توربوشارژ چیست و چرا استفاده از آن باعث بالا رفتن محبوبیت خودروهای امروزی ایرانی از جمله دنا پلاس شده است؟ در این پُست با معایب و مزایای موتور توربو شارژ آشنا خواهید شد و به این سوال پاسخ خواهیم داد که خودرو با موتور توربو شارژ چگونه کار میکند؟ عبارت Turbocharger از آن دست عبارت‌هایی است که در خودروهای مدرن امروزی می‌تواند نشانه یک جذابیت بزرگ باشد. جذابیتی که صحبت کردن درباره آن نیز اشتیاق خاص خود را دارد. البته موتورهای توربو شارژ ابتدا برای هواپیماها تعریف شدند. در دهه 1960 بود که استفاده از این نوع موتورها در خودروها نیز آغاز و کم‌کم در دهه 1980 به اوج خود رسید. البته نه برای خودروهای ایرانی!
احتمالا شما هم درباره این اصطلاح در خودروها شنیده‌اید و تا حدی آن را می‌شناسید، اما این بار در مجله آریان یدک سعی داریم به زبان ساده اما به صورت کاملا تخصصی به معرفی توربوشارژ در خودروهای امروزی بپردازیم و به این سوال مهم پاسخ دهیم که توربو شارژ چیست؟ با یک مقاله جذاب و شنیدنی با ما همراه باشید.
توربو شارژ چیست
توربو شارژ چیست؟ در واقع اصطلاحی است که معمولا به خودروهایی با موتورهای بهینه شده و قدرتمند اطلاق می‌شود. به زبان عمومی و در دید عموم توربو شارژ بودن یا سوپر شارژ بودن یک خودرو به این معنی است که قدرت آن نسبت به شرایط معمولی افزایش پیدا کرده و می‌توان با سرعت بالاتری با آن در جاده حرکت کرد. البته هر چند این دیدگاه یک تعریف علمی و فنی برای Turbocharger نیست، اما با این حال می‌توان تا حدی آن را یک تعریف درست برای این اصطلاح در نظر گرفت.
توربوشارژ در واقع یک افزونه اضافی بر روی موتور خودروها است که با ایجاد شرایط خاص باعث بالاتر رفتن سرعت سوخت و ساز و احتراق در آنها شده و از این طریق قدرت موتور را افزایش می‌دهند. با افزایش قدرت موتور راندمان آن افزایش پیدا کرده و در مواردی مانند شتاب صفر تا صد، سرعت بالا و قدرت حرکت نیز شاهد بهبودی شرایط موتور خواهیم بود.
نحوه عملکرد موتور توربوشارژ
برای اینکه بهتر بدانید که توربو شارژ چیست باید درباره نحوه عملکرد آن نیز صحبت کنیم. البته این نشاخت باعث می‌شود تا کمتر نیاز به خرید لوازم یدکی داشته باشید. برای درک نحوه کارکرد موتورهای توربو شارژ باید با نحوه عملکرد موتورهای بنزینی و احتراقی آشنا باشید. در موتورهای بنزینی ترکیب سوخت و هوا در محفظه فلزی به نام سیلندر به احتراق در آمده و در نتیجه این احتراق، پیستون‌ها به سمت بالا پرتاب می‌شوند. این پرتاب در نهایت به انرژی جنبشی لازم برای حرکت چرخ‌ها تبدیل می‌شود. با این توصیف هر چقدر انفجارهای ناشی از ترکیب سوخت و هوا در سیلندر بیشتر و سریع‌تر شود، سرعت حرکت خودرو نیز افزایش پیدا خواهد کرد.
در یک ابتکار در برخی از برندهای خودروسازی برای افزایش سرعت و قدرت موتور خودرو شاهد استفاده از سیلندرهای بیشتر بودیم. با افزایش تعداد سیلندرها بستر لازم برای ترکیب و احتراق سوخت و هوا نیز بیشتر شده و در نتیجه می‌توانیم خودروهایی با قدرت و سرعت بیشتری در اختیار داشته باشیم. با این حساب هر چقدر تعداد سیلندرهای خودرو افزایش پیدا کند، در هر ثانیه شاهد سوختن سوخت بیشتری در آن خواهیم بود.
این ابتکار باعث شد تا کم‌کم شاهد روی کار آمدن خودروهای 6، 8 و حتی 12 سیلندر در بازار باشیم. که البته سیلندرهای بیشتر را اکثر مواقع در خودروهای لوکس و اسپرت شاهد هستیم. اما راه‌حل دیگری نیز برای بالا بردن سرعت و قدرت حرکت خودرو وجود دارد که توربوشارژ نامیده می‌شود.
