موتور توربوشارژر، مزایا و معایب آن

پیشرفت علوم مهندسی و تکنولوژی در حوزه خودروسازی امروزه منجر به خلق پیشرانه‌های تولید انبوهی شده است که در آن‌ها دستیابی به قدرت فراتر از 1000 اسب بخار دیگر رویایی و غیر ممکن نیست. به این معنا که خودروهای تولید انبوه روزمره اقتصادی نیز با رشد خیره کننده در توان و گشتاور تولیدی مواجه شده و حالا می‌توانند عملکردی به مراتب اسپرت‌تر از گذشته داشته باشند.

یکی از مهم‌ترین سیستم‌های فنی که مسیر طراحان صنعتی در راستای دستیابی به این خروجی عملکرد محور را هموار کرد، سیستم پرخوران از خانواده توربوشارژر (Turbocharger/TC) و سوپرشارژر (Supercharger/SC) است.

اما استفاده از سیستم‌های پرخوران، مخصوصا نمونه بسیار رایج و فراگیرتر توربوشارژر بر روی خودروهای تولید انبوه چندان بدون ایراد و نقطه ضعف نیست. ایرادهایی که با فراگیری و گستردگی استفاده از آن‌ها در بازار خودرو کشورمان شاهد بروز آن‌ها هستیم.

سیستم های پرخوران و سرآغاز آن

اگر بخواهیم مفهوم سیستم پرخوران را به ساده‌ترین شکل ممکن توضیح دهیم باید بگوییم که سوپرشارژر یا توربوشارژر، هر دو نوعی پمپ هوا هستند. سوپرشارژرها در قرن 19ام و به منظور بهبود راندمان صنایع، از تامین اکسیژن در معادن گرفته تا افزایش حرارت کوره‌های ذوب آهن به کار گرفته شدند.

در ابتدای قرن 20ام، این سیستم‌ها در ابعاد کوچک‌تر با نصب بر روی پیشرانه‌های احتراق داخلی کم بازده قدیمی در صنایع هوایی، دریایی و ریلی، بازده خروجی این وسائل نقلیه را به شکل خیره کننده‌ای بهبود دادند. نتیجه کار رشد قابل توجه در توان و گشتاور تولیدی، مصرف سوخت بهینه و دستیابی هواپیماها به سقف پروازی بالاتر بود.

دیری نپایید که سوپرشارژرها راه به صنعت خودروسازی پیدا کردند. استفاده از این سیستم‌ها در نیمه اول قرن 20ام بیشتر محدود به مسابقات اتومبیلرانی بود اما در نیمه دوم شاهد به کارگیری گسترده‌تر این سیستم و همچنین ورود رقیب ساده‌تری به نام توربوشارژر به بازار خودروهای تولید انبوه بودیم.

توربوشارژر به دلیل داشتن ساختار طراحی ساده‌تر، نصب و راه اندازی کم‌دردسر و ابعاد کوچک‌تر که در حقیقت از پسماند پیشرانه (گازهای خروجی اگزوز) استفاده می‌کرد، خیلی زود در مقیاسی خیره کننده راهی صنعت خودروسازی تولید انبوه شد تا در قرن 21ام به عنوان مهم‌ترین سیستم فنی ارتقا دهنده توان و گشتاور خروجی در پیشرانه‌های کم‌ حجم جا خوش کند.

روش کار به بیان ساده

سوپرشارژر و توربوشارژر نوعی پمپ هوا هستند. زمانی که بر یک موتور تنفس طبیعی (NA یا اتمسفریک) نصب می‌شوند می‌توانند حجم ورودی هوا به درون سیلندرها را افزایش داده و با ارائه تعداد بیشتر مولکول اکسیژن، احتراقی خالص‌تر و مفید‌تر را رقم زده و در صورت نیاز حتی می‌تواند سوخت بیشتری را نیز دریافت کنند. در نتیجه پیشرانه تنفس طبیعی به کمک سیستم پرخوران به صورت اتوماتیک توان و گشتاور بیشتری تولید می‌کند.

