یکی از تکنولوژی‌های موجود در همه‌ی ماشین‌های اسپرت، توربو شارژ یا همان توربو شارژر است؛ اما توربو شارژ چیست و چگونه عمل می‌کند؟ بگذارید با یک مثال شروع کنیم. همه‌ی ما نحوه‌ی پخت کباب را از نزدیک دیده‌ایم. معمولاً برای حرارت بیشتر زغال‌ها چه‌کاری را انجام می‌دهند تا سوخت زغال به‌راحتی انجام شود؟
باد زدن است که پخت کباب را سریع‌تر می‌کند. باد زدن زغال در پخت کباب سبب رسیدن هرچه بیشتر اکسیژن به زغال‌ها می‌شود و حرارت بیشتری تولید می‌شود. جالب است بدانید که توربو شارژ دقیقاً همین کار را در موتور اتومبیل انجام می‌دهد!
توربو شارژ یا توربو شارژر؟
کلمه‌ی اصلی توربو شارژر (turbochargers) است؛ اما در ایران به توربو شارژ معروف است.
در این مقاله عملکرد دقیق توربو شارژ را شرح می‌دهیم. همچنین مزایا و معایب و انواع آن را بیان می‌کنیم.
شروع کار توربو شارژ با دود اگزوز
آیا تابه‌حال به دودی که از اگزوز ماشین‌ها خارج می‌شود توجه کرده‌اید؟
بدیهی است که دود ناشی از اگزوز باعث آلودگی هوا می‌شود؛ اما کمتر کسی به این موضوع دقت کرده است که چه میزان انرژی از این طریق هدر می‌رود. دود اگزوز ترکیبی از گازهای گرم است که با سرعت زیاد به بیرون رانده می‌شود و تمام انرژی موجود در آن به‌صورت گرما و انرژی جنبشی بدون استفاده در جو از بین می‌روند.
قدرت شگفت‌انگیز اگزوز
اگر موتور ماشین بتواند از این انرژی استفاده کند چه اتفاقی می‌افتد؟ قدرتی عجیب بدون صرف هیچ هزینه و سوخت اضافه! آیا موتور می‌تواند از این انرژی فوق‌العاده استفاده کند؟
جالب است بدانید که این دقیقاً همان کاری است که توربو شارژ انجام می‌دهد؛
در جواب سؤال توربو شارژ چیست باید به شما بگوییم که این وسیله اقتصادی‌ترین قطعه‌ی ماشین است؛ که حتی از دود اگزوز هم نمی‌گذرد!
اتومبیل چگونه حرکت می‌کند؟
مراحل حرکت اتومیبل به ترتیب در زیر شرح داده شده‌اند:
- موتور اتومبیل از انفجار و سوختن بنزین در محفظه‌ای فلزی و محکم بنام سیلندر نیرو می‌گیرد.
- هوا وارد سیلندر می‌شود.
- این هوا با سوخت مخلوط می‌شود تا با یک انفجار کوچک پیستون به بیرون رانده شود.
- انجام این اعمال شافت‌ها و چرخ‌دنده‌ها اتومبیل را به حرکت درمی‌آورند.
- دود حاصل از این عمل به‌عنوان دود خروجی از سیلندر از طریق اگزوز به بیرون رانده می‌شود.
- میزان نیرویی که اتومبیل می‌تواند ایجاد کند با میزان سوخت رابطه‌ی مستقیمی دارد.
- هرچه تعداد سیلندرها بیشتر و حجم آن‌ها بزرگتر باشد، سوخت بیشتری استفاده می‌شود و درنتیجه اتومبیل سریع‌تر حرکت می‌کند.
افزایش قدرت ماشین با توربو شارژ
یکی از راه‌های افزایش سرعت ماشین اضافه کردن سیلندرهای بیشتر است. به همین دلیل است که اتومبیل‌های اسپرت پرسرعت معمولاً به‌جای چهار یا شش سیلندر در یک خودروی معمولی خانوادگی، هشت یا دوازده سیلندر دارند. گزینه دیگر استفاده از توربو شارژ است که در هر ثانیه مقدار بیشتری هوا به سیلندرها وارد می‌شود تا بتوانند سوخت را با سرعت بیشتری بسوزانند. یک توربو شارژر، کیت ساده نسبتاً ارزان و اضافی است که می‌تواند از همان موتور قدرت بیشتری کسب کند. برای اینکه بدانیم توربو شارژ چیست؟ باید چگونگی عملکرد آن را درک کنیم.
