آیا پیشرانه توربو کم مصرف تر است؟

یک سوال میلیون دلاری. آیا پیشرانه مجهز به سیستم پرخوران (توربوشارژر یا سوپرشارژر)، در عمل کم‌مصرف‌تر است؟

در ظاهر و در ذهن عوام آنچه که جهان صنعت خودرو را به سوی استفاده از انواع سیستم‌های پرخوران سوق داده است، دستیابی به مصرف سوخت کمتر است. اما از نگاه علمی آیا چنین رویکردی منطقی و صحیح است؟

در این مقاله از نگاه علم و مهندسی به این پرسش بسیار جالب پاسخ خواهیم داد و درک خواهیم کرد که پیشرانه توربو و موتور مجهز به سیستم پرخوران چرا کم‌مصرف‌تر است و چرا نیست.

زایش قدرت

توان و گشتاور موتور خودرو از کجا حاصل می‌شود؟ به صورت مختصر احتراق در پیشرانه‌های درون‌سوز بنزینی (نه دیزلی یا الکلی) رایج حاصل ترکیب دو سیال سوخت و هوا است. برای دستیابی به یک احتراق ایده‌آل نیاز به نسبت سوخت به هوا ۱۴.۷:۱ (۱۴.۷ واحد هوا به ۱ واحد سوخت) هستیم. اما ایده‌آل در این جمله به چه معنا است؟ در این عبارت، یک واحد از بنزین باکیفیت مناسب جایگاه‌های سوخت‌رسانی بین‌المللی بر اساس استاندارد آمریکا و اروپا (نه جایگاه‌های سوخت بی‌کیفیت ایران) با ۱۴.۷ واحد هوا (اکسیژن طبیعی و ناخالص موجود در اتمسفر) و با کمترین میزان آلایندگی و بیشترین بازده ممکن می‌سوزد و به گشتاور تبدیل می‌شود.

اما اگر میزان سوخت را کم کنیم، یا میزان اکسیژن ورودی را افزایش دهیم، با رقیق‌تر کردن این تناسب (بیشتر از ۱۴.۷) احتراق قدرتمندتری خواهیم داشت که با بهبود چشمگیر عملکرد موتور خودرو همراه می‌شود. اما این مهم با افزایش میزان آلایندگی‌های تولیدی پیشرانه، نظیر کربن مونوکسید (CO) و نیتروژن اکسید (NOx/معروف به ناکس) همراه خواهد بود که بر اساس استانداردهای مدرن امروزی، برای محیط زیست بسیار خطرناک به حساب می‌آید. به همین دلیل خودرسازان ستاپ پیشرانه‌های مدرن را بر اساس ضریب ۱۴.۷:۱ تنظیم می‌کنند تا ضمن دستیابی به بالاترین گشتاور، بهترین میزان آلایندگی ممکن نیز حاصل شود.

یک چرخه ناقص

بر اساس قوانین ترمودینامیک در علم فیزیک، چرخه‌های شیمیایی هرگز کامل نیستند. در نتیجه بهترین احتراق ممکن بر اساس تناسب ۱۴.۷:۱ نیز با تولید مقادیر قابل توجهی نیتروژن اکسید و کربن مونوکسید همراه است. چرا؟

چون در بهترین حالت و بالاترین بازده یک پیشرانه احتراق داخلی، تنها ۸۰ تا ۹۰ درصد سوخت ورودی با اکسیژن موجود در هوا ترکیب شده و به صورت انرژی جنبشی به حرکت خودرو تبدیل می‌شود. از این میزان در بهترین حالت ممکن و بر اساس نوع طراحی پیشرانه و چرخه کاری آن، تنها بین ۱۲ تا ۳۰ درصد به شکل انرژی جنبشی به حرکت خودرو بدل می‌شود.

باقی این میزان به صورت‌های مختلف نظیر اصطکاک در اجزا و ادوات پیشرانه و سیستم انتقال نیرو، فرار کمپرس از محفظه احتراق (Blow By)، انرژی حرارتی پیشرانه و مجموعه انتقال نیرو (گیربکس، دیفرانسیل، دنده‌ها و…) و آلایندگی و حرارت بسیار شدید از اگزوز پیشرانه خارج می‌شود.

