آشنایی با توربو شارژر، انواع، معایب و مزایای آن

سال‌ها پیش یک خودروی سریع و قدرتمند، خودرویی بود که زیر کاپوت آن موتوری حجیم با سیلندرهای متعدد گنجانده شده بود. پیشرانه‌هایی که برخلاف آن قد و قواره بزرگشان،‌ کارایی پایینی داشتند. علاوه بر این، مصرف آن‌ها نیز بالا بود. تنها نکته جذاب این موتورها، سر و صدای پرابهت و اسم و رسم دهان پرکن بود؛ اما امروزه به لطف فناوری‌های جدید موتورهایی با حجم تنها یک سیلندر از همان پیشرانه‌ها، قدرتی دو برابر تولید می‌کنند. یکی از این فناوری‌های پیشرو، توربو شارژر است. بعد از چند بحران نفتی در اروپا و آمریکا و بروز جنگ‌های داخلی در خاورمیانه، قیمت نفت به طرز وحشتناکی بالا رفت. این بدترین خبر برای تولیدکنندگان بزرگ خودرو بود. شرکت‌های نام‌داری که اغلب محصولات‌شان با موتورهای حجیم راهی بازار می‌شدند. مصرف بالای این خودروها هزینه‌ی استفاده از آنها را به طرز چشم‌گیری افزایش داده بود. اتفاقی که هرگز باب میل مشتریان نبود. قیمت گزاف بنزین و گازوئیل نه‌تنها هزینه‌های بالایی را به خریداران تحمیل می‌کرد بلکه هزینه‌های تولید را نیز افزایش می‌داد. نفت تأثیری عمیق بر کلیه‌ی صنایع به‌ویژه خودروسازی دارد. این بحران اقتصادی مدیران و مهندسان را به فکر یک تغییر اساسی در استراتژی هایشان انداخت. از یک‌سو کاهش حجم موتور، کاهش قدرت را نیز در پی داشت. این نیز خود به‌تنهایی باعث رنجش خاطر مشتریان می‌شد. گروه بزرگی از مهندسان در پی آن شدند که راهکار برون‌رفتی از این معضل پیدا کنند. برخی از شرکت‌ها توانستند با ابداع موتورهای جدید که سیلندرهای کمتری داشت، به افزایش بهره وری دست یابند. گروهی دیگر نیز مجبور شدند تا با کاهش وزن خودرو، جبران مافات کنند؛ اما گروهی دیگر که اهداف بزرگ‌تری در سر داشتند، سراغ یک تکنولوژی قدیمی رفتند که هنوز در صنعت خودروسازی استفاده نشده بود.

