مقایسه موتور توربو با تنفس طبیعی؛ کدام بهتر است؟

از ابتدای خلق پیشرانه احتراق داخلی یا ICE، مهندسان صنعت خودروسازی تلاش در بهبود راندمان و افزایش بازده خروجی موتور درون سوز خودرو داشتند. اما برگ برنده نسبتا مدرن دو دهه گذشته صنعت خودروسازی یا همان استفاده از سیستم‌های پرخوران، در حقیقت اولین بار از دل صنایع هوایی راه به خودروسازی پیدا کرد.

با گسترش خیره‌کننده استفاده از انواع سیستم پرخوران شامل توربوشارژ و سوپرشارژ در خودروهای تولید انبوه امروزی، این سوال مطرح است که کدام پیشرانه گزینه برتر و مناسب‌تر به حساب می‌آید؟ تنفس طبیعی (NA) یا توربوشارژر (TC)؟ برای پاسخ به این پرسش اما باید ابتدا با ماهیت وجودی هر یک از این دو موتور خودرو آشنا شویم و تمایزها و محدودیت‌های آن‌ها را درک کنیم.

دسته بندی موتور خودرو

به صورت کلی و از دیدگاه سیستم تنفسی، پیشرانه‌های احتراق داخلی را به دو گروه تنفس طبیعی یا Naturally Aspirated (با حروف اختصاری NA) و پیشرانه‌های توربوشارژ (پرخوران یا Force Induced) تقسیم بندی می‌کنند.

خودروهایی که از سیستم‌های پرخوران بهره می‌گیرند به صورت کلی شامل دو گروه مجهز به توربوشارژر (TC) و سوپرشارژر (SC) و البته یک گروه بسیار نادر شامل استفاده همزمان دو سیستم توربوشارژر و سوپرشارژر می‌شوند که به منظور خنثی کردن و پوشش دادن نقطه ضعف و ایرادهای منحصر به هر یک از این سیستم‌ها به صورت هم‌زمان کار گرفته می‌شوند.

در پیشرانه‌های پیچیده‌تر و قدرتمندتر، زمانی که از بیش از یک سیستم توربوشارژر استفاده می‌شود، رابطه میان دو توربوشارژر می‌تواند یکی از انواع ترتیبی (Sequential)، موازی (Parallel) و ترکیبی (Copound) باشد. در هر سه مورد، ماهیت رفتاری پیشرانه تقریبا یکسان و آن موتور همچنان یکی از موتورهای خانواده TC یا مجهز به توربوشارژر به حساب می‌آید.

دلیل استفاده از توربوشارژ در موتور خودرو

موتورهای تنفس طبیعی به صورت ذاتی بازده مشخصی دارند و تنها می‌توانند مقدار کاملا معینی از ترکیب سوخت و هوا را منفجر کنند. اما سیستم‌های پرخوران به صورت مختصر و مفید، با افزایش میزان هوای ورودی به درون محفظه احتراق، درصد بیشتری از سوخت ورودی را منفجر کرده و در نتیجه در مقایسه با پیشرانه هم حجم و هم سیلندر کاملا مشابه تنفس طبیعی، توان و گشتاور بیشتری تولید می‌کند.

در نتیجه زمانی که صحبت مصرف سوخت کم و پیشرانه‌های کوچک اقتصادی به میان می‌آید، پای سیستم پرخوران به عنوان عضو جبران کننده افت توان و گشتاور در پیشرانه‌های حجم پایین و کوچک به موضوع باز می‌شود.

موتور تنفس طبیعی؛ مزایا و معایب

پیش از ورود به موضوع پیشرانه مجهز به پرخوران، بیایید ابتدا عملکرد پیشرانه‌های تنفس طبیعی را بررسی کنیم. این دست پیشرانه‌ها به دلیل حرکت پایین رونده پیستون در مرحله مکش، فشار منفی یا خلا ایجاد می‌کنند. در این مرحله، هوا به درون پیشرانه مکیده شده و بر حسب نوع سیستم سوخت‌رسانی، سوخت مورد نظر نیز به همراه هوا وارد محفظه احتراق می‌شود.

در نتیجه هر سیلندر بر حسب طراحی، قابلیت مکش مقدار معینی از هوا و سوخت را دارد. مقدار معینی که بدون ایجاد تغییرات فاحش فنی نظیر تغییر در نوع پیستون، نوع سرسیلندر، میل بادامک و نوع سیستم سوخت‌رسانی، قابل تغییر نیست.

