زمان فعال‌شدن توربو در این خودروها بالای دور 2500 است. معمولاً در شرایط حرکت در جاده‌های معمولی در این دور سرعت خودرو به نزدیک 100 کیلومتر در ساعت می‌رسد؛ بنابراین تا قبل از این دور و سرعت توربو فعال نشده عملکرد بوستر دچار اختلال نمی‌شود.

در سرعت‌های بالا هم باتوجه‌به اینکه در لحظه ترمزگیری پا از روی پدال گاز برداشته می‌شود. دور موتور افت کرده و در نتیجه توربو خاموش می‌شود. برخی خودروسازان از این ایده برای موتور خود استفاده کرده‌اند. اگرچه فکر قدرتمندی به شمار نمی‌رود. مخصوصاً به دلیل فوق ایمنی بودن بحث ترمز بهتر است یک سیستم کمکی برای آن در نظر گرفته شود.

استفاده از پمپ خلأ کمکی بوستر ترمز

بهترین ایده برای این کار استفاده از پمپ خلا کمکی است. خلأ روی بوستر علاوه بر مانیفولد از محل دیگری نیز تأمین شود، یا اینکه به‌صورت کاملاً مجزا از جای دیگری تأمین شود. همانطور که در شکل 1 نیز اشاره شد پمپ‌های خلایی می‌تواند از نوع مکانیکی و یا الکتریکی باشد. شکل 2 این دو نمونه پمپ را نشان می‌دهد.

: پمپ خلا برقی (تیگو 8) B: پمپ خلا مکانیکی ( پژو 2008)

شکل 2- نمونه پمپ خلایی کمکی بوستر

هر دو نوع پمپ‌های خلایی ترمز در خودرو ها متداول هستند. اگرچه در خودرو های هیبریدی، اگر موتور مکانیکی آن دارای توربوشارژر باشد عموماً از پمپ خلا برقی استفاده می‌شود. در این مقاله به ساختار و عملکرد پمپ مکانیکی پرداخته خواهد شد.

پمپ خلایی مکانیکی ترمز

پمپ‌های خلایی مکانیکی معمولاً روی موتور نصب می‌شوند و انرژی خود را از میل‌سوپاپ یا میل‌لنگ دریافت می‌کنند. این کار می‌تواند به‌صورت مستقیم با شفت میل‌سوپاپ انجام شود و یا اینکه از طریق چرخ‌دنده‌های زنجیر تایم و یا اویل پمپ متصل می‌شود. نظر به دسترسی بیشتر نوع ارتباط با میل‌سوپاپ عموماً خودروها از این نوع استفاده می‌کنند. بل از اینکه این نوع پمپ‌ها برای بوستر ترمز استفاده شوند در موتورهای دیزل برای کنترل دریچه گازهای خلایی استفاده می‌شدند. پمپ‌های خلایی مکانیزم انواع مختلفی دارند؛ اما نوعی که برای ترمز استفاده می‌شود از نوع Vane type (پره دوار) است. شکل 3 نمونه‌های دیگر پمپ خلایی ترمز را نشان می‌دهد.

A: (BMW-E46) B: (Benz – W221)
C: (Toyota -land crouse J40) D: (Hyundai- Genuine)

شکل 3- نمونه‌های مختلف پمپ خلا مکانیکی روی خودروهای برند

همانطور که مشاهده می‌شود استفاده از پمپ‌های مکانیکی در برندهای شاخص نیز متداول است. فشار منفی (خلأ) ایجاد شده در این مدل پمپ‌ها بین 0.7 الی 0.9 بار است که در مقایسه با خلأ موردنیاز در بوستر ترمز، مقدار معقولی به نظر می‌رسد.

پمپ خلأ کمکی بوستر ترمز چیست و چه کاربردی دارد؟

پمپ خلأ کمکی بوستر ترمز قطعه‌ای است که وظیفه تأمین خلأ موردنیاز بوستر ترمز را بر عهده دارد؛ مخصوصاً در خودروهایی که به‌صورت طبیعی خلأ کافی تولید نمی‌کنند. در حالت عادی، بسیاری از خودروهای بنزینی خلأ لازم را از مانیفولد هوا دریافت می‌کنند، اما در برخی شرایط این خلأ کافی نیست یا اصلاً وجود ندارد.

در خودروهای دیزلی، توربوشارژ، مجهز به سیستم استارت-استاپ یا برخی موتورهای مدرن، میزان خلأ تولیدی موتور کاهش پیدا می‌کند. در این شرایط، پمپ خلأ کمکی وارد مدار می‌شود تا خلأ پایدار و یکنواختی برای بوستر ترمز فراهم کند. نتیجه این فرآیند، عملکرد نرم‌تر پدال ترمز و حفظ ایمنی سیستم ترمزگیری است.