توربو شارژ چگونه کار میکند
حالا بهتر می‌توانید درک کنید که توربو شارژ چیست و هدف از اضافه شدن این افزونه روی موتور خودروها را نیز بهتر متوجه خواهید شد. توربو شارژ در واقع یکی دیگر از راه‌های بالا بردن سرعت سوخت و ساز در موتور خودروهای احتراقی است. در سیلندر ترکیب مشخصی از نسبت هوا و سوخت می‌سوزند. در صورت افزایش مقدار اکسیژن وارد شده به سیلندر می‌توانیم انتظار سوزاندن سوخت بیشتری را در آن داشته باشیم که این مهم در نهایت منجر به افزایش سرعت و قدرت موتور خواهد شد.
توربو شارژ در واقع یک کمپرسور هوا است که قرار است اکسیژن را با فشار بالا به داخل سیلندر پمپاژ نماید. در خودروهای حاوی این آپشن، هوای داغ خروجی از اگزوز نقش توربین بادی را بازی کرده و این فشار هوا کمپرسور توربو شارژ را به حرکت در می‌آورد. از این طریق هوای اضافی و بیشتری برای سوخت و ساز در سیلندر فراهم می‌شود. وارد شدن هوای اضافی به سیلندر نیز باعث می‌شود تا میزان انرژی بیشتری در هر ثانیه در فرایند احتراق تولید شود. دقیقا همان شرایطی که با افزایش تعداد سیلندرها در موتور خودرو شاهد بودیم.
تفاوت توربوشارژ با سوپر شارژ
سوپر شارژ یکی دیگر از روش‌های بالا بردن راندمان سوخت و ساز در سیلندرها در خودروهای امروزی است. البته بهتر است از عبارت سوپر شارژ مکانیکی به جای سوپر شارژ استفاده کنید. عملکرد اصلی سوپرشارژ تفاوت چندانی با توربوشارژها ندارد. تنها تفاوت اصلی در این دو در نحوه به حرکت درآوردن کمپرسور هوا است. در سوپرشارژ برخلاف توربوها که در آنها از گاز خروجی از اگزوز برای به چرخش در آوردن کمپرسور استفاده می‌شود، از چرخش میل لنگ برای این منظور کمک گرفته می‌شود.
در توربوشارژها در واقع انرژی تلف شده خروجی از اگزوز دوباره به چرخش باز می‌گردد و در نتیجه راندمان موتور به شدت افزایش پیدا میکند. اما در سوپر شارژها با توجه به اینکه انرژی مکانیکی از چرخش میل لنگ به عنوان منبع اصلی تامین انرژی خودرو گرفته می‌شود، شرایط متفاوت خواهد بود.
اجزای توربوشارژ چگونه کار می‌کنند؟
با عملکرد کلی توربوشارژها آشنا شدید و اکنون می‌دانید که نحوه افزایش راندمان موتور در خودروهایی با توربوشارژ چیست. اما سوال بسیار مهم اینجاست که چه اجزایی در این آپشن تعریف شده و هر یک از این اجزا چگونه عمل می‌کنند؟
در توربوشارژها دو فن با یک میله فلزی محوری استفاده می‌شود. فن اول که به عنوان توربین نیز شناخته می‌شود، در جریان خروجی هوا از اگزوز سیلندرها قرار گرفته و در معرض جریان داغ هوا قرار می‌گیرد. برخورد جریان سریع خروجی گاز از اگزوز، این فن را به چرخش در آورده و از چرخش آن محور فلزی متصل و در نتیجه فن دوم که کمپرسور نامیده می‌شود نیز به چرخش در می‌آید. فن دوم در محل ورودی هوا به داخل سیلندرها تعبیه شده و چرخش آن باعث مکش هر چه بیشتر هوا به داخل سیلندر می‌شود.
در چنین شرایطی همه چیز عالی است، به جز اینکه هوای ورودی به سیلندر به دلیل خروج از کمپرسور بسیار گرم بوده و چگالی کمتری خواهد داشت. در نتیجه ممکن است همان عملکرد دقیق مورد انتظار را نداشته باشد. برای رفع این مشکل و سرد کردن هوا قبلا از ورود به سیلندر از یک مبدل حرارتی در توربوشارژها استفاده می‌شود. این مبدل در خروجی کمپرسور یا فن دوم قرار گرفته و هوای ورودی به سیلندرها را خنک میکند.
