موتور توربوشارژ چیست؟ + مزایا و معایب توربو شارژ

ابعاد و اندازه، مصرف سوخت و قدرت تولیدی سه فاکتور کلیدی در طراحی موتور خودرو هستند. دستیابی به نقطه‌ای بهینه بین این سه مولفه برای سازندگان موتور یک چالش همیشه در جریان است. خودروسازان به‌خوبی می‌دانند که برای باقی ماندن در چرخه رقابت باید به‌سمت موتورهایی حرکت کنند که ابعاد و اندازه نسبتا کوچک دارند؛ مصرف سوخت‌شان پایین است و در عین حال قدرت تولیدی بالایی را از خود نشان می‌دهند. موتور توربور شارژ یکی از محصولاتی است که از دل تلاش برای دستیابی به این هدف بیرون آمده است. در ادامه قصد داریم به بررسی مزایا و معایب موتور توربو شارژ بپردازیم.

موتور توربو شارژ یعنی چه؟

بد نیست بدانید که توربو شارژ در زبان فارسی تحت عنوان سیستم پرخوران موتور شناخته می‌شود. ایده اصلی تولید موتور توربو شارژ، فشرده سازی هوای ورودی به موتور است. هدف از این کار فراهم کردن ورود هوا با حجم بیشتر به محفظه احتراق است. در این حالت می‌توان بدون نیاز به افزایش سایز محفظه احتراق، میزان سوخت و هوای بیشتری را در آن مخلوط کرد. به‌همین دلیل قدرت موتور پس از احتراق نیز افزایش پیدا می‌کند.

بنابراین تمرکز سیستم توربو شارژ روی مکش هوا در ورودی موتور است. ساختمان یک سیستم توربو شارژ از 2 بخش اصلی و 1 بخش جانبی تشکیل می‌شود. بخش اول تحت عنوان کمپرسور شناخته می‌شود که به منیفولد ورودی هوا متصل است. این کمپرسور وظیفه فشرده‌سازی هوا را بر عهده دارد. حتما این سوال را می‌پرسید که کمپرسور قدرت خود را از کجا تامین می‌کند؟

سر دیگر کمپرسور به دومین بخش سیستم توربو شارژ یعنی توربین متصل می‌شود. گاز خروجی اگزوز موتور به‌سمت توربین هدایت می‌شود. این توربین به‌صورت سانتریفیوژ طراحی می‌شود. به‌همین دلیل قادر است با سرعت بسیار زیاد (تا 30 برابر دور موتور) دوران کند. توربین و کمپرسور با یک شفت به یکدیگر متصل می‌شوند. چرخش توربین، شفت را به‌حرکت در می‌آورد و این توان چرخشی به‌کمپرسور انتقال می‌یابد که قطعه‌ای متحرک است.

تجربه نشان می‌دهد که حرارت تولیدی در سیستم توربو شارژ ممکن است به دمای 130 درجه سلسیوس هم برسد. این دما احتمال آسیب دیدن قطعات داخلی موتور را به‌شدت افزایش می‌دهد. ضمن اینکه احتمال به‌هم خوردن نسبت ترکیب سوخت و هوا به‌دلیل کاهش چگالی هوا نیز وجود دارد. برای کنترل دمای هوا در سیستم توربو شارژ از اینترکولر بین کمپرسور و توربین استفاده می‌شود. اینترکولر نقشی مشابه رادیاتور ماشین را ایفا می‌کند و دمای هوای خروجی از کمپرسور را تا حدود 60 درجه سلسیوس پایین می‌آورد.

داستان موتور توربو شارژ از کجا شروع شد؟

بد نیست نگاهی به تاریخچه تلاش‌ها برای تولید موتور توربو شارژ، نگاهی گذرا داشته باشیم. ایده افزایش تراکم هوای ورودی به محفظه احتراق برای ارتقای راندمان موتور نخستین بار در نیمه دوم قرن 19 میلادی توسط یک مهندس آلمانی به‌نام گوتلیب دایملر مطرح شد.

البته دایملر نتوانست جامه عمل به این ایده بپوشاند. چند سال بعد، یک مهندسی سوئیسی به‌نام آلفرد بوچی دست به‌کار شد و موفق شد در سال 1905 یک منیفولد حلزونی طراحی کند که در مسیر اگزوز موتور قرار می‌گیرد و به‌کمک یک توربین داخلی، هوای فشرده مورد نیاز برای انتقال به محفظه احتراق را تامین نماید.