به‌طور خلاصه، کاربرد اصلی پمپ خلأ کمکی بوستر ترمز عبارت است از:

• تضمین عملکرد صحیح بوستر ترمز در شرایط کمبود خلأ
• جلوگیری از سفت شدن پدال ترمز
• حفظ قدرت ترمزگیری در دور موتور پایین یا خاموشی لحظه‌ای موتور
• افزایش ایمنی در سیستم‌های ترمز مدرن

بدون عملکرد صحیح پمپ خلأ، حتی بوستر سالم نیز نمی‌تواند وظیفه تقویت نیروی ترمز را به‌درستی انجام دهد.

انواع پمپ خلأ کمکی بوستر ترمز

پمپ‌های خلأ کمکی بوستر ترمز بر اساس نحوه عملکرد و منبع انرژی به چند دسته اصلی تقسیم می‌شوند که هرکدام کاربرد خاص خود را دارند.

پمپ خلأ مکانیکی

این نوع پمپ مستقیماً توسط موتور و از طریق میل‌بادامک یا تسمه به حرکت درمی‌آید. پمپ‌های مکانیکی معمولاً در خودروهای دیزلی یا موتورهایی با خلأ طبیعی ضعیف استفاده می‌شوند. دوام بالا و عملکرد پیوسته از مزایای این نوع پمپ است، اما وابستگی مستقیم به دور موتور از محدودیت‌های آن محسوب می‌شود.

پمپ خلأ برقی

پمپ خلأ برقی مستقل از عملکرد موتور کار می‌کند و توسط ECU کنترل می‌شود. این نوع پمپ در خودروهای مدرن، هیبریدی و مجهز به سیستم استارت-استاپ کاربرد گسترده‌ای دارد. مهم‌ترین مزیت پمپ برقی، تأمین خلأ حتی در زمان خاموش بودن موتور است که نقش مهمی در حفظ ایمنی ترمز دارد.

پمپ خلأ ترکیبی

در برخی خودروها از سیستم ترکیبی استفاده می‌شود؛ به این صورت که خلأ اولیه از موتور تأمین شده و در صورت کاهش فشار، پمپ خلأ کمکی (معمولاً برقی) وارد مدار می‌شود. این طراحی باعث افزایش پایداری عملکرد بوستر ترمز در شرایط مختلف رانندگی می‌شود.

شناخت نوع پمپ خلأ کمکی بوستر ترمز در هر خودرو، برای عیب‌یابی دقیق، تعمیر اصولی و جلوگیری از تعویض اشتباه قطعات اهمیت بالایی دارد.

ساختار و اجزای پمپ خلأ مکانیکی بوستر ترمز

پمپ‌هایی خلایی که به‌عنوان کمکی برای سیستم ترمز استفاده می‌شوند عموماً مکانیزم بسیار ساده‌ای دارند. شکل 4 اجزا داخلی نمونه‌ای از این پمپ‌ها را نشان می‌دهد.

1- محفظه افت فشار 2- مجرای ورودی (از بوستر) 3- بدنه پمپ 4- جهت حرکت 5- محفظه فشاری
6- مجرای خروج (به داخل فضای سرسیلندر) 7- روتور 8- پره 9- مجرای تعادل (از داخل فضای سرسیلندر)
شکل 4- اجزا داخلی پمپ خلایی مکانیکی

همانطور که مشاهده می‌شود پس از جداکردن درپوش پمپ اجزا مطابق شکل 4 قابل‌مشاهده خواهد بود.

نحوه عملکرد پمپ خلأ مکانیکی در سیستم ترمز

به‌صورت ساده اساس کار پمپ‌های خلایی با پمپ‌های معمولی تفاوت چندانی ندارد. به‌صورت ساده هر نوع پمپ در یک سمت فشار و در سمت دیگر خلأ ایجاد می‌کند. بر اساس شکل 4 فضای داخلی پمپ با پره (شماره 8) به دو بخش تقسیم می‌شود. این پره طوری روی روتور (شماره 7) قرار گرفته است که حرکتی خاص خواهد داشت طرفین پره با بدنه پمپ (شماره 3) با کمک یک بخش لاستیکی و روغن ورودی از سرسیلندر سبب ایجاد فضای آب‌بندی‌شده در دو طرف پره خواهد شد؛ بنابراین دو ناحیه‌ای که با رنگ‌های سبز و قرمز نشان‌داده‌شده است نسبت به یکدیگر آب‌بندی خواهند بود.