تصور اشتباهی که درباره عملکرد توربوشارژ وجود دارد این است که در این مدل‌ها عملا گازهای خروجی از اگزوز کاهش پیدا کرده و هوا نیز کمتر آلوده می‌شود. اما این تصور درباره این فناوری اشتباه است و چنین مزیتی را نمی‌توانیم برای آن شاهد باشیم. خیلی از کاربران بر این باور هستند که در توربوشارژ عملا گاز خروجی از اگزوز دوباره به داخل کمپرسور و سیلندر بازگشته و دوباره استفاده می‌شود. اما این نظریه درست نیست. در توربوشارژها گاز خروجی از اگزوز تنها در نقش به چرخش در آوردن فن اول کاربرد داشته و کاربرد دیگری ندارد. بنابراین عملا این گاز خروجی به همان مقدار اولیه خارج خواهد شد.
منبع نیروی اضافی در توربوشارژ
خوب همان طور که در بالا به آن اشاره کردیم، توربوشارژ به صورت مستقیم به محور چرخ‌ها و میل لنگ متصل نمی‌شود و بنابراین نمی‌تواند نیروی مشخص و مستقیم برای افزایش سرعت چرخ‌ها را ایجاد نماید. در نتیجه نباید این اشتباه را نیز درباره این فناوری متصور باشید. در این آپشن عملا تنها هوای ورودی به موتور افزایش پیدا کرده و در نتیجه موتور با راندمان بالاتری احتراق سوخت و هوا را رقم می‌زند. در واقع همان موتور است که قدرت لازم برای چرخش چرخ‌ها را تولید کرده و توربو شارژ تنها در تامین سوخت اولیه لازم برای موتور شرایط بهتری را فراهم می‌آورد.
دقیقا مانند قطارهای قدیمی که برای به حرکت درآوردن و بالا رفتن سرعت آنها باید در محفظه موتور از ذغال سنگ استفاده می‌شود. هر چقدر ذغال بیشتری در این محفظه ریخته می‌شد، سرعت قطار نیز افزایش پیدا می‌کرد. اما در نهایت خود موتور بود که این افزایش سرعت را رقم می‌زد.
حداکثر توان تولید شده توسط توربوشارژ
سوال بسیار مهمی که ممکن است درباره این فناوری ذهن شما را به خود مشغول کرده باشد، حداکثر توان ممکن تولید شده توسط آن خواهد بود. واقعاً انتظار ما از حداکثر توان تولید شده توسط توربوشارژ چیست و چقدر باید منتظر افزایش سرعت و قدرت موتور باشیم؟
اگر به صورت تئوری بخواهیم به عملکرد توربو شارژها نگاه کنیم، عملا با بزرگ‌تر شدن اجزای آن باید انتظار بالاتر رفتن میزان اکسیژن ورودی به داخل سیلندر باشیم که در نهایت می‌تواند احتراق بیشتری را در آن ایجاد کرده و باعث بالاتر رفتن توان تولید شده توسط موتور شود. اما این موضوع نمی‌تواند تا ابد ادامه پیدا کند و محدودیتی برای آن وجود دارد.
اولا اینکه سیلندرها محفظه‌هایی با گنجایش مشخصی دارند و نمی‌توان انتظار به احتراق درآمدن ترکیب سوخت و هوا در موتور یک خودرو سواری یا کراس اور را برابر با موتور یک کامیون یا یدک کش داشته باشیم. این اولین محدودیتی که در این باره وجود دارد. از این گذشته در نهایت مجرای ورودی هوا به داخل سیلندر نیز محدودیت خواهد داشت. قرار نیست تمام هوای موجود در کره زمین در 1 ثانیه از این محفظه وارد سیلندر شود. همچنین مجرای خروجی هوای داغ از سیلندر و اگزوز نیز محدود است. این سه محدودیت در نهایت هر چند در خودروهای مختلف متفاوت است، اما باعث محدود شدن حداکثر توان خروجی از توربوشارژها می‌گردد.
مزایای توربو شارژ
برای شناخت هر چه بیشتر توربو شارژ باید به بررسی مزیت‌ها و معایب آن نیز بپردازیم. در اولین قدم نیز مزیت‌های این فناوری جذاب را با هم مرور می‌کنیم.
- توربو شارژ معمولا محدودیتی در موتورهایی با احتراق مختلف ندارد و از آن می‌توان در انواع وسایل نقلیه با موتورهای بنزینی یا دیزلی استفاده کرد. از این رو هر وسیله نقلیه‌ای با این سیستم احتراق اعم از خودرو، کشتی، قطار، اتوبوس و کامیون می‌تواند میزبان خوبی برای آن باشد.