چگونگی عملکرد توربو شارژ و موتور جت
اگر بدانید که موتور جت چگونه کار می‌کند می‌توان گفت چگونگی کارکرد توربو شارژ را هم متوجه شده‌اید. یک موتور جت در جلو هوای سرد را مکش می‌کند و آن را به درون محفظه‌ی انفجار سوخت می‌فرستد. سپس حجم عظیمی از هوای گرم در عقب جت تولید می‌شود. با بیرون رفتن هوای گرم، یک توربین می‌چرخد که سبب چرخش کمپرسور یا همان پمپ هوا در قسمت جلو می‌شود. این همان قسمتی است که هوا را به داخل موتور سوق می‌دهد تا سوخت به‌درستی انجام شود.
افزایش قدرت بدون کاهش وزن
توربو شارژ در ماشین، روشی مشابه به موتور جت را به کار می‌برد. از گاز اگزوز برای چرخش توربین استفاده می‌کند و سپس کمپرسور هوا می‌چرخد تا هوای اضافه (اکسیژن) را به داخل سیلندر پمپ کند. همچنین به آن اجازه می‌دهد که در هر ثانیه سوخت بیشتری بسوزاند. به همین دلیل است که یک اتومبیل توربو شارژ می‌تواند قدرت بسیار بیشتری را تولید کند. بدون اضافه شدن تعداد سیلندرها و همچنین بدون تغییر وزن ماشین، قدرت موتور افزایش می‌یابد.
سوپر شارژ چیست؟
یک سوپر شارژر بسیار شبیه به یک توربو شارژر است.
اما به‌جای اینکه توربین توسط گازهای اگزوز حرکت کند، از میل‌لنگ چرخان اتومبیل استفاده می‌شود.
این معمولاً یک نقطه‌ضعف است: درجایی که یک توربو شارژر از طریق انرژی زائد در اگزوز استفاده می‌شود، یک سوپر شارژر درواقع انرژی خود را از منبع تغذیه اتومبیل (میل‌لنگ) سرقت می‌کند که عموماً بی‌فایده است.
توربو شارژ چیست و در عمل چگونه کار می‌کند؟
- توربو شارژ درواقع شامل دو تا پنکه‌ی کوچک است؛ که توسط یک میله‌ی مرکزی بنام شافت به یکدیگر متصل شده‌اند.
- چرخش یکی از پنکه‌ها باعث چرخش دیگری می‌شود.
- یکی از این پنکه‌ها بنام توربین سر راه گازهای گرم خارج‌شده از سیلندرها قرار دارد.
- هنگامی‌که سیلندرها گاز داغ را به بیرون می‌راند توربین می‌چرخد.
- به همراه چرخش توربین، شافت و درنهایت پنکه‌ی دوم بنام کمپرسور می‌چرخد.
- آن را در جلوی ورودی‌ها نصب می‌کنند و هنگامی‌که می‌چرخد هوا را به داخل می‌کشد و به سیلندرها هدایت می‌کند.
مشکل دمای هوای فشرده در توربو شارژ
اکنون یک مشکل جزئی در اینجا وجود دارد. اگر یک گاز را فشرده می‌کنید آیا دمای آن بالاتر نمی‌رود درواقع داغ‌تر نمی‌شود؟ (به همین دلیل است که تلمبه هنگام باد کردن چرخ دوچرخه گرم می‌شود.) هوای گرم کمتر متراکم است (درواقع حاوی مقدار کمتری از اکسیژن است.) بنابراین منجر به سوختن کمتر بنزین می‌شود که این بی‌فایده است؛ بنابراین بهتر است هوای ورودی از کمپرسور قبل از ورود به سیلندرها خنک شود.
برای خنک کردن آن، خروجی کمپرسور از مبدل حرارتی عبور می‌کند. این عمل گرمای اضافی را از بین می‌برد و آن را کانال می‌کند.
نگاهی دقیق‌تر به عملکرد توربو شارژ
در این قسمت با استفاده از تصویر عملکرد توربو شارژ را بهتر درک می‌کنید.
ایده‌ی اصلی این است که دود خروجی توربین (فن قرمز) را می‌چرخاند که مستقیماً به کمپرسور (فن آبی) متصل شده است؛ که هوا را به داخل موتور هدایت می‌کند.