چرا پیشرانه توربو

بیایید کمی برعکس و به روش مهندسی معکوس به داستان سیستم‌های توربوشارژ نگاه کنیم. دقیقا همان‌ کاری که مهندسان صنعت خودرو از دهه ۱۹۷۰ میلادی به بعد انجام دادند. بین ۱۲ تا ۳۰ درصد سوخت ورودی به موتور خودرو بنزینی بر اساس تناسب ۱۴.۷:۱ به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. حالا اگر این میزان را به ۴۰ درصد برسانیم چطور؟ یا حتی به ۸۰ درصد؟

سیستم‌های پرخوران با کمک در تامین اکسیژن اضافی، میزان بازده احتراق را به شکل خیره‌کننده‌ای افزایش دادند. حتی عده‌ای سعی کردند تا با افزودن اکسیژن خالص به ورودی هوای پیشرانه توربو، این بازده را به مرز صددرصد نزدیک کنند، اما حاصل کار ذوب شدن پیستون‌ها بر اثر حرارت بسیار زیاد حاصل از احتراق با بازده بسیار بالا بود. در نتیجه میان افزایش میزان اکسیژن ورودی موتور (که در پیشرانه توربو به بوست معروف است) و حداکثر توان پیشرانه خودرو برای تحمل بازده بالا، یک تناسب منطقی وجود دارد.

اما این ترکیب (افزایش اکسیژن ورودی و افزایش راندمان) یک مزیت مهم دیگر هم به همراه دارد. این مزیت (افزایش راندمان) به معنای کاهش میزان آلاینده‌ها در سوی دیگر معادله است. موضوع بسیار ساده است. اگر بازده یک پیشرانه از ۲۰ در صد به ۴۰ درصد افزایش یابد، به این معنا است که در طرف دیگر معادله بخشی از آلاینده‌ها که در آن ۸۰ درصد اتلاف انرژی پیشرانه نهفته است، پس از نصب سیستم پرخوران در ترکیب ۶۰ درصدی کاهش می‌یابد.

پس می‌توان گفت که سیستم‌های پرخوران در پیشرانه توربو در دو زمینه ۱- بهبود عملکرد و راندمان ۲- کاهش آلایندگی‌ها با موفقیت ایفای نقش می‌کنند.

سوال میلیون دلاری

پس پیشرانه توربو کم‌مصرف‌تر است؟ بله اما خیر! تا اینجای کار کفه ترازو به نفع مزیت‌های سیستم‌های پرخوران سنگینی می‌کرد، پس بخش منفی پاسخ به این پرسش میلیون دلاری از کجا نشات می‌گیرد؟

اولین تاثیر سیستم‌های پرخوران بهبود راندمان پیشرانه و در نهایت بهبود عملکرد بود. در نتیجه اولین استفاده از پیشرانه توربو در مسابقات اتومبیلرانی و به منظور افزایش بازده، سرعت و قدرت انجام گرفت. اما در گذر زمان و با توجه به اینکه کسب توان فنی بیشتر از میزان سوخت مصرفی موتور خودرو، به معنای کاهش نسبی مصرف سوخت است، مهندسان اقدام به کوچک‌تر کردن پیشرانه‌ها به منظور دستیابی به حداقل مصرف سوخت کردند.

این فرایند تا جایی پیش رفت که پیشرانه‌های حجیم تنفس طبیعی جای خود را به انواع پیشرانه توربو کم‌سیلندر و کم‌حجم دادند تا راحت‌تر با قوانین حاکم بر آلاینده‌ها و میزان مصرف سوخت هماهنگ شوند. اما این مهندسی یک ایراد بسیار اساسی دارد.

هر موتور درون‌سوز پیستونی چهار زمانه برای تکمیل فرایند چهار مرحله‌ای احتراق تمامی سیلندرها، نیازمند طی کردن ۷۲۰ درجه دَوَران (دو چرخه ۳۶۰ درجه‌ای) است. در نتیجه یک پیشرانه تک سیلندر در هر ۷۲۰ درجه تنها یک احتراق (یک مرحله تولید گشتاور) دارد. این مرحله تولید گشتاور برای یک موتور دو سیلندر هر ۳۶۰ درجه اتفاق می‌افتد.