قابلیت افزایش حجم هوای ورودی (تعداد مولکول‌های اکسیژن) به این معنا است که برای دستیابی به توان و گشتاور نهایی بیشتر، الزاما نیازی به استفاده از تعداد سیلندر بیشتر در حجم موتور خودرو بالاتر نیست چرا که یک موتور 4 سیلندر به کمک سیستم پرخوران می‌تواند در حد و اندازه یک موتور 6 سیلندر تنفس طبیعی، بازده داشته باشد.

این مزیت بسیار مهم موجب کوچک و کوچک‌تر شدن پیشرانه‌های تولید انبوه در صنعت خودروسازی دو دهه اخیر شد. همان‌طور که شاهد هستید بیشتر خودروسازان بازار بین المللی فروش خودرو و مخصوصا برندهای خودروسازی فعال در زمینه تولید خودروهای میان رده و اقتصادی تولید انبوه، دیگر به سراغ طراحی موتورهای جدید V6 و V8 نرفته و استفاده از پیشرانه‌های نسبتا کم حجم 4 سیلندر را سرلوحه کار خود قرار دادند.

مزایا و معایب پیشرانه های توربوشارژر

سیستم توربوشارژر امروزه رایج‌ترین و فراگیرترین نوع سیستم پرخوران در صنعت خودروسازی است. این سیستم نسبتا ساده در مقایسه با ابعاد بسیار جمع و جور خود سطحی از بهبود در بازده خروجی پیشرانه را به دنبال دارد که تصور و باور آن کمی دشوار است. اما این مجموعه فنی بدون ایراد نیست.

مزایای توربوشارژر

• بهبود بازده: توربوشارژر با فشرده‌سازی هوا و افزایش مولکول‌های اکسیژن ورودی موتور احتراق داخلی، ضمن بهبود کیفیت احتراق، پاشش بیشتر سوخت به موتور را ممکن کرده و به همین دلیل توان و گشتاور خروجی را افزایش می‌دهد.

• حجم و ابعاد کوچک‌تر موتور: وجود سیستم کمکی توربوشارژر و افزایش راندمان کاری موتور موجب می‌شود که پیشرانه‌های احتراق داخلی برای کسب یک خروجی ثابت، با ابعاد کوچک‌تر، حجم کم‌تر و تعداد سیلندر محدودتر تولید شوند. این مهم از هزینه طراحی و تولید پیشرانه برای شرکت خودروساز به شکل خیره کننده‌ای می‌کاهد.
• افزایش گشاور در دور پایین: زمانی که از حجم و تعداد سیلندر به کار رفته در موتور احتراق داخلی کاسته می‌شود، پیشرانه عملا دو فاکتور اساسی خود در تولید توان و گشتاور را از دست می‌دهد. اما وجود توربوشارژر باعث می‌شود قدرت احتراق حتی در دور موتور پایین همچنان قابل توجه باشد.
• مصرف سوخت کم‌تر: آنچه تا کنون از شیوه کاری پیشرانه توربوشارژر گفتیم همواره پیرامون پاشش سوخت بیشتر بود. پس چطور ممکن است که موتور توربوشارژر در عمل مصرف سوخت پایین‌تری داشته باشد؟ توربوشارژر به منظور بهبود خروجی در توان و گشتاور موتور بر روی آن نصب می‌شود. پس اگر یک موتور 1.5 لیتری بنزینی توربوشارژر در حد و اندازه یک موتور 2.0 لیتری تنفس طبیعی سوخت مصرف می‌کند، باید در نظر داشته باشید که در عین حال توان و گشتاور خروجی بیشتری نسبت به آن گزینه 2.0 لیتری ارائه می‌دهد. در نتیجه به صورت محاسباتی چنین پیشرانه‌ای در حقیقت میزان بنزین کم‌تر برای دستیابی به توان بالاتر استفاده می‌کند. پس به صورت کلی یک موتور توربوشارژر با توجه به خروجی فنی خود، مصرف سوخت پایین‌تری نسبت به یک گزینه مشابه تنفس طبیعی با حجم موتور بالاتر دارد.