تاریخچه‌ی توربو شارژر

در ۱۸۸۵میلادی گوتلیب دایملر، مهندس نامدار آلمانی اولین ایده‌ها را برای تقویت موتورهای احتراق داخلی مطرح کرد. ایده‌ی دایملر استفاده از یک مکانیزم چرخ دنده‌ای برای فشرده کردن هوا و تزریق آن به درون سیلندر بود؛ اما حقیقت آن است که اولین باری که اصطلاح TurboCharger در لغت‌نامه‌ی صنعتی دنیا مطرح شد، نام «آلفرد بوچی» مهندسی سوئیسی پشت آن قرار گرفت. بوچی سرمهندس بخش دیزل کمپانی بزرگ Sulzer بود. او ایده‌اش را در قالب یک طرح اختراعی در سال ۱۹۰۵ به ثبت رساند. طرح بوچی، واقعا هوشمندانه بود. آنچه او ساخت، شامل یک منیفولد حلزونی بود که درون آن یک توربین تعبیه می‌شد. این سازه به محل گازهای خروجی اگزوز متصل می‌شد و میزان تراکم هوای قابل اشتعال درون سیلندر را بیشتر می‌کرد. به‌عبارت ساده‌تر توربوشارژر کمپرسوری بود که هوای فشرده را به درون سیلندرها می‌فشرد. اگرچه ایده‌ی بوچی در ظاهر ساده بود ولی برای اجرایی کردن آن زمان زیادی صرف شد؛ یعنی چیزی حدود ۲۰ سال طول کشید تا توربو شارژر به مرحله‌ی سوددهی برسد. طی جنگ جهانی اول یک مهندس فرانسوی به اسم «آگوست راتیو» توانست یک توربو شارژ را درون یک موتور کمپانی رنو بگنجاند. این موتور قرار بود به‌عنوان پیشرانه‌ی اصلی هواپیمای جنگنده استفاده شود. در ۱۹۱۸ کمپانی جنرال الکتریک تولید انبوه موتورهای توربو شارژر برای هواپیماهای جنگنده را آغاز کرد. اولین استفاده از این موتورهای تقویت‌شده روی هواپیماهای معمولی در سال ۱۹۲۰ و توسط کمپانی Napier‌ صورت گرفت. ارتش آمریکا رکورددار اولین استفاده از توربو شارژر در کشتی‌های جنگی در خلال جنگ جهانی دوم بود. داستان استفاده از توربو شارژر در موتور خودروها، به‌اندازه‌ی تاریخ پیدایش آن پر و پیمان نیست. در دهه‌ی ۵۰ تلاش‌های بسیاری از سوی آلمانی‌ها و آمریکایی‌ها برای تعبیه‌ی یک پیشرانه توربو درون یک خودرو صورت گرفت؛ اما هر بار به دلیل افزایش شدید دمای بلوک پیشرانه و ذوب شدن آن، پروژه متوقف می‌شد. افزایش ناگهانی دور موتور معضلات متعددی را در بخش انتقال قدرت به‌وجود می‌آورد. در واقع، اغلب خودروسازان هنوز نتوانسته بودند قدرت بی حد و اندازه‌ی توربوها را در مقیاس یک خودرو کنترل کنند. سرانجام در ابتدای دهه‌ی ۶۰ یعنی درست در ۱۹۶۲ بود که کمپانی جنرال موتورز آمریکا اولین خودروی دنیا که مجهز به پیشرانه توربوشارژ بود را معرفی کرد. این خودرو توسط کمپانی اولدزموبیل از زیرمجموعه‌های GM‌ به اسم Jetfire عرضه شده بود. بعدها دیگر زیرمجموعه‌ی جنرال موتورز یعنی شورولت نیز از آن روی مدل Monza استفاده کرد. حداقل ۱۰ سال طول کشید تا این فناوری توسط خودروسازان آلمانی کاربردی شود. کمپانی ب‌ام‌و در ۱۹۷۳ بود که برای اولین‌بار از یک خودرو توربو شارژر در اروپا پرده‌برداری کرد.

توربو شارژر چطور کار می‌کند؟

پیش‌تر گفتیم که مکانیزم توربو در حقیقت فشرده کردن هوا برای احتراق قوی‌تر پیشرانه است. با افزایش حجم هوا یا همان اکسیژن در داخل سیلندر، بعد از جرقه‌زنی شمع انفجار قوی‌تری رخ می‌دهد که باعث بالا رفتن توان پیشرانه می‌شود. توربو شارژر در واقع یک نوع مکنده‌ی پرقدرت هواست که جریان هوای ورودی به سیلندر را فشرده می‌کند و باعث می‌شود تا هوای بیشتری به سیلندرها وارد شود. توربوشارژر نسبت قدرت به وزن پیشرانه را افزایش می‌دهد. توربین متصل به توربو شارژر با سرعت دورانی حدودا ۳۰ برابر بیشتر از حالت عادی دوران پیشرانه به چرخش درمی‌آید. گاهی توربوشارژرها می‌توانند چرخشی معادل ۲۵۰ هزار دور در دقیقه را تحمل کنند. سؤال این است که پروسه‌ی فنی و مهندسی توربو شارژر به چه صورت است. توربوشارژرها از دو قسمت اصلی توربین که هوای ورودی از گازهای خروجی را با فناوری سانتریفیوژ با سرعت بالا به چرخش درمی‌آوردند. بخش دیگر، کمپرسور یا فشرده‌کننده‌ی هواست که یک سر آن به توربین‌ها و سر دیگر آن به منیفولد ورودی به سیلندر متصل است. هر دو بخش توربین و کمپرسور متحرک هستند. بر اساس مشاهدات فیزیکی هرچه توربین بزرگ‌تر باشد،‌ میزان هوای فشرده و در واقع میزان تقویت بیشتر خواهد بود. بزرگ بودن توربین‌ها کارایی آنها را در دور موتورهایی پایین به مشکل می‌اندازد. مدل‌های کوچک‌تر در دور موتورهای پایین عملکرد بهتری دارند ولی هرگز به قدرت نمونه‌ی بزرگ‌تر نیستند. بنابراین پیدا کردن یک سایز مناسب بر حسب توانایی‌های موتور استاندارد یک هنر مهندسی است.