حالا تصور کنید که این مرحله تولید گشتاور برای یک موتور V6 هر ۱۲۰ درجه و در پیشرانه V8 هر ۹۰ درجه است. در نتیجه فاصله بین مراحل احتراق و تولید گشتاور در پیشرانه V8 کوتاه‌تر و به همین دلیل میزان گشتاور تولیدی آن در تئوری بیشتر از پیشرانه V6 است.

نتیجه آنچه سیستم‌های پرخوران در مهندسی موتور توربو جدید انجام دادند، کم کردن از حجم پیشرانه به کمک کاستن از تعداد سیلندرها بوده است. این مهم به معنای افزایش بازه یک احتراق گشتاورساز تا احتراق گشتاورساز بعدی و در نتیجه کاهش گشتاور کلی پیشرانه است. از آنجایی که برای بهبود راندمان پیشرانه توربو کم‌حجم‌شده از سیستم توربوشارژر بهره گرفتیم، یعنی با اکسیژن بیشتر سوخت بیشتری را وارد محفظه احتراق می‌کنیم، پس در عمل نباید مشکلی در تولید گشتاور مورد نیاز باشد. در واقع همین‌طور است و معمولا پیشرانه توربو V6 با حجم کمتر به کمک راندمان بالاتر از رقبای V8 خود، اندکی قدرتمندتر و کمی کم‌مصرف‌تر است. پس با این اوصاف به سوال میلیون دلاری خود پاسخ داده‌ایم؟

خیر! هنوز ریزه‌کاری‌های نهانی در ساختار مهندسی موتور خودرو و علم مکانیک سیالات وجود دارد که معادلات تئوری ما را بر هم می‌زند.

بیایید داستان را در قالب یک مقایسه رو در رو دنبال کنیم. سه پیشرانه توربو و تنفس طبیعی از ساخته‌های شرکت کرایسلر، یکی نمونه ۴ سیلندر از خانواده پیشرانه‌های جدید هاریکین (Hurricane). یک نمونه V6 از خانواده پیشرانه‌های سنتی‌تر پنتااستار (Pentastar) و پیشرانه آخر نمونه V8 از خانواده پیشرانه‌های نسبتا قدیمی هِمی (HEMI V8)، که هر سه آن‌ها در یک خودرو واحد و تحت شرایط یکسان مورد بررسی اداره حفاظت از محیط زیست آمریکا (EPA) قرار گرفتند.

در جدول مشخصات فنی بالا شاهد استفاده دو پیشرانه هاریکین و پنتااستار از تکنولوژی پیشرفته‌تر ۴ سوپاپ در هر سیلندر (DOHC) هستیم، در حالی که پیشرانه حجیم‌تر و دارای مهندسی قدیمی‌تر همی، از سیستم سنتی ۲ سوپاپ در هر سیلندر (نوع OHV) بهره می‌گیرد. نه‌تنها پیشرانه هاریکین DOHC است، بلکه به سیستم پاشش سوخت پیچیده‌تر تزریق مستقیم و همچنین سیستم توربوشارژر نیز مجهز است. مجموعه این تکنولوژی‌ها باعث دستیابی به توان و گشتاور قابل توجه در دور بسیار پایین و حفظ این گشتاور به صورت خط مستقیم بر نمودار (در مقایسه با پیشرانه V6 پنتااستار) و همچنین افزایش پیچیدگی فنی و قیمت نهایی آن شده است.

حالا با توجه دقیق به مشخصات فنی، میبینیم که پیشرانه هاریکین ۴۹ اسب بخار و ۲۰ نیوتون.متر از پیشرانه پنتااستار ضعیف‌تر است در حالی که مصرف سوخت آن تنها به اندازه ۰.۵ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر از آن بهتر است. در قیاس هاریکین با همی V8، این ضعف عملکرد به رقم فاحش ۱۲۰ اسب بخار و ۱۹۷ نیوتن.متر می‌رسد، اما در عین حال مصرف سوخت در هاریکین ۳.۶ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر بهتر از همی است. اگرچه لازم به تاکید است که میزان آلاینده‌های پیشرانه هاریکین به میزان قابل توجهی از دو پیشرانه دیگر کمتر است.

