سیستم توربوشارژر سالیان دراز است که در صنعت خودروسازی به منظور افزایش توان و راندمان پیشرانه‌های درون‌سوز به کار گرفته می‌شود. اگرچه از دیدگاه زمانی این سیستم به نسبت سیستم سوپرشارژر جوان‌تر است، اما به دلیل قابلیت تولید در تیراژ بالا، وزن پایین‌تر و قابلیت نصب آسان‌تر، این سیستم در صنعت خودرو به سرعت جایگزین جانبی سوپرشارژر شد تا پیشرانه‌های ضعیف و کم حجم تولیدی این صنعت را نیروی بیشتری ببخشد.
همانند هر سیسم فنی دیگر، توربوشارژر نیز ضعف‌های منحصر به خودر را به همراه دارد که پدیده توربو لَگ (Turbo Lag) یا تاخیر توربو از مهم‌ترین آن‌ها است. در این مقاله به معرفی پدیده تاخیر توربو و روش‌های رفع آن می‌پردازیم
ساز و کار توربوشارژر
ابتدا لازم است که به صورت تئوری و مختصر از نحوه ساز و کار توربوشارژر (یا به صورت اختصاری: توربو) مطلع باشیم. سیستم توربو در اصل از گازهای بلااستفاده خروجی اگزوز پیشرانه‌های درون‌سوز برای به گردش درآمدن و فشرده‌سازی هوای ورودی پیشرانه استفاده می‌کند. این درحالی است که سوپرشارژر نیروی دورانی خود را مستقیما از میل‌لنگ پیشرانه دریافت می‌کند.
این قطعه شامل دو بخش اصلی توربین و کمپرسور است که در کارگاه‌های صنعتی بسیار پیشرفته و با دقت بسیار بالا تولید می‌شود. از این رو سیستم توربو در زمره ابزارهای بسیار حساس و با دقت بسیار بالا صنعت خودرو قرار دارد.
همانطور که از نامش بر می‌آید، بخش توربین توربو با اتصال به سیستم اگزوز پیشرانه، به کمک سرعت بسیار زیاد گازهای خروجی اگزوز به گردش در می‌آید. در نتیجه به دلیل اتصال به شفت مشترک با کمپرسور، این بخش را نیز به گردش درآورده و هوای محیط را با مکیدن به داخل کمپرسور، مورد فشرده‌سازی قرار می‌دهد و سپس آن را به محفظه ورودی پیشرانه ارسال می‌کند.
از آنجایی که بنزین مورد استفاده در پیشرانه‌های درون‌سوز به طور صد در صد مورد احتراق قرار نمی‌گیرد، ورود هوای فشرده به داخل پیشرانه با چگالی بالاتر از هوای موجود در محیط همراه خواهد بود. این موضوع به معنای ورود تعداد بیشتر مولکول‌های اکسیژن به پیشرانه و بهبود احتراق و در نتیجه افزایش توان تولیدی پیشرانه است.
تاخیر توربو چیست؟
اما پدیده تاخیر توربو کجای داستان قرار دارد؟ می‌دانیم که از دیدگاه مهندسی، هرچه مسیر خروجی گازهای اگزوز خلوت‌تر و بدن مقاوت باشد، توان تولیدی پیشرانه به مراتب بالاتر خواهد بود. به عبارت دیگر، پیشرانه درون‌سوز در حقیقت همانند یک پمپ هوا عمل می‌کند. هرچه سرعت هوای ورودی و خروجی از این پمپ بزرگ بیشتر باشد، این پمپ بهینه‌تر کار می‌کند. به همین دلیل حذف قطعاتی نظیر فیلتر هوا، کاتالیزور یا خفه‌کن‌های سیستم اگزوز می‌تواند به شکل محسوسی بر توان تولیدی پیشرانه بی‌افزاید.