برای سادگی ما فقط یک سیلندر را نشان می‌دهیم و به‌طور خلاصه بیان می‌شود:
- 1. هوای خنک وارد موتور می‌شود و به سمت کمپرسور حرکت می‌کند.
- 2. فن کمپرسور به مکش هوا کمک می‌کند.
- 3. کمپرسور هوای ورودی را فشرده می‌کند که این سبب گرم شدن آن می‌شود.
- 4. هوای گرم و فشرده‌شده از سمت کمپرسور در این قسمت توسط کولر خنک می‌شود.
- 5. هوای خنک و فشرده وارد سیلندر شده و اکسیژن اضافه، سوزاندن سوخت را سرعت می‌بخشد.
- 6. ازآنجاکه سیلندر سوخت بیشتری می‌سوزاند، تولید انرژی افزایش می‌یابد. افزایش تولید انرژی می‌تواند از طریق پیستون، شفت‌ها و چرخ‌دنده‌ها قدرت بیشتری به چرخ‌ها ارسال کند.
- 7. گازهای زائد سیلندر از طریق خروجی اگزوز خارج می‌شوند
- 8. گازهای خروجی داغ سبب چرخش توربین با سرعت‌بالا می‌شود.
- 9. توربین روی همان شافت کمپرسور سوار شده است (در اینجا به‌عنوان یک خط نارنجی کمرنگ نشان داده‌شده است)؛ بنابراین، در هنگام چرخش توربین، کمپرسور نیز می‌چرخد.
- 10. دود توسط اگزوز از اتومبیل خارج می‌شود اما در مقایسه باحالت بدون توربو شارژ انرژی کمتری را هدر می‌دهد.
در عمل، مؤلفه‌ها می‌توانند چیزی شبیه به عکس پایین متصل شوند.
این توربین (قرمز، راست) از طریق ورودی خود هوای اگزوز را به خود می‌گیرد، کمپرسور (آبی، سمت چپ) هوای تمیز بیرون را جذب کرده و به داخل موتور، پمپ می‌کند.
این طراحی خاص دارای سیستم خنک‌کننده برقی (سبز) بین توربین و کمپرسور است.
آیا قدرت اضافه مستقیماً از اگزوز به دست می‌آید؟
توربو شارژرها قدرت بیشتری به خودرو می‌دهند، اما این قدرت اضافی مستقیماً از لوله‌ی اگزوز حاصل نمی‌شود. این موضوع بعضی‌اوقات مردم را گیج می‌کند. با استفاده از توربو شارژر، مقداری از انرژی موجود در دود خروجی از سیلندرها را برای چرخش کمپرسور مهار می‌کنیم. این عمل به موتور اجازه می‌دهد در هر ثانیه سوخت بیشتری بسوزاند. این سوخت اضافی جایی است که نیروی اضافی خودرو ازآنجا به وجود می‌آید.
تمام گازهای اگزوز در حال کار برای تولید توربو شارژر است. به دلیل اینکه توربو شارژر به میل‌لنگ و یا چرخ‌های اتومبیل متصل نشده است، به‌هیچ‌وجه مستقیماً به توان رانندگی خودرو نمی‌افزاید. به‌سادگی توربو شارژ موتور را قادر می‌سازد که سوخت را با سرعت بیشتری بسوزاند، بنابراین آن را قوی‌تر می‌کند.
نهایت قدرت توربو شارژ
هرچه توربوشارژ بزرگتر باشد، قدرت موتور نیز بیشتر می‌شود. ازنظر تئوری شما می‌توانید توربو شارژ خود را تقویت کنید و تا موتور شما قدرتمندتر شود؛ اما درنهایت به محدودیتی خواهید رسید. سیلندرها تنها گنجایش مقدار مشخصی از سوخت و هوا را دارند. همچنین اندازه‌ی دریچه‌ی ورودی و خروجی هوا هم مشخص است و به میزان خاصی می‌تواند هوا را وارد و خارج کنند؛ و این باعث می‌شود انرژی لازم برای توربو شارژ محدود شود. به‌عبارت‌دیگر، عوامل محدودکننده دیگری نیز وجود دارند که باید آن‌ها را نیز در نظر بگیرید. شما نمی توانید به سادگی راه خود را برای شارژ بی نهایت توربو پیدا کنید.
مزایا توربو شارژها
- استفاده همه‌جانبه از توربو شارژ در موتورهای بنزینی وهم دیزلی.