حجم این دو ناحیه بر اساس دوران متغیر است. ناحیه سبز که به مجاری ورودی از بوستر (شماره 2) ارتباط دارد. طوری طراحی شده است که به سمت محفظه افت فشار (شماره 1) راه دارد حجم این محفظه به‌مرور افزایش پیدا می‌کند به همین دلیل افت فشار نسبی ایجاد می‌شود و انتقال این افت فشار توسط شیلنگ‌های اتصال به بوستر در نهایت باعث ایجاد خلأ نسبی در بوستر خواهد شد. شکل 5 این وضعیت را نشان می‌دهد.

شکل 5- نحوه ارتباط سمت خلایی پمپ خلایی مکانیکی با بوستر

برای ایجاد تعادل فشاری در هر دو طرف پمپ خلایی، این دو طرف توسط دو مجرای تحت کنترل به سمت فضای داخلی سرسیلندر راه دارند. اگر به هر دلیلی میزان خلأ در یک سمت و یا میزان فشار در سمت دیگر بیش از حد استاندارد باشد، مجرای کنترلی ارتباط بین محفظه مکشی و یا فشاری را به داخل فضای سرسیلندر برقرار می‌کند. در نتیجه میزان فشار یا خلأ در محدوده موردنظر باقی می‌ماند. بعلاوه از این مجرا مقداری از روغن موجود در فضای سرسیلندر وارد محفظه‌های پمپ خلایی می‌شود. در نتیجه به‌صورت هم‌زمان فرایند روان‌کاری و آب‌بندی بهتر نیز انجام خواهد شد.

مزایا و محدودیت‌های استفاده از پمپ خلأ کمکی در خودروهای توربو

در خودروهای توربوشارژ، به‌دلیل فشار مثبت در مسیر ورودی هوا، تولید خلأ طبیعی موتور به‌ویژه در دورهای پایین یا شتاب‌گیری کاهش پیدا می‌کند. به همین دلیل استفاده از پمپ خلأ کمکی در این خودروها نقش مهمی در حفظ عملکرد پایدار بوستر ترمز دارد. با این حال، این سیستم علاوه بر مزایا، محدودیت‌هایی هم دارد که باید در نظر گرفته شود.

مزایای استفاده از پمپ خلأ کمکی در خودروهای توربو

مهم‌ترین مزیت پمپ خلأ کمکی، تأمین خلأ پایدار و مستقل از فشار توربو است. این ویژگی باعث می‌شود حتی در شرایط بوست مثبت، عملکرد بوستر ترمز بدون افت باقی بماند. نتیجه آن، پدال ترمز نرم‌تر، پاسخ‌گویی یکنواخت‌تر و افزایش ایمنی در ترمزگیری‌های ناگهانی است.

از دیگر مزایا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• حفظ قدرت ترمزگیری در دور موتور پایین
• جلوگیری از سفت شدن پدال ترمز در شتاب‌گیری
• سازگاری بهتر با سیستم‌های ایمنی مدرن مانند ABS و ESP
• عملکرد قابل‌اعتماد در رانندگی شهری و ترافیک سنگین

محدودیت‌ها و معایب پمپ خلأ کمکی در خودروهای توربو

در کنار مزایا، استفاده از پمپ خلأ کمکی با محدودیت‌هایی نیز همراه است. در پمپ‌های برقی، وابستگی به سیستم برق خودرو می‌تواند در صورت ضعف باتری یا ایراد در ECU باعث اختلال در عملکرد بوستر ترمز شود. همچنین این پمپ‌ها قطعات مصرفی محسوب می‌شوند و در بلندمدت ممکن است دچار افت راندمان یا خرابی شوند.

سایر محدودیت‌ها عبارت‌اند از:

• افزایش پیچیدگی سیستم ترمز
• هزینه بالاتر تعمیر یا تعویض نسبت به سیستم‌های ساده‌تر
• احتمال ایجاد صدا در پمپ‌های فرسوده
• نیاز به عیب‌یابی تخصصی با دستگاه دیاگ

در مجموع، پمپ خلأ کمکی در خودروهای توربو یک راه‌حل ضروری برای حفظ ایمنی ترمز محسوب می‌شود، اما نگهداری صحیح و بررسی دوره‌ای آن برای جلوگیری از بروز مشکلات ناگهانی کاملاً حیاتی است.

جمع‌بندی نحوه تأمین خلأ بوستر در موتورهای توربوشارژ

در موتورهای توربوشارژ، به دلیل افزایش فشار هوای مانیفولد در زمان فعال بودن توربو، خلأ نسبی موردنیاز برای عملکرد صحیح بوستر ترمز از بین می‌رود. این مسئله می‌تواند مستقیماً باعث کاهش توان ترمزگیری و افزایش نیروی موردنیاز روی پدال ترمز شود؛ موضوعی که با توجه به ماهیت فوق‌ایمنی سیستم ترمز، اهمیت بسیار بالایی دارد.