نسل‌های ابتدایی موتور توربو شارژ همگی برای نصب روی جنگنده‌های نظامی در طول جنگ جهانی دوم به‌کار گرفته شدند. تلاش‌ها برای نصب این موتور روی خودروهای سواری به دهه 1950 میلادی برمی‌گردد. طراحی موتور توربو شارژ در مقیاس خودروی سواری به‌چالش جدی تبدیل شد. این گره در نهایت توسط آمریکایی‌ها باز شد. در سال 1962، کمپانی جنرال موتورز موفق شد اولین خودروی سواری خود مجهز به موتور توربو شارژ را روانه بازار کند.

مزایای موتور توربو شارژ

مزایای موتور توربو شارژ، موضوع مهمی است که باید در این قسمت بررسی کنیم. همان‌طور که در مقدمه اشاره کردیم، استفاده از سیستم پرخوران موتور، باعث شد تا نیاز به طراحی موتورهای سنگین با تعداد سیلند و حجم بالا تا حدی برطرف شود. در کنار چالش وزن و اندازه موتور، سیستم توربو شارژ در کاهش 10 تا 20 درصدی مصرف سوخت نیز نقش موثر ایفا می‌کند.

از سویی دیگر، باید به افزایش توان موتور توربو شارژ در مقایسه به تنفس طبیعی به‌خصوص در دور موتورهای بالای اشاره کنیم. سیستم توربو شارژ میزان هوای ورودی به موتور در مقایسه با موتور تنفس طبیعی را تا 50 درصد افزایش می‌دهد. همچنین قدرت تولیدی این موتورها نیز حدود 30 تا 40 درصد بیشتر می‌شود.

موضوع دیگری که نباید از آن غافل شویم، استفاده سیستم پرخوران از انرژی حرارتی گازهای خروجی اگزوز است. این گازها در موتور تنفس طبیعی بدون استفاده در محیط رها می‌شوند. بنابراین می‌توان ادعا کرد که توربو شارژ تا حدی منجر به جلوگیری از اتلاف انرژی در خودرو هم می‌شود.

معایب موتور توربو شارژ

بحث درباره معایب موتور توربو شارژ، موضوع بسیار جدی است. روی‌هم‌رفته، مشکلات توربو شارژ را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد. برخی از مشکلات طی سال‌های گذشته برطرف شده‌اند. بعضی دیگر هنوز پابرجا هستند. در اینجا به‌صورت جداگانه مشکلات یاد شده را بررسی می‌کنیم.

مشکلات برطرف شده موتور توربو شارژ

در سال‌های اخیر، برخی از مشکلات موتور توربو شارژ برطرف شده‌اند. یکی از این مشکلات، داغ شدن بیش از حد فضای کمپرسور و توربین سیستم پرخوران بود که منجر به آسیب دیدن پره‌های آن‌ها می‌شد. استفاده از اینتر کولر در این سیستم تا حد زیادی مشکل یاد شده را برطرف کرده است.

یکی دیگر از مشکلات برطرف شده در موتور توربو شارژ، بروز اختلال در عملکرد خودرو هنگام کاهش سرعت ناگهانی در دور موتور بالاست. وقتی در دور موتور بالا، پای خود را ناگهانی از روی پدال گاز بر می‌دارید، دریچه گاز موتور تقریبا بسته می‌شود. در عین حال، هوای داغ که با سرعت به سمت موتور انتقال می‌یابد، توان باز کردن دریچه گاز را دارد. برای جلوگیری از بروز این اتفاق، یک شیر تخلیه در سیستم توربو شارژ تعبیه می‌شود. در این شرایط، شیر تخلیه باز می‌شود و هوای پرفشار را به‌سمت ورودی توربو شارژ هدایت می‌کند.

وقتی در جاده‌های برون شهری برای طولانی مدت خودرو با دور موتور بالا حرکت می‌کند، پره‌های توربین سیستم پرخوران در معرض حرارت و فشار بیش از اندازه قرار می‌گیرند. این موضوع ممکن است باعث آسیب دیدن پره‌های توربین شود. برای جلوگیری از بروز این مشکل، یک دریچه تحت عنوان Waste Gate در مسیر انتقال گازهای اگزوز به توربین نصب می‌شود.