اینترکولرها و نقش آنها

این اواخر یک قطعه‌ی دیگر بین این دو نیز نصب می‌شود که وظیفه‌ی آن خنک کردن گازهای انتقالی به اسم اینترکولر است. پیشرفت مهندسی کاری کرده است که توربوشارژرها از مدل‌های سنتی با توانایی پایین تبدیل به غول‌های چند صد اسب‌بخاری شوند. همین امر ظاهری ترسناک به آنها می‌بخشد. دمای حاصل از چرخش سریع توربین و گازهای خروجی که خود به تنهایی داغ هستند گاه به بیش از ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. بدون وجود یک مکانیزم خنک‌کننده، توربو عملا هر آنچه هست و نیست را مذاب می‌کند. حقیقت این است که یک سازه‌ی توربو اندازه‌ی چندان بزرگی ندارد و می‌دانیم که دما در جسم کوچک، سریع‌تر منتقل می‌شود. اینترکولرها نقشی بسیار مهم‌تر از خنک کردن هوا دارند. حرارت بیش از حد شاید به بلوک موتور آسیب نزند ولی قطعا کارایی آن را پایین می‌آورد. افزایش حرارت، ترکیب از پیش تعیین‌شده‌ی هوا و سوخت را با اختلال روبه‌رو می‌کند. گرم بودن هوا به چند دلیل برای سلامت پیشرانه‌ی خودرو مناسب نیست. یکی اینکه با افزایش دما چگالی آن کاهش پیدا می‌کند که به معنای افت عملکرد پیشرانه است و دوم اینکه دمای بالا می‌تواند سبب افزایش دمای مخلوط هوا و سوخت نیز بشود که خود سبب پدیده‌های مخربی مثل انفجار زودهنگام می‌شود. در انفجار زودهنگام، دمای مخلوط هوا و سوخت آن‌قدر افزایش پیدا کند که پیش از جرقه‌زنی شمع‌ها، گاز سوختنی مشتعل می‌شود. این انفجار خارج از کنترل و زودهنگام، نه‌تنها افت توان پیشرانه را به همراه دارد بلکه می‌تواند آثار مخربی نیز روی آن کارکردش بگذارد. از سویی دیگر، افزایش بیش از حد دمای پیشرانه می‌تواند تأثیرات منفی روی سلامت قطعات بگذارد و عمر کاری آنها را کاهش دهد. بهتر است بگوییم اینترکولر همانند رادیاتور است که هوای گرم از داخل آن می‌گذرد تا دمای آن کاهش پیدا کند. اینترکولر معمولا می‌تواند دمای هوای ورودی به سیلندر را تا ۴۰ الی ۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد کاهش دهد. کاهش دما نیز به دو صورت می‌تواند باشد؛ با استفاده از هوا یا آب. اینترکولرهایی که با هوا خنک می‌شوند، دارای ساختار ساده‌تری هستند؛ اما انواع خنک‌شونده با مایع نیاز به یک رادیاتور دوم دارند تا آب را نیز خنک کنند.

انواع توربو شارژر

۱. توربو شارژر حلزونی ساده

در این مدل‌ گازهای خروجی تنها از یک مسیر حلزونی حرکت و توربین را می‌چرخانند، سپس توربین را ترک می‌کنند، وارد اگزوز شده و خارج می‌شوند. مسیر حلزونی یک معبر مارپیچ درون پوسته‌ی توربین است که مقطع آن ثابت نیست و کاهش می‌یابد. این تغییر باعث ثابت نگه داشتن سرعت گازها در برخورد با توربین می‌شود. محور متحرک کمپرسور به همراه توربین روی یک شفت نصب شده است. پره‌های کمپرسور دارای انحنا هستند و تحت تأثیر نیروی گریز از مرکز، هوا را فشرده می‌کند. هوای فشرده‌شده با سرعت زیاد و فشار کم از سردکننده عبور می‌کند و وارد قسمت حلزونی پوسته‌ی کمپرسور می‌شود. این کار باعث کاهش دما برای جلوگیری از احتراق سوخت به‌وسیله‌ی دمای هوا و افزایش فشار هوا پیش از ورود به موتور خودرو خواهد شد.