پس توان نهایی پیشرانه بر حسب فاکتورهای مطرح شده، محدود به تعداد سیلندر، حجم نهایی موتور و طراحی کلی پیشرانه خواهد بود. هرچه حجم موتور، تعداد سیلندر و دور موتور بالاتر باشد، توان و گشتاور خروجی هم به همان اندازه بالاتر خواهد رفت.

برای همین است که از گذشته‌های دور، پیشرانه‌های قدرتمند دارای حجم و تعداد سیلندر بیشتر بودند. به عنوان مثال ساده‌ترین پیشرانه‌های تنفس طبیعی از نمونه ۵۰ سی‌سی تک سیلندر دو یا چهار زمانه به‌کاررفته در موتورسیکلت‌ها آغاز شده و تا نمونه‌های قدرتمندتر، ۶، ۸، ۱۰ و ۱۲ سیلندر ۲.۵ تا ۱۰ لیتری و حتی نسخه‌های غول پیکر ۲۴، ۳۲ و ۴۸ سیلندر مورد استفاده در تانک‌ها و هواپیما‌های قدیمی با حجم خیره‌کننده فراتر از ۷۰ لیتر را شامل می‌شدند.

موتور تنفس طبیعی که هنوز هم به طور گسترده در صنعت خودروسازی و صنایع هوایی سبک به کار می‌رود، برخی مزایا و معایب انحصاری دارد که با توجه به سنگینی کفه مزایای آن، همچنان مورد استفاده است.

مزایای موتور تنفس طبیعی

پیشرانه‌های تنفس طبیعی ساختار ساده‌ای دارند و پیچیدگی فنی در آن‌ها معمولا بر حسب ضریب تراکم، تعداد سیلندر، حجم، دور موتور ایده‌آل و ماکزیمم، توان و گشتاور خروجی کنترل شده، نوع سوخت مصرفی، نوع کاربری، شیوه خنک‌کاری و… بسیار ساده‌ است.

پیچیدگی طراحی کم به معنای دوام قابل توجه و توانایی در ایجاد تغییرات ساده اما تاثیرگذار است که طیف قابلیت ارتقای فنی این دست پیشرانه‌ها بدون در خطر افتادن سلامت کلی موتور خودرو را ممکن می‌سازد.

تنش قطعات در این دست پیشرانه‌ها کاملا کنترل شده و فشار وارد برآن‌ها قابل پیش‌بینی است. در نتیجه می‌توان ایده بسیار دقیق و درستی از طول عمر مفید، ایرادهای رایج، نقاط قوت و ضعف این دست پیشرانه‌ها داشت.

همچنین واکنش بسیار سریع و دقیق به پدال گاز که موجب افزایش لذت رانندگی می‌شود، عدم نیاز به استفاده از روغن‌های مخصوص، حساسیت کم‌تر به شیوه رسیدگی و نگهداری و به صورت کلی هزینه‌های نگهداری به مراتب کم‌تر را باید از اصلی‌ترین برگ‌های برنده پیشرانه‌های تنفس طبیعی (NA) دانست.

معایب موتور تنفس طبیعی

از سوی دیگر، این پیشرانه‌ها در دریافت مقدار مشخصی از ترکیب سوخت و هوا محدود هستند، به این معنا که میزان مولکول سوخت و اکسیژن ورودی اتمسفر پیرامونی به درون محفظه احتراق در پیشرانه‌های تنفس طبیعی بر اساس نوع طراحی یک میزان مشخص و تقریبا ثابت است. در نتیجه بهبود تنفس آن‌ها برای تولید توان و گشتاور بیشتر به شدت محدود به حجم و تعداد سیلندر، نوع طراحی سرسیلندرها، تعداد سوپاپ‌ها، طراحی سیالی ورودی هوا و خروجی اگزوز و در نتیجه افزایش در ابعاد و وزن نهایی خواهد بود.