تا اینجای کار پیشرانه توربو هاریکین جز در زمینه میزان آلایندگی تولیدی و اختلاف میزان مصرف سوخت آن هم فقط با پیشرانه ۵.۷ لیتری V8 با تکنولوژی طراحی قدیمی و بازده نسبتا پایین، برتری دیگری از خود نشان نداده است. اما صبور باشید، داستان از این هم بدتر می‌شود.

یک سناریوی واقعی

استانداردهای اندازه‌گیری میزان مصرف سوخت در هر قاره‌ (آمریکا، اروپا و اقیانوسیه) بر اساس شبیه‌سازی برخی شرایط واقعی روزمره، نظیر شتاب‌گیری، رانندگی در ترافیک شهری، رانندگی در بزرگراه، رانندگی به هنگام استفاده از سیستم تهویه مطبوع و استفاده از نوع سوخت یکسان در بازه مشخصی از مسافت انجام می‌شود. این دست آزمون‌ها دارای استانداردی مشخص و بر اساس محیط پیش‌فرض و به اصطلاح آزمایشگاهی هستند. در نتیجه این ارقام هرگز با دنیای واقعی و نحوه استفاده اشخاص از خودرو مورد بررسی برابری نمی‌کند. اما این حرف به چه معنا است؟

اگر واقعی نگاه کنیم، مالک یک خودرو جیپ گرند چروکی مجهز به پیشرانه ۵.۷ لیتری OHV-HEMI V8 همواره از توان ۱۰۰ در ۱۰۰ پیشرانه خودرو خود استفاده نمی‌کند. به بیان ساده‌تر، پیشرانه ۳۹۲ اسب بخاری ۵۵۰ نیوتن.متری به‌صورت پیوسته در حال دَوَران در دور ۶۰۰۰ و تولید این اعداد و ارقام نیست. در نتیجه در دور موتور پایین‌تر، میزان مصرف سوخت و میزان تولید آلاینده‌ها به مراتب کمتر است.

به بیان دیگر، بیایید به‌صورت فرضی استفاده از پیشرانه ۵.۷ لیتری V8 را تنها به دور موتوری محدود کنیم که در حد و مرز برابر با پیشرانه توربو ۴ سیلندر هاریکین قدرت و گشتاور تولید کند. در این صورت، این موتور قدرت مشابه را در دور تقریبی ۴۰۰۰ و گشتاور مشابه را در دور حدودی ۳۰۰۰ تولید خواهد کرد. رفتار این پیشرانه تنفس طبیعی هرگز دقیقا برابر با رفتار موتور توربو هاریکین نخواهد بود اما از نظر عملکرد به آن نزدیک خواهد شد. در صورت حفظ پیوسته این رفتار و این سبک رانندگی، مصرف سوخت و میزان آلاینده‌های تولیدی این پیشرانه حجیم به شکل خیره‌کننده‌ای کاهش خواهد یافت.

از سوی دیگر، اگر مالک همان خودرو اما مجهز به پیشرانه توربو هاریکین بخواهد با ۵ سرنشین و ظرفیت بار کامل از تمام پتانسیل خودرو خود در جاده‌های کوهستانی و عبور از بیراهه‌ها استفاده کند، در مقایسه با پیشرانه حجیم‌تر V8 باید فشار بیشتری بر پیشرانه خودرو وارد آورد تا توربو وارد مدار شود و عملکرد پیشرانه در بازه حداکثر توان و گشتاور مفید قرار بگیرد. این موضوع به معنای مصرف حجم بیشتری از ترکیب سوخت و هوا برای ارائه راندمان بالا است.

اگر یادتان باشد، یک موتور ۴ زمانه ۴ سیلندر نیاز به دو برابر تلاش بیشتر برای دستیابی به سیکل کامل احتراق کامل و تولید گشتاور دارد، چرا که در این پیشرانه هر احتراق در هر ۱۸۰ درجه زاویه (۴ احتراق در ۷۲۰ درجه) به وقوع می‌پیوندد. اما همین مهم در یک پیشرانه V8 در هر ۹۰ درجه (۸ احتراق در هر ۷۲۰ درجه) محقق می‌شود و از این رو تنش‌های وارده بر پیشرانه V8 و میزان سوخت مصرفی برای حفظ این نیروی دورانی (گشتاور) که در حقیقت عامل به حرکت درآوردن خودرو است، کاهش می‌یابد.