۲. توربو شارژر حلزونی با افزاینده‌ی سرعت

این نوع دارای یک حلزون و یک افزاینده‌ی سرعت (پره‌های ثابت روی پوسته‌ی توربین) یا دو حلزون و دو مجرای مستقل است. گازهای خروجی وارد منیفولد و از آنجا وارد حلزون‌ها می‌شوند. اما به‌جای آنکه مستقیما وارد چرخه‌ی توربین شوند، از روی پره‌های ثابت عبور می‌کنند و با زاویه‌ی مناسب و با انرژی بالاتر با پره‌های توربین برخورد می‌کنند. در این نوع توربو شارژر کمپرسور همانند حلزونی ساده عمل می‌کند.

۳. توربو شارژر ضربانی

در این سیستم از ضربات دودهای خروجی خارج شده از سیلندر استفاده می‌شود. این امر افزایش سرعت توربو شارژر را در پی دارد. منیفولد ضربانی دارای مسیری مستقلی از هر سیلندر است که در انتها به دو کانال اصلی جداگانه تبدیل می‌شود، این دو کانال به دو کانال روی پوسته‌ی توربین می‌پیوندند. منیفولد ضربانی دارای مقطع نسبتا کوچکی است تا از ضربات بهره‌ی بیشتری ببرد. چراکه در منیفولد دود بزرگ‌تر، اتلاف انرژی بالاتر است. شکل منیفولد ضربانی به‌گونه‌ای طراحی شده تا از جریان گازهای آزاد (بدون ضربه) نیز به‌خوبی گازهای توده‌ای (همراه با ضربه) استفاده کند. این ویژگی در حین شتاب‌گیری باعث افزایش سرعت و تداوم رسیدن انرژی گازهای خروجی به توربین، افزایش میزان اکسیژن و در نتیجه افزایش قدرت موتور خودرو می‌شود.

سوپرشارژر چیست؟

ساختار موتورهای سوپرشارژ مشابه توربوشارژ است با این تفاوت که در سوپرشارژها توربینی وجود ندارد و کمپرسور قدرت خود را مستقیما و با استفاده از تسمه یا زنجیر از موتور گرفته و هوای ورودی به سیلندر را فشرده می‌کند.

مزایا و معایب توربو شارژر و سوپرشارژر چیست؟

یکی از مزایای سوپرشارژرها این است که مبحث توربو لگ در آنها وجود ندارد. اما آنها نیاز به قدرت بیشتری برای چرخش دارند؛ بنابراین همیشه نمی‌توانند قدرتی مانند توربو شارژر را تولید کنند. سوپرشارژر معمولا در موتور خودروهای درگ استفاده می‌شود که احتیاج به قدرت بسیار زیادی دارند. در هر دو سیستم مزایا و معایبی وجود دارد. از نظر تئوری توربو شارژر بازدهی بهتری دارد زیرا از انرژی هدررفته در گازهای خروجی برای چرخش خود استفاده می‌کند اما از طرف دیگر توربوشارژر تا حدی مسیر خروج دود را مسدود کرده و مقداری فشار منفی یا Back-Pressure ایجاد می‌کند و تا موقعی که دور موتور بالا نرود بوست زیادی تولید نمی‌شود. از طرفی توربوها باعث به وجود آمدن لگ یا تأخیر در دورهای پایین‌تر می‌شود. نصب سوپرشارژر آسان‌تر و کم هزینه‌تر است زیرا نیازی به تغییر در سیستم خروجی موتور نیست. از آنجایی که سوپرشارژر نیروی خود را مستقیما از پولی میل لنگ دریافت می‌کند، مشکل تأخیر یا لگ بسیار کمتر از توربوشارژر است. چراکه نیازی به بالا رفتن دور موتور و افزایش فشار گازهای خروجی ندارد. به همین دلیل موتورهای مجهز به سوپرشارژر منحنی گشتاور صاف‌تری دارند و برای رانندگی شهری مناسب‌تر هستند. البته در سیستم‌های مدرن توربوشارژر، با استفاده از توربین با پره‌های متغیر تا حد زیادی مشکل لگ برطرف شده است. از آنجایی که توربوشارژرها به موتور اتصالی ندارند و برای کار کردن متکی به انرژی تولیدی موتور نیستند، از نظر اقتصادی و نیز قدرت کلی موتور نسبت به سوپرشارژرها برتری دارند چرا که این نوع از شارژرها انرژی مورد نیاز خود را از طریق قرار دادن یک توربین در مسیر خروجی گازهای اگزوز به دست می‌آورند که در حالت عادی هم انرژی‌شان اتلاف می‌شد. به همین دلیل است که گازهای خروجی موتور در دورهای پایین تر از ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ rpm توان لازم برای به حرکت درآوردن توربین جهت تولید انرژی مکانیکی مورد نیاز برای کارکردن توربوشارژر را ندارد و عملا توربوها در هنگام نیاز موتور به قدرت بالا مثل به حرکت درآمدن از حالت سکون، کمک خاصی نمی‌کنند و از این نظر نسبت به سوپرشارژرها ضعف دارند. هم در موتورهای بنزینی و هم دیزلی از توربو شارژر استفاده می‌شود ولی سوپرشارژر بیشتر در موتورهای بنزینی کاربرد دارد و به‌ندرت در موتور دیزل از آن استفاده می‌شود. همچنین احتمال خطر آتش‌سوزی به دلیل حرارت بالاتر در توربو شارژر بیشتر است. به کار افتادن و افزایش بوست ناگهانی توربوشارژر در دور موتورهای بالاتر فشار زیادی به سیستم انتقال قدرت وارد می‌کند.