- استفاده در هر نوع وسیله‌ی نقلیه (ماشین، کامیون، کشتی یا اتوبوس).
- قدرت بیشتر برای حجم موتور یکسان.
- کاهش آلودگی ناشی از سوخت بهتر.
- تولید انرژی بیشتر بدون تغییر وزن موتور.
- تا ده درصد در مصرف سوخت صرفه‌جویی می‌شود.
معایب توربو شارژرها
- مهندسی سخت و پیچیده‌ی موتور.
- بالا بودن هزینه‌ی تعمیر نگهداری موتور.
- حساس شدن نسبت به تعویض‌های دورهای.
- کاهش عمر قطعات به دلیل بالا رفتن دما.
- تأخیر اولیه در شروع کار توربو.
انواع توربو شارژرها
توربو شارژها انواع مختلفی دارند. بنام‌های؛ تک توربو، جفت توربو، جفت توربو اسکرول، توربوشارژ VGT، توربو شارژ VTS، چهار توربو و… . در ادامه چند مورد را به‌اختصار توضیح می‌دهیم.
تک توربو (Single Turbo)
- تک توربوها همان چیزی هستند که اکثریت مردم به‌عنوان توربو می‌شناسند.
- به دلیل سادگی آن ارزان‌ترین نوع توربو است؛ اما بهترین گزینه‌ی توربو نیست.
- با تغییر ساختار توربو می‌توان گشتاورهای متفاوت ایجاد کرد.
- آن‌ها روشی مقرون‌به‌صرفه برای افزایش قدرت و راندمان موتور هستند.
- به همین ترتیب به‌طور فزاینده‌ای رایج شده‌اند و به موتورهای کوچک‌تر اجازه می‌دهند با تولید نیرویی برابر با موتورهای بزرگتر، اما با وزن کمتری بازده را افزایش دهند؛
- گفتنی است که تأخیر عملکرد توربو در این نوع کاملاً محسوس است.
جفت توربو (Twin Turbo)
- همان‌طور که از نام آن پیداست دوقلو است.
- به معنی اضافه کردن یک توربوی دیگر به موتور است.
- این را می‌توان در موتورهای 6 سیلندر و یا 8 سیلندر استفاده کرد؛
- یکی از آن‌ها در دور موتورهای پایین و دیگری در گشتاورهای بالا عمل می‌کند.
- به دلیل ساختار توربوی اول در دورهای پایین سبب کاهش تأخیر در این دورها می‌شود.
- در صورتی که جفت توروبو به دو دسته تقسیم بندی شود، میزان بسیار زیادی از موتور را پیچیده تر و هم پر هزینه تر می کند.
- حال 2 دسته جفت توربو وجود دارند که جفت توربوی موازی و دیگری جفت توربوی متوالی نام دارند.
جفت توربو اسکرول (Twin-Scroll Turbo)
در این نوع سیلندرها بین دو توربو تقسیم بندی می شوند. به‌عنوان‌مثال در یک موتور 4 سیلندری سیلندر شماره‌ی 1 و 2 توسط توربو شارژ اول و سیلندرهای 3 و 4 توسط توربو شارژ دوم تقویت می‌شوند.
این نوع، هوای فشرده‌تر و تمیزتری را وارد سیلندرها می‌کند. البته پیچیدگی موتور را نیز افزایش می‌دهد.
توربو شارژ برقی
استفاده از یک موتوربرقی قدرتمند تقریباً تمام نقاط ضعف یک توربو شارژ را از بین می‌برد. تأخیر توربو کاملاً برطرف شده است. زمانی که دودهای ناشی از سوختن کافی نیست موتور برقی می‌تواند این کار را انجام دهد. پیشرفت های اخیر در صنعت توربو به معرفی توربو با کمپرسورهای برقی می پردازد. این موتوربرقی انرژی لازم برای راه اندازی اولیه ی کمپرسورها را فراهم می کند و البته این سیستم هم بسیار پیچیده و گران قیمت است.
در موتور ماشین‌هایی ازجمله BMW و همچنین بوگاتی سیستمی تحت عنوان چهار توربو (Quad Turbo) استفاده می‌شود.
BMW در سال 2012 یک اتومبیلی با سه توربو معرفی کرد که هرکدام از این سه توربو در گشتاورهای خاصی شروع به کار می‌کردند و با افزایش گشتاور به تعداد توربو ها افزوده می‌شود.