حالا تصور کنید که با وجود همه محدودیت‌های اجباری نظیر خفه‌کن‌ها، رزوناتورها و کاتالیزور بر سر راه سیستم اگزوز، سیستم توربو نیز به آن افزوده می‌شود. توربین و کمپرسور سیستم توربو در دور استاندارد پیشرانه (دور آیدل/در حدود 850 دور در دقیقه) چیزی حدود پنج تا ۱۰ هزار دور در دقیقه سرعت دارد. این در حالیست که با افزایش دور پیشرانه تا دورهای فراتر از ۵۰۰۰ دور در دقیقه، دور نهایی توربو می‌تواند به سادگی مرز ۵۰ هزار دور در دقیقه را پشت سر گذاشته و وابسته به میزان فشار تولید و نحوه طراحی، در برخی موارد تا ۱۵۰ هزار دور در دقیقه نیز سرعت بگیرد. حاصل این سرعت دیوانه‌وار و غیر قابل باور صدای سوت پیوسته‌ای است که به هنگام افزایش دور موتور از پیشرانه‌های مجهز به توربوشارژر شنیده می‌شود.
دور گرفتن سیستم توربو و دستیابی به دور استاندارد کاری این سیستم و همچنین کسب توان و دور کافی برای فشرده سازی هوای ورودی به پیشرانه به این معناست که توربو مخصوصا برای رسیدن به دور مناسب کاری (حدود ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ دور در دقیقه پیشرانه معادل با ۱۰ تا ۲۰ هزار دور در دقیقه شفت توربو) از سرعت‌های پایین‌تر، در مسیر اگزوز خودرو همانند یک مانع عمل می‌کند. به عبارت دیگر زمانی که دور توربو پایین است، به هنگام افزایش دور موتور، گازهای پرسرعت خروجی اگزوز در پره‌های کم سرعت توربین گیر کرده و برای اینکه بتوانند توربین متصل به کمپرسور را به حرکت درآورد به میزان قابل توجهی دچار انباشت و کاهش سرعت و در نتیجه سکته جزئی در شیوه تنفس و افزایش دور پیشرانه می‌شوند. این پدیده را در سیستم توربوشارژر تحت عنوان توربو لَگ (Turbo Lag) یا تاخیر توربو می‌شناسند.
راه حل توربو لگ
برای رفع تاخیر یا لگ در سیستم توربو مخصوصا در دورهای ابتدایی، لازم است کاری کنیم که شفت توربو (شفت متصل به توربین و کمپرسور) با سرعت بیشتری به دور مناسب کاری خود برسد. برای انجام این کار مهم چند روش رایج وجود دارد که در صنعت خودرو امروزی به کار گرفته می‌شود.
۱. مولتی توربو (چند توربو)
در این روش به جای استفاده از یک توربو بزرگ برای تامین فشار هوای ورودی یا همان بوست، از دو یا چند توربو کوچک‌تر استفاده می‌کنند. این روش به دلیل ایجاد مقاومت و لگ کمتر، به مراتب سریع‌تر از یک توربو بزرگ دور گرفته و میزان تاخیر را به شکل چشمگیری کاهش می‌دهد. مشهورترین خودروهای مجهز به این سیستم بوگاتی ویرون، شیرون و EB110، فورد GT90 و بسیاری از ابرخودروهای استاندارد خیابانی است.
۲. توربو ترتیبی
سیستم توربو ترتیبی یا سیکوئنشال (Sequential Turbo) روشی است متشکل از دو نوع توربو متمایز و متفاوت. توربو نوع اول با داشتن ابعاد کوچک‌تر وظیفه تامین بوست (Boost/به معنای فشار تولیدی سیستم توربو یا سوپرشارژر) پیشرانه در دورهای پایین را بر عهده دارد، در حالی که توربو بزرگ‌تر در دورهای بالاتر و فشار خروجی بیشتر گازهای اگزوز وارد مدار شده و قادر است بوست بالاتری تولید کند.
این سیستم در ترکیب بندی‌های متفاوتی به کار گرفته می‌شود اما معمولا گازهای خروجی ابتدا از توربو کوچک و سپس توربو بزرگ عبور می‌کند تا توربو بزرگ‌تر برای ورود به مدار در دورهای بالاتر آماده باشد.
۳. توئین اسکرول یا دابل وُلوت
طراحی بخش توربین توربو به سبک توئین اسکرول (Twin Scroll) یا دابل ولوت (Double Volute) در حقیقت به نوع خاصی از طراحی هوزینگ توربو اشاره می‌کند که ضمن داشتن طراحی اندکی متفاوت، هر دو در واقع یک کار را انجام می‌دهند. در این نوع طراحی، ورودی گازهای خروجی اگزوز در بخش توربین توربو به دو قسمت بزرگ و کوچک تقسیم شده است تا رفتاری شبیه به سیستم توربو ترتیبی، تنها با استفاده از یک توربو (یا بیشتر) ایجاد شود.