این دریچه توسط یک سنسور کنترل می‌شود. سنسور دمای موتور خودرو را اندازه‌گیری می‌کند. وقتی دمای موتور از حد مشخصی افزایش یابد، دریچه یاد شده باز می‌شود. به‌این ترتیب گازهای داغ به سمت توربین هدایت نمی‌شوند. تا شرایط برای کاهش فشار وارده به پره‌های آن مهیا شود. البته ناگفته نماند که هنوز در برخی از موتورهای توربو شارژ داخلی، مشکل آسیب دیدن زود هنگام پره‌های توربیت سیستم پرخوران مشاهده می‌شود.

مشکلات موجود موتور توربو شارژ

برخی از معایب موتور توربو شارژ هستند که همچنان وجود دارند. بدیهی است که سیستم توربو شارژ، بخشی از مسیر خروج گازهای داغ اگزوز را مسدود می‌کند. این موضوع باعث ایجاد فشار منفی در خط اگزوز می‌شود. در نتیجه این اتفاق، موتور توربو شارژ با مقداری لگ یا تاخیر روبه‌رو می‌شود.

به‌این معنی که بین فشار دادن پدال گاز و اعمال شتاب در خودرو کمی فاصله وجود دارد. این موضوع در زمان شروع به حرکت و دور موتور کم (زیر 2000 دور بر دقیقه) خیلی بیشتر به‌چشم می‌آید. چرا که در این حالت فشار گازهای خروجی موتور کمتر است. البته در برخی از خودروهای مدرن، تلاش شده تا با استفاد از توربین‌های دارای پره متغیر، کمی این مشکل برطرف شود.

یکی دیگر از چالش‌های جدی در موتور توربو شارژ، خنک کاری شفت بین توربین و کمپرسور است. تنها راه برای خنک کردن شفت، استفاده از روغن است. در واقع روغن که نقش روان‌کاری را بر عهده دارد، به خنک شدن این شفت هم کمک می‌کند. البته باید از روغن مخصوص برای این منظور استفاده شود که قیمت بالایی هم دارد.

ضمن اینکه رفتار رانندگی شما در عمر مفید روغن روان‌کاری شفت سیستم پرخوران موتور نقش زیادی دارد. وقتی خودرو را روشن می‌کنید، حتما دو تا سه دقیقه صبر کنید تا روغن به‌خوبی سطح شفت را آغشته کند و سپس دور موتور را بالا ببرید. همچنین بعد از رانندگی طولانی با دور موتور بالا، خودرو را ناگهان خاموش نکنید. کمی صبر کنید و سپس ماشین را خاموش کنید. این کار باعث می‌شود تا روغن در تماس با حرارت بالا قرار نگیرد و خاصیت خود را زودتر از دست ندهد.

کسانی که تجربه خرید خودروهای دارای موتور توربو شارژ را دارند، به‌خوبی می‌دانند که هزینه تعمیر و نگهداری این سیستم بالاست. ضمن اینکه تجربه نشان می‌دهد در صورت عدم رعایت نکات رانندگی با سیستم موتور توربو شارژ، استهلاک قطعات آن بسیار زیاد است.

موتور سوپر شارژ چیست؟

بد نیست قبل از پایان به یک موضوع مهم دیگر نیز اشاره کنیم. نوع دیگری از موتورها تحت عنوان سوپر شارژ وجود دارند که از فلسفه مشابه با موتور توربو شارژ برخوردار هستند. به‌این معنی که از یک کمپرسور برای فشرده‌سازی هوای ورودی به موتور استفاده می‌کند.

در عین حال یک تفاوت مهم بین سوپر شارژ و توربو شارژ وجود دارد. همان‌طور که مشاهده کردید در موتور توربو شارژ، کمپرسور توان لازم را از توربین دریافت می‌کند. این در حالی است که در موتور سوپر شاژر خبری از توربین نیست. بلکه کمپرسور به‌صورت مستقیم با استفاده از زنجیر تایم به موتور متصل می‌شود و قدرت مورد نیاز خود را از آن می‌گیرد.

کلام پایانی

در این مطلب بررسی کردیم که موتور توربو شارژ چیست و چه مزایا و معایبی دارد. اگر درباره موتور توربو شارژ از رانندگان مختلف سوال کنید، احتمالا با پاسخ‌های متناقض از سوی آن‌ها روبه‌رو خواهید شد. عده‌ای به‌خاطر هزینه‌های سنگینی که بابت تعمیر و نگهداری سیستم پرخوران موتور پرداخت کرده‌اند، اصلا دل خوشی از آن ندارند. در مقابل گروه دیگری هم هستند که به‌خاطر ویژگی‌های مثبت از عملکرد این موتور ابراز رضایت می‌کنند.

منبع: https://www.hamrah-mechanic.com/mag/turbocharged-engine/