برای کنترل این تداخل عملکردی میان توربوشارژر و بوستر ترمز، خودروسازان از استراتژی‌های مختلفی استفاده می‌کنند. ساده‌ترین راهکار، بالا بردن دور فعال‌سازی توربو است که اگرچه در شرایط عادی تا حدی مؤثر است، اما راه‌حل ایمن و قابل اتکایی محسوب نمی‌شود. بهترین و مطمئن‌ترین روش، استفاده از پمپ خلأ کمکی است که می‌تواند به‌صورت مکانیکی یا الکتریکی خلأ موردنیاز بوستر را به‌طور مستقل از مانیفولد تأمین کند.

پمپ خلأ مکانیکی که معمولاً از نوع پره‌ای (Vane Type) است، با دریافت نیروی محرکه از میل‌سوپاپ یا میل‌لنگ، خلأ پایدار و کافی برای بوستر ترمز ایجاد می‌کند. این پمپ‌ها علاوه بر تأمین خلأ، با استفاده از مجاری تعادل فشار و روغن‌کاری، پایداری عملکرد و طول عمر سیستم را تضمین می‌کنند. استفاده گسترده از این فناوری در خودروهای توربوشارژ برندهای معتبر نشان‌دهنده کارایی و قابلیت اطمینان بالای آن است.

سوالات متداول درباره تأمین خلأ بوستر در موتورهای توربوشارژ 

چرا در موتورهای توربوشارژ تأمین خلأ بوستر ترمز با مشکل مواجه می‌شود؟

زیرا هنگام فعال شدن توربو، فشار مانیفولد افزایش یافته و خلأ نسبی موردنیاز برای عملکرد بوستر ترمز از بین می‌رود.

بوستر ترمز برای عملکرد صحیح به چه چیزی نیاز دارد؟

بوستر ترمز برای تقویت نیروی پای راننده نیازمند خلأ نسبی پایدار است که معمولاً از مانیفولد هوا تأمین می‌شود.

فعال شدن توربو چه تأثیری بر عملکرد ترمز دارد؟

در زمان فعال بودن توربو، خلأ مانیفولد کاهش یافته یا از بین می‌رود و در نتیجه قدرت عملکرد بوستر کاهش پیدا کرده و ترمزگیری ضعیف‌تر می‌شود.

ساده‌ترین راهکار خودروسازان برای کاهش تداخل توربو و بوستر چیست؟

بالا بردن دور فعال‌سازی توربو به محدوده‌های بالاتر از حدود 2500 دور در دقیقه یکی از راهکارهای ساده ولی نه‌چندان ایمن است.

بهترین روش تأمین خلأ بوستر در موتورهای توربوشارژ چیست؟

استفاده از پمپ خلأ کمکی، به‌ویژه پمپ خلأ مکانیکی یا الکتریکی مستقل از مانیفولد، بهترین و ایمن‌ترین راهکار محسوب می‌شود.

پمپ خلأ مکانیکی بوستر ترمز چگونه کار می‌کند؟

این پمپ با استفاده از مکانیزم پره‌ای و دریافت نیرو از میل‌سوپاپ یا میل‌لنگ، در یک سمت خلأ و در سمت دیگر فشار ایجاد کرده و خلأ موردنیاز بوستر را تأمین می‌کند.

میزان خلأ تولیدی پمپ خلأ مکانیکی چقدر است؟

میزان خلأ تولیدی این پمپ‌ها معمولاً بین 0.7 تا 0.9 بار است که برای عملکرد بوستر ترمز کاملاً مناسب است.

آیا پمپ خلأ مکانیکی فقط برای بوستر ترمز استفاده می‌شود؟

خیر، در برخی موتورها از سمت فشاری این پمپ برای راه‌اندازی سیستم‌هایی مانند EGR یا پمپ هوای ثانویه نیز استفاده می‌شود.

خرابی پمپ خلأ مکانیکی چه عواقبی دارد؟

عملکرد نادرست این پمپ می‌تواند علاوه بر اختلال در ترمزگیری، باعث بروز مشکل در حرکت میل‌سوپاپ و عملکرد سوپاپ‌ها شود.

در خودروهای هیبریدی توربوشارژ بیشتر از چه نوع پمپ خلأ استفاده می‌شود؟

در خودروهای هیبریدی توربوشارژ معمولاً از پمپ خلأ الکتریکی استفاده می‌شود، زیرا تأمین خلأ وابسته به عملکرد موتور احتراق داخلی نیست.

در مقاله مرتبط بعدی در مورد پمپ خلا الکتریکی مطالبی بیان خواهد شد. مشکلات مرتبط به خرابی این سیستم نیز در یک مقاله مجزا مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

نویسنده: مهندس بهروز خطیبی