در نتیجه در این نوع توربوها، گازهای خروجی اگزوز در دو قسمت کم فشار و پرفشار توربو تخلیه شده و قادر است با توجه به دور موتور و سرعت گازهای خروجی اگزوز، با توان و سرعت مناسب‌تری توربین توربو را به گردش درآورد.
۴. توربو هندسه متغیر
توربوشارژر هندسه متغیر یا Variable Geometry Turbo به نوع خاصی از توربوها اطلاق می‌شود که در محل ورودی گازهای اگزوز آن‌ها، سیستمی نصب شده است که به صورت کامپیوتری و با توجه به دور موتور و فشار گازهای خروجی اگزوز، قادر به تنظیم فشار ورودی به توربین توربو است.
در نتیجه این سیستم به هنگام پایین بودن دور موتور و کم بودن سرعت گازهای خروجی اگزوز، مسیر ورودی به توربین توربو را کوچک‌تر می‌کند تا سرعت افزایش یافته و توربین سریع‌تر به گردش درآید. با افزایش دور موتور و سرعت خروجی گازهای اگزوز، این سیستم ورودی را بزرگ‌تر می‌کند تا فشار افزایش بیشتری یافته و توربو در دورهای بالاتر سرعت گردشی خود را حفظ کند.
سیستم هندسه متغیر کمک می‌کند تا توربو شبیه به نوع دابل ولوت یا توئین اسکرول اما به شکل بسیار حساب شده و کنترل شده‌تر عمل کند. در نتیجه این نوع از توربوها گران‌تر از نوع دابل ولوت یا توین اسکرول هستند.
۵. الکترو توربو
برای مدتی طولانی در صنعت خودرو تلاش بر آن است که بجای گازهای خروجی اگزوز، از نیرو الکتریسیته برای به حرکت درآوردن توربو استفاده شود. این موضوع نه تنها ماهیت توربوشارژر را به سوپرشارژر تغییر می‌دهد، بلکه از نظر فنی بسیار چالش برانگیز و دشوار است. با این وجود برخی از سیستم‌های توربو با موتورهای الکتریکی کمکی روانه بازار شده اما هنوز در صنعت خودرو رواج نیافته‌اند.
سیستم توربوهایی که از نیرو الکتریسیته به عنوان سیستم کمکی بهره می‌گیرند، در حقیقت برای دستیابی سریع به دور بالا برای عملکرد بهتر و فرار از لگ توربو، به کمک نیرو الکتریسیته توربو را همواره در سرعت خاصی نگه داشته یا برای رساندن آن به یک دور مشخص برای لحظاتی کوتاه، توربو را به گردش در می‌آورند.
این سیستم هم اکنون درخودروهای مسابقه‌ای کاربرد دارد و هنوز به صورت رایج در خودروهای تیراژ بالا به کار گرفته نمی‌شود.
۶. الکترو بوست (E-Boost)
از نظر نام‌گذاری شاید این واژه توصیف دیگری از الکترو توربوها باشد، اما در حقیقت پدیده متفاوتی است. در خودروهای هیبرید خفیف (Mild Hybrid)، معمولا از مجموعه بسیار جزئی و کوچک از باتری‌ها و موتورهای الکتریکی استفاده می‌شود که کاربرد اصلی آن‌ها در حقیقت به کار انداختن سیستم اقتصادی و کم مصرف‌تر استارت/استاپ (روشن و خاموش کردن هوشمند پیشرانه درون‌سوز بدون استفاده از استارتر) و افزایش توان لحظه‌ای خودرو به هنگام سبقت‌گیری‌ها ناگهانی است. این نوع هیبریدها حتی قادر نیستند به صورت تمام الکترکی مورد استفاده قرار بگیرند.
اما در عوض موتور الکتریکی کوچک آن‌ها برای دور دادن ناگهانی به پیشرانه بسیار مناسب عمل می‌کند. در نتیجه برای فرار از تاخیر توربو به هنگام شتاب‌گیری اولیه، در حقیقت موتور التریکی آن‌ها به افزایش ناگهانی دور موتور برای دستیابی به بازه عملکرد دور موتور مورد نیاز توربو کمک می‌کند تا ضمن ایجاد کشش اولیه، تاخیر ابتدایی توربو را از میان بردارد. شرکت کرایسلر از این سیستم با نام E-Torque یاد می‌کند.