• بازیابی انرژی از دست رفته: سیستم توربوشارژر مستقیما در مسیر گازهای خروجی بسیار پرفشار و پرسرعت اگزوز قرار گرفته و نیروی دورانی خود برای فشرده‌سازی هوا را از دود اگزوز موتور دریافت می‌کند. از آن جایی که پیشرانه تنفس طبیعی هیچ استفاده‌ای از این گازهای خروجی نمی‌کند، موتور مجهز به توربوشارژر در حقیقت از این انرژی از دست رفته به منظور فشرده‌سازی هوا و بهبود راندمان موتور بهره می‌گیرد.
• رفتار خطی در تغییرات جوی و اتمسفری: چگالی هوا (تعدد مولکول‌های اکسیژن موجود در اتمسفر) به شکلی خیره کننده وابسته به شرایط دمایی و ارتفاع از سطح دریای آزاد است. به این ترتیب که هرچه هوا گرم‌تر (نظیر مناطق استوایی) یا هرچه ارتفاع از سطح دریای آزاد بیشتر (مانند مناطق کوهستانی) باشد، چگالی اکسیژن موجود در اتمسفر کاهش می‌یابد. یک موتور تنفس طبیعی با وابستگی ذاتی به اکسیژن موجود در محیط پیرامون، به هنگام بروز تغییرات جوی یا ارتفاعی دچار اختلال در عملکرد و افت در بازده می‌شود. اما موتور مجهز به سیستم توربوشارژر به دلیل فشرده‌سازی هوا (افزایش چگالی اکسیژن) عملا هیچ وابستگی به تغییرات دمایی و ارتفاعی نداشته و رفتار آن در تغییرات جوی و اتمسفری نسبتا خطی و یکسان است. در نتیجه خروجی فنی این دست پیشرانه‌ها در ارتفاعات یا مناطق گرمسیری تقریبا هیچ تغییری نمی‌کند.

معایب موتور توربوشارژر

• طراحی پیچیده‌: یک سیستم توربوشارژر مدرن امروزی از بخش‌های بسیار متنوع شامل خود توربوشارژر، سیستم لوله کشی هوای پرفشار و کم فشار، اینترکولر (خنک کننده هوا)، لوله کشی روغن پرفشار، سیستم کنترل بوست (تنظیم کننده فشار هوای تولیدی توربوشارژر) و دریچه تخلیه فشار (Waste Gate) تشکیل می‌شود. همانند هر سیستم مکانیکی دیگر، افزایش تعداد قطعات متحرک و مضاعف در خودرو به معنای افزیش استهلاک و همچنین بالاتر رفتن شانس خرابی است.

• هزینه تولید بالا: نه تنها به کارگیری مجموعه قطعات نام برده شده نیازمند صرف هزینه طراحی و تولید برای شرکت خودروساز است بلکه سیستم توربوشارژر یک مجموعه بسیار ظریف با مهندسی و فرایند تولید بسیار پیچیده و حساس است. مجموعه این موارد موجب می‌شود که نصب توربوشارژر در یک خودرو هزینه‌بردار و گران قیمت تمام شود.
• هزینه نگهداری بیشتر:پره‌‌های توربین و کمپرسور سیستم توربوشارژر با سرعت دیوانه کننده بین 20 تا 200 هزار دور در دقیقه می‌چرخد در حالی که مستقیما در معرض گازهای بسیار داغ (تا حدود 800 درجه سانتی گراد) خروجی مسیر اگزوز قرار دارد. به منظور کاهش استهلاک این مجموعه دورانی بسیار تند و تیز و بسیار داغ، سیستم توربوشارژر از لوله کشی روغن پرفشار (تامین شده از پمپ روغن پیشرانه) بهره می‌گیرد تا هم خنک مانده و هم سایش میان قطعات دورانی را کاهش دهد. این مهم استفاده از روغن موتور با گرید فنی بسیار بالا و دارای قیمت قابل توجه را طلب می‌کند.