پس تنها روش افزایش توان و گشتاور در این موتورها پس از حجم و تعداد سیلندر، محدود به دقت در مهندسی و استفاده از طراحی صنعتی پیچیده و هزینه‌بردار است. همچنین با توجه به وابستگی شدید پیشرانه‌های تنفس طبیعی به اکسیژن موجود در محیط، با افزایش دما و ارتفاع و کاهش از غلظت اکسیژن موجود در اتمسفر، توان و گشتاور تولیدی این پیشرانه‌ها نیز افت خواهد کرد. بنابراین به صورت کلی بازده این دست پیشرانه‌ها پایین‌تر آن چیزی است که انتظار می‌رود.

دقیقا به همین دلیل بود که در ابتدای عصر خودروسازی، به منظور دستیابی به قدرت و گشتاور خیره‌کننده در خودروهای مسابقه‌ای، روشی به جز نصب موتورهای عظیم تانک و هواپیما بر روی خودروها وجود نداشت.

موتور توربو؛ مزایا و معایب

پیشرانه‌های مجهز به توربوشارژر از فشار شدید گازهای داغ و پرسرعت خروجی اگزوز پیشرانه استفاده می‌کند تا پره‌های سمت توربین توربوشارژر را به گردش درآورد. در نتیجه شفت مرکزی مشترک متصل به پره‌ها توربین نیز موجب حرکت پره‌های کمپرسور و مکش هوای اتمسفر، فشرده‌سازی آن و انتقال حجم هوای بیشتر به درون محفظه سیلندر می‌شود. پس در این دست پیشرانه‌های هوای ورودی به موتور بر اثر مکش طبیعی حاصل از پایین رفتن پیستون‌ها به دست نیامده بلکه در غلظت بالاتر و به کمک فشار مثبت تیغه‌های کمپرسور توربوشارژر به سرعت وارد محفظه احتراق می‌شود. وجود اکسیژن بیشتر به معنای سوخت کامل‌تر و تولید توان و گشتاور بیشتر در عین دریافت میزان سوخت مشابه با پیشرانه تنفس طبیعی است.

مزایای موتور توربو

پیشرانه‌های مجهز به توربوشارژ حجم هوا (تراکم اکسیژن) بیشتری در مقایسه با پیشرانه‌های تنفس طبیعی دریافت می‌کنند. ازاین‌رو در ساختار مقایسه حجم و تعداد سیلندر مشابه، پیشرانه‌های توربوشارژ دارای قدرت و گشتاور بالاتر هستند. این مهم به این معنا است که با کاستن از تعداد سیلندر و حجم موتور می‌تواند با مصرف سوخت کم‌تر، توان و گشتاوری معادل با پیشرانه‌های حجیم‌تر تولید می‌کند. این موضوع عملا به معنای ارائه بازده فنی بالاتر و بهینگی بیشتر است.

وجود توربوشارژ موجب می‌شود که پیشرانه‌های کوچک‌تر، سبک‌تر و کم حجم‌تر را بتوان در تیراژ بزرگ‌تر و در خودروهای روزمره تولید انبوه به کار گرفت و در مقیاس بزرگ تاثیر محسوسی بر میزان آلایندگی گذاشت.

از آن‌جایی که سیستم توربوشارژر هوای محیطی را فشرده کرده و سپس روانه محفظه احتراق می‌کند، تغییرات در ارتفاعات تاثیر محسوسی بر خروجی توان و گشتاور پیشرانه ندارد و خروجی تقریبا در تمامی سناریو‌های ممکن، یکسان است.

معایب موتور توربوشارژ

وجود توربوشارژ به صورت طبیعی به معنای ایجاد یک سد در مسیر خروجی گازهای اگزوز است. این مهم باعث بروز پدیده طبیعی تاخیر توربو (Turbo Lag) می‌شود که به معنای تاخیر در واکنش پدال گاز و کاهش از تجربه و لذت سواری است.

شفت مرکزی مشترک میان توربین و کمپرسور در توربوشارژر، به کمک یک لوله روغن پرفشار و به کمک فشار روغن تولیدی از اویل پمپ موتور روانکاری می‌شود. از آن‌جایی که توربین توربوشارژر در اتصال به اگزوز پیشرانه به هنگام کار به شدت داغ می‌شود، روغن موتور مورد استفاده در معرض حرارت بسیار شدید است. این موضوع موجب نیاز به استفاده از روغن موتور مخصوص و گران‌قیمت شده و بروز اندکی روغن‌سوزی پیوسته و آلودگی شدید روغن موتور مورد استفاده پیشرانه را به همراه دارد که در درازمدت بر هزینه‌های نگهداری خودرو می‌افزاید.