۷. توربو و سوپر موازی
یکی از بزرگ‌ترین مزایای سیستم سوپرشارژر در مقایسه با سیستم سوپرشارژر عدم وجود پدیده لگ در سیستم سوپرشارژر است، چراکه این سیستم نیرو دورانی خود را مستقیما از میل‌لنگ پیشرانه دریافت می‌کند و در نتیجه با افزایش دور موتور، دور سوپرشارژر نیز افزایش می‌یابد.
به همین دلیل با استفاده از یک یا چند سیستم سوپرشارژر به صورت موازی و همزمان با یک یا چند سیستم توربوشارژر، پدیده تاخیر توربو از میان برداشته می‌شود، چرا که هنگام بروز پدیده تاخیر توربو، سوپرشارژر موجود در مدار این پدیده را تا زمان رسیدن دور توربو به بازه کاری مناسب جبران می‌کند.
مهم‌ترین ضعف این سیستم افزایش قیمت تولید پیشرانه است، چرا که از قطعات گران قیمتی چون سوپرشارژ به صورت همزمان با توربوشارژر بهره می‌گیرد. البته افزایش ابعاد و وزن نهایی پیشرانه در این سیستم را نیز نباید از یاد برد. به همین دلیل این ساختار بیشتر در خودروهای مسابقه‌ای و تنظیمات شخصی غیر شرکتی (غیر فابریک) کاربرد دارد و هیچ خودرویی از کارخانه خودروساز با این ساختار تولید نمی‌شود.
۸. ناس (NOS/اکسید نیتروژن)
یکی دیگر از روش‌های کسب سریع و آنی دور موتور و قدرت، استفاده از کپسول‌های آماده نیتروژن اسید (نیتروژن مونوکسید) است. این کپسول‌ها حاوی گاز نیتروژن اکسید هستند که در دنیای خودرو با نام عامیانه ناس (NOS) شناخته می‌شوند.
گاز نیتروژن اکسید به دلیل داشتن ترکیب خنثی مولکول نیتروژن در کنار مولکول اکسیژن هنگام استفاده، رفتاری شبیه به عملکرد سیستم‌های پرخوران دارد چرا که با افزایش تعداد مولکول اکسیژن ورودی به پیشرانه، میزان خلوص اکسیژن ورودی در مدار احتراق داخلی را افزایش داده و توان و گشتاور پیشرانه را بالاتر می‌برند. در نتیجه یکی دیگر از تاثیرات جانبی استفاده از این کپسول‌ها افزایش سریع دور موتور است. به همین دلیل استفاده همزمان از ناس در دورهای پایین در کنار سیستم توربو به صورت موقت، می‌تواند پدیده تاخیر توربو را به هنگام شتاب‌گیری ناگهانی از میان ببرد.
دو ضعف اصلی این سیستم اول محدود بودن حجم این کپسول‌ها و در نتیجه تاثیر موقتی آن‌ها در دستیابی موتور به دورهای بالاتر در مدت زمان کمتر و ضعف دیگر، بروز احتمالی آسیب‌های بسیار جدی در استفاده بلند مدت از این گاز در پیشرانه‌های معمولی خودروهایی است که مناسب این گاز طراحی و تنظیم نشده‌اند. البته قیمت قابل توجه هر بار پرکردن این کپسول‌ها را نیز نباید از یاد برد.
به همین دلیل است که سیستم ناس بیشتر در خودروهای مسابقه‌ای با کاربرد موقت و کوتاه مدت (نظیر خودروهای مسابقات درگ یا خودروهای مسابقه‌ای ارتقا یافته خیابانی) به کار گرفته می‌شود و نه در خودروهای معمولی.
نتیجه گیری
سیستم توربو با همه ضعف‌هایی که به همراه دارد، امروزه رایج‌ترین نوع پرخوران (Force Induction) در پیشرانه‌های تولید انبوه مخصوصا در خودروهای اقتصادی است؛ اما با مزایای بیشتری که سیستم‌های پرخوران سوپرشارژر به همراه دارند، این سیستم‌ها معمولا در خودروهای اسپرت عملکرد محور کاربرد بیشتری نسبت به نمونه‌های توربو دارند.
نویسنده: شهاب انیسی