• حساسیت به کیفیت روغن: به واسطه طراحی بسیار دقیق و ظریق سیستم توربوشارژر، پیشرانه‌های مجهز به این سیستم نیازمند استفاده از روغن‌های دارای کیفیت بسیار بالا به منظور خنک‌کاری و روانکاری بوده و همچنین به دلیل حرارت بسیار زیاد سیستم توربوشارژر در اتصال به منیفولد اگزوز دچار فرسایش زودهنگام روغن موتور می‌شوند. در نتیجه لازم است تا بازه تعویض روغن موتور در این دست خودروها با دقت بسیار بالا رعایت شده و از تردد با روغن کارکرده خودداری شود. این مهم مستقیما بر هزینه‌های نگهداری از خودرو می‌افزاید.
• فشار و استهلاک حرارتی: پیشرانه توربو به دلیل احتراق حجم بیشتری از سوخت در دمای بسیار داغ‌تر از پیشرانه تنفس طبیعی کار می‌کند. این حرارت بسیار بالا سیکل تنش‌های حرارتی وارد آمده بر قطعات را به شکل چشم‌گیری افزیش می‌دهد. پس موتور مجهز به توربوشارژر یا باید از ابتدای طراحی با آلیاژهای مقاوم‌تر در برابر حرارت بالا طراحی شود یا در صورت نصب توربو روی پیشرانه برخی از قطعات داخلی آن (نظیر پیستون‌ها) باید با نمونه مقاوم‌تر جایگزین شود.

• احتمال بالاتر بروز پدیده ناک: پیشرانه‌های مجهز به سیستم پرخوران به صورت استاندارد با ضریب تراکم پایین‌تر از موتورهای تنفس طبیعی طراحی می‌شوند اما تولید حرارت بسیار بالاتر در آن‌ها همچنان می‌تواند موجب بروز پدیده ناک (Knock/احتراق زودرس) مخصوصا در صورت استفاده از سوخت نامرغوب شود. بروز ناک تا درصد قابل توجهی به کمک سنسور ناک و تاخیر در زمان جرقه (ریتارد شدن تایم احتراق) از سوی کامپیوتر موتور (ECM یا همان ECU) جبران می‌شود اما در کشوری همچون ایران که کیفیت سوخت تولیدی بسیار پایین است، ناک زدن موتور ماشین احتمال بروز بسیار بیشتری داشته و جبران آن با ریتارد کردن زمان احتراق هم ممکن نیست. در نتیجه افزایش حرارت خارج از استاندارد، بروز تنش‌های احتراقی بر پیستون‌ها و دیواره‌های سیلندر می‌تواند موجب استهلاک زودرس و همچنین سوراخ شدن پیستون یا ذوب شدن سوپاپ‌های دود شود.