افزایش حجم اکسیژن ورودی پیشرانه که باعث خلوص بیشتر احتراق می‌شود، هم دمای احتراق را بالاتر می‌برد و هم بر شدت احتراق می‌افزاید. این موضوع نیز حساسیت به مراتب بیشتر پیشرانه به سوخت مورد استفاده (نیاز به پالایش بهتر و اکتان بالاتر) را رقم زده و فشار وارد بر قطعات درونی پیشرانه (پیستون، شاتون، سرسیلندر، واشر سرسیلندر، یاتاقان‌ها و…) شده که به طور کلی از طول عمر مفید پیشرانه می‌کاهد.

مجموعه موارد بیان‌شده به معنای استفاده از متریال خاص‌تر و مهندسی پیچیده‌تر پیشرانه‌های مجهز به سیستم پرخوران می‌شود که در نهایت به معنای قیمت طراحی و تولید بالاتر و هزینه‌های نگهداری به مراتب بیشتر خواهد بود.

موتور سوپرشارژر؛ مزایا و معایب

پیشرانه‌های سوپرشارژر از دیدگاه طراحی و عملکرد کلی شباهت بسیار زیادی به پیشرانه‌های توربوشارژ دارد و نفس هر دو نسخه از دیدگاه رفتار پرخوران، کاملا یکسان است. تنها تمایز در نحوه دریافت نیروی دورانی است که در سوپرشارژر به‌جای گازهای پرفشار و پرسرعت، این نیروی دورانی از سوی میلنگ تامین می‌شود. در نتیجه پدیده داغ شدن، سوختن روغن و تاخیر پدال گاز (همان تاخیر توربو) وجود ندارد، اما بیشتر ایرادهای دیگر با سیستم توربوشارژر مشترک است.

از آن‌جایی که طراحی ، نصب، ستاپ و راه‌اندازی سیستم سوپرشارژر در مقایسه با توربوشارژر کمی پیچیده‌تر و هزینه‌ بردارتر است، سیستم سوپرشارژر تنها در خودروهای خاص و دارای تیراژ محدود استفاده شده و در میان خودروهای روزمره اقتصادی نظیر گزینه‌های موجود در ایران محبوبیت و کاربری ندارد. در نتیجه این مقاله به صورت اختصاصی به بررسی دقیق پیشرانه‌های سوپرشارژر نمی‌پردازد.

موتور توربو بهتر است یا تنفس طبیعی؟

در این جدول به‌طور خلاصه مقایسه پیشرانه تنفس طبیعی با توربو درج شده و بر این اساس می‌توانید انتخاب کنید که موتور توربو بهتر است یا تنفس طبیعی.

نتیجه گیری

اگر نگاهی به طیف خودروهای موجود در بازار امروز ایران بیندازید، شاید با خود تصور کنید که بدون تردید پیشرانه توربورشارژر انتخاب برتری است که تیراژ تولید آن در سال‌های اخیر تا این اندازه افزایش داشته و محبوبیت آن رو به رشد است. اما برای درک بهتر موضوع نه فقط بازار ایران، بلکه باید آمار فروش خودروهای مختلف در سراسر جهان و در تناسب با شرایط جغرافیایی، فرهنگی و نوع کاربری آن‌ها را در نظر گرفت.

به این ترتیب خواهید دید که خودروهای اقتصادی تیراژ انبوه روزمره، یعنی آن دست خودروهای کاملا معمولی و عمومی که برای رفتن از نقطه الف به نقطه ب مورد استفاده قرار می‌گیرند، با هدف کاهش میزان مصرف سوخت و آلاینده‌ها، همگی با پیشرانه‌های کوچک مجهز به سیستم توربوشارژر به تولید می‌رسند.

اما در عین حال خودروهایی با کاربری خاص‌تر، نظیر خودروهای اسپرت تراز اول، شاسی بلندهای بیراهه‌نورد، پیکاپ‌های باربر سبک و نیمه سنگین (در نسخه بنزینی)، همگی معمولا با پیشرانه‌های تنفس طبیعی حجیم (۳ لیتر و بالاتر) و با تعداد سیلندر بالا (معمولا ۶ و ۸ سیلندر) به تولید می‌رسند.