رانندگی با خودروهای توربو

پشت فرمان قرار گرفتن خودرویی که موتورش توربو شارژر دارد شاید در ظاهر هیجان‌انگیز باشد. ولی در عین حال محدودیت‌های خاص خود را نیز در پی دارد. موتورهایی که توسط توربو شارژر تقویت شده‌اند، ساختار متفاوتی را نسبت به موتورهای تنفس طبیعی طلب می‌کنند. یکی از مهم‌ترین علل بروز مشکل در موتورهای توربوشارژ، به سیستم روغن‌کاری مرتبط است. اتصالات توربوشارژر برای داشتن عملکردی مناسب به روغنی با خلوص، فشار و شدت جریان مناسب احتیاج دارند. روغن پس از استارت زدن و روشن شدن خودرو برای رسیدن به موتور و رسیدن به دمای مناسب نیاز به زمان دارد. بنابراین باید در نظر داشت که بعد از استارت زدن خودرو، چیزی حدود ۳ تا ۵ دقیقه برای گرم شدن صبر کنیم. با خاموش کردن خودرو، پمپ روغن در موتور هم خاموش می‌شود و این باعث می‌شود مقداری از روغن در سیستم باقی بماند و چون دمای موتور هنوز بالاست، روغن در برخورد با این بخش‌های داغ می‌سوزد و کیفیت و ویسکوزیته‌ی مطلوب را از دست می‌دهد. برای جلوگیری از این آسیب، باید قبل از خاموش کردن خودرو برای مدتی کوتاه صبر کنید تا دمای موتور پایین بیاید و بعد آن را خاموش کنید. زمانی که دور موتور پایین‌تر از ۲۰۰۰ rpm قرار دارد و با دنده‌های سبک در حال حرکت هستید، وقتی برای شتاب‌گیری پدال گاز را فشار می‌دهید، میزان سوخت بیشتری وارد می‌شود ولی به علت دور پایین موتور اکسیژن کمتری وارد می‌شود و این مخلوط غنی سوخت و هوا می‌تواند به موتور آسیب بزند. برای جلوگیری از این اتفاق بهتر است که هنگام شتاب‌گیری دنده خودرو کاهش داده شود. در موتورهای توربوشارژ کیفیت سوخت بسیار اهمیت دارد. استفاده از سوخت با عدد اکتان پایین باعث افزایش احتمال کوبش در موتور و آسیب به موتور می‌شود. از بهترین سوخت موجود برای خودرو توربوشارژ خود استفاده کنید. ولی ترجیحا از مکمل‌های رایج در بازار پرهیز کنید. یکی از مشکلات خودروهای توربوشارژ وجود توربولگ است. بدین معنا که بین زمانی که پای رو پدال گاز گذاشته می‌شود و اعمال شتاب لحظه‌ای، تأخیری به وجود می‌آید. این حالت در پیچ جاده می‌تواند باعث از بین رفتن تعادل خودرو شود. به همین دلیل به هنگام رانندگی در خودروی توربوشارژ، در پیچ‌ها از فشار دادن ناگهانی پدال گاز خودداری کنید.