• تاخیر در پاسخ دهی به پدال گاز (تاخیر توربو): استفاده از سیستم توربوشارژر درست در مسیر خروجی گازهای پرفشار و پرسرعت اگزوز به معنای ایجاد یک سد معبر در مسیر تنفسی پیشرانه است. به این ترتیب که پره‌های توربین توربوشارژر به منظور افزایش سرعت و رسیدن به دور مورد نیاز با کمی تاخیر همراه خواهد بود. این مهم با نام تخصصی توربو لَگ (Turbo Lag) یا تاخیر توربو شناخته می‌شود. هرچه ابعاد توربوشارژر بزرگ‌تر باشد، این تاخیر بیشتر و محسوس‌تر خواهد بود. تاخیر توربو پدیده‌ای نامطلوب و ناخوشایند است که بیش از هر چیز بر کیفیت و لذت رانندگی تاثیر منفی خواهد گذاشت.
• مصرف سوخت بالا تحت بار و فشار: پیشرانه‌های توربوشارژر به نسبت توان و گشتاور تولیدی کم‌ مصرف‌تر از رقبای تنفس طبیعی حجیم‌تر به حساب می‌آیند اما باید توجه داشته باشید که نصب توربوشارژر بر موتورهای جدید با کاهش چشم‌گیر از حجم موتور و تعداد سیلندرها همراه شده است. در نتیجه این موتور کوچک و ضعیف در صورتی که تحت فشار سنگین نظیر حرکت با حداکثر جرم استاندارد قابل حمل، شتاب‌گیری متداوم یا تردد در سربالایی، تحت فشار مضاعفی قرار بگیرد، نه تنها به صورت طبیعی و بدیهی با استهلاک، حرارت و مصرف سوخت بیشتر همراه می‌شود، بلکه کامپیوتر موتور به منظور جلوگیری از داغ شدن بیش از حد محفظه داخلی سیلندر و خنک‌کاری بهتر موتور به پاشش سوخت بیشتر متوسل خواهد شد. مجموعه این موارد خود را در افزایش چشم‌گیر میزان مصرف سوخت لحظه‌ای تحت بار و فشار بروز می‌دهد.
• حساسیت بالا به خنک‌کاری: پیشرانه‌های پرخوران حرارت داخلی بسیار زیادی تولید می‌کنند. به همین دلیل سیستم خنک‌کاری پیشرانه این دست خودروها باید همواره دقیق و کاملا ایده‌آل عمل کنند. بروز کوچک‌ترین خرابی در فن رادیاتور، گرفتگی مجرای داخلی رادیاتور، استفاده نامتناسب و اشتباه از مایع کولانت (ضد یخ/ضد جوش)، عدم توجه به حرارت بسیار زیاد موتور و بروز نشتی در مجموعه خنک‌کاری می‌تواند موجب افزایش دمای کاری پیشرانه شده و آسیب‌‌های جدی به همراه داشته باشد.

نگهداری بهتر از پیشرانه توربوشارژر

با آگاهی از مزایا و معایب موتورهای مجهز به سیستم پرخوران توربوشارژر حالا بهتر است با چند نکته بسیار ساده اما مهم آشنا شوید که می‌تواند تاثیر به سزایی در افزایش عمر مفید سیستم توربوشارژر و پیشرانه خودرو داشته باشد.