اما در سناریو مشابه، موتور V8 حجیم ۵.۷ لیتری به‌صورت استاندارد قوی‌تر و دارای گشتاور به مراتب بیشتر است. در نتیجه برای حمل این خودرو سنگین به همراه سرنشینان و بار در همان سناریو، زور کمتری می‌زند. از این رو رفتار این پیشرانه V8 تحت فشار، به رفتار آن در رانندگی معمولی و روزمره به مراتب نزدیک‌تر است. اما اختلاف پیشرانه‌هایی نظیر هاریکین به هنگام رانندگی استاندارد با هنگام رانندگی پرفشار، به دلیل نیاز به مصرف سوخت بیشتر برای حفظ عملکرد ایده‌آل، اختلافی بسیار فاحش به همراه دارد.

دقیقا به همین دلیل است که انواع موتور توربو جدید کم‌حجم و کم‌سیلندر شرکت‌های خودروساز غالبا با سیستم‌های هیبرید ملایم همراه می‌شوند تا به هنگام شتاب‌گیری ناگهانی یا عبور از شیب‌های تند، از گشتاور بسیار زیاد موتورهای الکتریکی برای کاهش فشار وارده بر پیشرانه احتراق داخلی، مجموعه توربو و افزایش چشمگیر مصرف سوخت جلوگیری کنند.

نتیجه گیری

پیشرانه‌های احتراق داخلی کم‌حجم و کم‌سیلندر مجهز به سیستم پرخوران به دلیل افزایش راندمان چرخه احتراق سوخت، به مراتب پاک‌تر و تا حدی کم‌مصرف‌تر عمل می‌کنند. این معادله تا زمانی صحیح است که فشار وارده بر آن‌ها از مرز استاندارد مهندسی فراتر نرود. در غیر این صورت مصرف سوخت مورد نیاز برای تولید گشتاور و قدرت مناسب در انواع پیشرانه توربو به شکل خیره‌کننده و غیرقابل‌باوری افزایش می‌یابد. این ارقام در بسیاری از سناریوهای تست‌شده نه‌تنها از ارقام ادعاشده شرکت خودروساز فراتر است، بلکه از میزان سوخت مصرفی موتورهای پرحجم V6 و V8 نیز فراتر می‌رود.

از سوی دیگر این مهم با افزایش شدید تنش‌های مکانیکی بر اجزا، افزایش استهلاک و حرارت قطعات داخلی و به‌طور کلی، کاهش عمر مفید موتور خودرو همراه می‌شود. به همین دلیل مدل‌های مختلف پیشرانه توربو نه‌تنها پیشرفته، بلکه به مراتب گران‌قیمت‌تر، حساس‌تر و در برابر بروز خرابی مستعدتر هستند. از همین رو شرکت های خودروسازی آمریکایی نه تنها هنوز هم پیشرانه‌های حجیم تنفس طبیعی V8 خود را کنار نمی‌گذارند، بلکه این موتورهای به ظاهر قدیمی، هنوز هم پرچمدار قدرت، استقامت، دوام و گشتاور در سبد محصولات این خودروسازان به حساب می‌آیند.

بسیاری از خودروسازان تولیدکننده پیشرانه توربو کم‌حجم و به اصطلاح کم‌مصرف از جمله رنو، فورد و جنرال موتورز اعلام داشته‌اند که در آینده نزدیک به منظور حفظ تناسب منطقی میان حجم موتور و میزان مصرف سوخت به ناچار مجبور به افزایش حجم پیشرانه توربو اقتصادی خود خواهند بود، چرا که کاهش بیش از حد حجم و تعداد سیلندر و تکیه زیاد بر سیستم پرخوران در مصرف سوخت نهایی، تا حد زیادی تاثیر معکوس به همراه داشته است.

نویسنده: شهاب انیسی