دلیل آن است که دوام پیشرانه این گروه از خودروها در اولویت بالاتر قرار دارد. گشتاور تولیدی این پیشرانه‌ها خالص‌تر و به دلیل داشتن حجم بالاتر و تعداد سیلندر بیشتر، تنش و فشارهای وارده بر اجزا تا حد بسیار زیادی میان تمامی قطعات تقسیم شده و پیشرانه برای تولید توان و گشتاور تعیین‌شده زور کم‌تری می‌زند. اگرچه مصرف سوخت در مقایسه با پیشرانه توربوشارژر بالاتر و بازده کلی آن کم‌تر است اما از دیدگاه ارائه دوام و طول عمر مفید در جایگاه بهتری قرار دارند و از دیدگاه هزینه‌های تعمیرات و نگهداری هزینه‌های بسیار کم‌تری بر شانه مالک وارد می‌آورند.

پس اگر قرار باشد که خودرو منتخب بیشتر طول عمر خود را در رانندگی روزمره شهری و بین شهری بگذراند، استفاده از پیشرانه‌های کم‌حجم توربو بهترین گزینه خواهند بود. اما اگر قرار باشد خودرو با فشار بیشتر پیوسته بیشتر و در سناریو‌های خاص مورد استفاده قرار بگیرد، موتورهای حجیم‌تر با تعداد سیلندر بیشتر، بدون تردید لقب برترین را ازآن خود خواهد کرد.

در نتیجه پاسخ روشن و واضحی برای این پرسش وجود ندارد که کدام گزینه بهتر است. هر پیشرانه در تامین نیازی بخصوص به تولید رسیده و ماهیت وجودی خود را توجیه می‌کند. به همین دلیل است که پیشرانه‌های حجیم با تعداد سیلندر بالا هنوز هم در تیراژ قابل توجه به تولید می‌رسند.

سوال های متداول

آیا موتور توربوشارژر بهتر از تنفس طبیعی است؟

خیر. هر یک از این پیشرانه‌ها برای تامین نیازی مشخصی طراحی و تولید می‌شوند. تقریبا می‌توان این‌طور گفت که پیشرانه‌های کم حجم و کم سیلندر توربوشارژر و پرحجم و پرسیلندر تنفس طبیعی نمی‌توانند جای یکدیگر را پر کنند.

ایرادهای بارز موتورهای پرخوران (توربوشارژر) چیست؟

تاخیر واکنش پدال گاز یا تاخیر توربو، سرویس‌های دوره‌ای کوتاه‌تر، حساسیت فنی و هزینه نگهداری بالاتر، پیچیدگی طراحی و تولید بیشتر و طول عمر کوتاه‌تر، از بارزترین مشکلات رایج پیشرانه‌ای مجهز به سیستم پرخوران است.

مشکلات رایج میان پیشرانه‌های تنفس طبیعی چیست؟

بازده نسبتا کم در مقایسه با حجم و تعداد سیلندر، مصرف سوخت بیشتر، تغییر در خروجی توان و گشتاور در مواجهه با تغییرات در ارتفاع (غلظت مولکول‌های اکسیژن)، وزن بیشتر و ابعاد فیزیکی بزرگ‌تر را می‌توان از ایرادهای رایج پیشرانه‌های تنفس طبیعی دانست.

آیا پیشرانه‌های سوپرشارژر بهتر از توربوشارژر هستند؟

الزاما خیر، پیشرانه‌های سوپرشارژر برخی ایرادهای رایج نظیر تاخیر توربو، داغ شدن بیش از حد، روغن سوزی و برخی حساسیت‌های فنی سیستم توربوشارژر را به همراه ندارند اما نصب و راه اندازی آن‌ها هزینه‌ بیشتری را طلب می‌کند.

دلیل محبوبیت و فراگیری موتورهای توربوشارژر در دو دهه گذشته چیست؟

نصب سیستم پرخوران و مخصوصا نمونه توربوشارژر، ساده‌ترین روش برای کاستن از تعداد سیلندرها و حجم موتور برای دستیابی به مصرف سوخت و آلایندگی کم‌تر و افزایش بازده کلی پیشرانه است. به همین دلیل این سیستم در دهه‌های اخیر در میان خودروهای تولید انبوه اقتصادی روزمره رواج بسیار بیشتری یافته است.

نویسنده: شهاب انیسی