راه‌های افزایش طول عمر موتور توربوشارژ

• گرم کردن موتور: هنگامی که پیشرانه را روشن می‌کنید توربو با سرعت خیره کننده‌ای دور می‌گیرد. این مهم در حالی است که در ثانیه‌های ابتدایی فشار روغن موتور در سطح ایده‌آل قرار ندارد. پس از روشن کردن پیشرانه و پیش از آغاز حرکت بهتر است حداقل یک دقیقه مکث کنید. همچنین در کیلومترهای ابتدایی حرکت از دادن گاز ناگهانی و اعمال فشار به موتور خودداری کرده و صبر کنید تا روغن موتور به دما مناسب برسد. این مهم مخصوصا در مناطق سردسیری و فصل سرد سال اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.
• توجه به سرویس دوره‌ای: در خودرو توربوشارژر خود حتما از روغن موتور باکیفیت و دارای گرید استاندارد اعلام شده از سوی خودروساز استفاده کنید. توصیه می‌شود با هربار تعویض روغن فیلتر روغن را نیز تعویض کنید. به دلیل شرایط پرترافیک کلان شهرهای کشور، توصیه می‌شود در انتظار سررسید 5000 کیلومتری تعویض روغن نمانید. بهتر است روغن موتور را حدود یک هزار کیلومتر زودتر از موعد تعویض کنید تا فرسایش طبیعی روغن در حالت توقف در ترافیک را جبران کرده باشید.
• استفاده از سوخت باکیفیت: سوخت تولیدی پالایشگاه‌های کشور به هیچ عنوان استاندارد مورد نیاز برای استفاده در خودروهای توربوشارژر مدرن امروزی را ندارد. اگر از مکمل سوخت بهره می‌گیرید اطمینان حاصل کنید که این مکمل نوع اصلی باشد.
• توجه به دمای کاری موتور: مخصوصا در فصل گرم سال باید همواره به دمای کاری پیشرانه توجه داشته باشید. سطح کولانت موجود در رادیاتور را بررسی و از عدم وجود نشتی اطمینان حاصل کنید. هرگز به هنگام داغ بودن موتور آن را تحت فشار و بار سنگین قرار ندهید. در صورت افزایش حرارت بالاتر از سطح استاندارد توصیه می‌شود توقف کنید و اجازه دهید دمای پیشرانه به سطح استاندارد کاهش یابد.
• عدم حرکت دنده مرده: کسب عادت‌های صحیح رانندگی به ویژه در خودروهای توربوشارژر مجهز به گیربکس دنده دستی وظیفه مستقیم مالک است. در دور موتور پایین (معمولا کمتر از 1500 تا 2000) توربوشارژر عملا بوست (Boost/فشار مثبت) محسوسی تولید نکرده و پیشرانه رفتاری شبیه به موتورهای تنفس طبیعی دارد اما سرعت دورانی پره‌های توربوشارژر همچنان بسیار سریع است. حرکت در دنده مرده باعث افت فشار روغن، تحت فشار قرار گرفتن قطعات دورانی پیشرانه و بدون روغن ماندن شفت توربوشارژر می‌شود. برای شتاب‌گیری حتما از دنده معکوس کمک بگیرید.
• مکث پیش از خاموش کردن پیشرانه:هیچگاه ناگهان پیشرانه توربوشارژر را خاموش نکنید. توقف شفت توربوشارژر می‌تواند بین یک تا سه دقیقه به طول انجامد. در کیلومترهای پایانی و نزدیک به مقصد با فشار کم‌تری رانندگی کنید تا دمای موتور و متعلقات توربوشارژر و سیستم اگزوز تا حداقل مقدار ممکن کاهش پیدا کند. سپس پیش از خاموش کردن پیشرانه اجازه دهید تا موتور حداقل به اندازه یک دقیقا در حالت درجا کار کند تا دور شفت سیستم توربوشارژر به حداقل مقدار ممکن برسد. خاموش کردن ناگهانی موتور توربوشارژر به هنگام داغ بودن و در دور موتور فراتر از حد ایده‌آل موجب قطع ناگهانی فشار روغن، خشک ماندن شفت دورانی و استهلاک شدید بوش‌های بسیار حساس درون توربوشارژر می‌شود.
• توجه به علائم غیر عادی: بروز صدای ناخوشایند شبیه به صدای سایش به هنگام گاز دادن، بیرون زدن دود آبی از اگزوز (هرچند به مقدار ناچیز)، شنیدن صدای باد پرفشار، کاهش محسوس از توان فنی پیشرانه و کاهش از سطح روغن موتور علائمی است که می‌تواند مستقیما از بروز ایراد و استهلاک در سیستم توربوشارژر سخن بگوید. پیش از بروز مشکلات جدی‌تر این علائم را جدی گرفته و در راستای رفع آن اقدام کنید.

نتیجه گیری

آیا خودروهای توربوشارژر گزینه‌های برتری به حساب می‌آیند؟ این پاسخ به این پرسش یک بله یا خیر ساده نبوده و به فاکتورهای متعددی بستگی دارد. خودروهای مجهز به سیستم پرخوران (مخصوصا توربوشارژر) هرگز مطلوب سلقه شخص نگارنده نبوده است اما چه خوشمان بیاید و چه نیاید، این خودروها درصد قابل توجهی از سبد محصول خودروسازان روز بازار بین الملل و حتی ایران را به خود اختصاص داده‌اند.

بنابراین بهترین روش برای افزایش طول عمر مفید خودرو مجهز به سیستم توربوشارژر ابتدا یادگیری شیوه رانندگی ایده‌آل و سپس جدی‌ گرفتن شرایط و الزامات سرویس‌های دوره‌ای آن‌ها است.

https://khodro45.com/mag/?p=125584