- در خودروهایی مشابه از نظر تعداد سیلندر و قدرت، نمونه‌ای که توربوشارژ دارد، قدرت و توان بیشتری خواهد داشت. این مهم را می‌توانیم اصلی‌ترین مزیت این فناوری تعریف کنیم.
- اگر بخواهیم دو موتور با قدرت یکسان، یکی با توربو و دیگری بدون توربو را بسازیم؛ نمونه اول بسیار کوچک‌تر و سبک‌تر شده و فضای کمتری را اشغال میکند. اما همان قدرت را تولید خواهد کرد.
- در خودروهای توربو فشار گاز خروجی از اگزوز کاهش پیدا کرده و شاهد ایجاد صدای زیاد در آن نخواهیم بود.
کمپانی‌های خودروسازی می‌توانند به جای تولید یک خودرو با تعداد سیلندرهای بیشتر که باعث افزایش قابل توجه وزن آنها می‌شود، خودروهایی با تعداد سیلندر کمتر اما با آپشن توربو شارژ تولید کنند. به عنوان مثال می‌توان به جای یک موتور V8 از یک موتور V6 توربوشارژ استفاده نمود. یا یک موتور 4 سیلندر توربو می‌تواند جایگزین شایسته‌ای برای موتورهای V6 باشد.
میزان مصرف سوخت در خودروهای توربو شارژ
قبل از بررسی معایب توربو شارژ باید یک نکته بسیار مهم را درباره آن متذکر شویم. وقتی میزان احتراق ناشی از ترکیب سوخت و هوا در سیلندرها افزایش پیدا میکند، اولین تصور ذهنی ما از آن بالاتر رفتن میزان سوخت خواهد بود. بنابراین احتمالا باید اولین عیب موتورهای توربو شارژ را بالا بودن میزان مصرف سوخت در آنها بدانیم که این تصور اشتباه است. چرا؟ توضیح می‌دهیم.
مصرف سوخت یک موتور 4 سیلندر کمتر از یک خودرو با موتور 6 سیلندر است. زیرا در خودروهایی با تعداد سیلندر بیشتر سوخت بیشتری برای مصرف نیاز است و در نهایت سرعت و قدرت بیشتری نیز تولید می‌شود. آیا درست از که ما مصرف سوخت یک خودرو 4 سیلندر با 100 اسب بخار قدرت با یک خودرو 6 سیلندر با 250 اسب بخار قدرت را با هم مقایسه کنیم؟ خیر. زیرا این دو از نظر قدرت شرایط یکسانی ندارند. این موضوع دقیقا برای توربو شارژ نیز به همین ترتیب است. وقتی شما در حال مقایسه یک خودرو 4 سیلندر معمولی با یک خودرو 4 سیلندر توربو شارژ هستید، عملا با توجه به اینکه قدرت این دو موتور یکسان نیست، مقایسه مصرف سوخت آنها نیز درست نخواهد بود.
با توجه به این نکته برای اینکه میزان مصرف سوخت یک خودرو 4 سیلندر توربو شارژ را به درستی درک کنید، باید آن را با یک خودرو 6 سیلندر مقایسه نمایید. در این شرایط متوجه خواهید شد که مصرف سوخت موتورهای توربو به هیچ وجه بالا نیست.
معایب توربو شارژ
خوب حالا نوبت به شناخت معایب توربو شارژ می‌رسد. استفاده از چنین آپشن در خودرو معایبی را نیز به دنبال خواهد داشت که باید آنها را نیز بررسی کنیم. در بررسی میزان مصرف سوخت موتورهای توربو شارژ نکته مهمی را در بند قبلی با هم مرور کردیم. اما لازم به توضیح است که در نمونه‌های اولیه این موتورها شرایط چندان هم ایده‌آل پیش نرفت و مصرف سوخت بیشتری در آنها شاهد بودیم. همین موضوع یکی از اصلی‌ترین دلایل عدم استفاده از این نوع موتورها در بسیاری از خودروهای چند دهه قبل است.
استفاده از توربو شارژ در موتور خودر باعث پیچیده‌تر شدن آن نیز می‌شود. عملا این مهم باعث بالاتر رفتن هزینه‌های نگهداری و البته نیاز به پرداخت هزینه‌های بیشتر برای تعمیر نیز خواهد بود. زیرا این جزء نیز ممکن است با خطر خرابی روبرو شود. همچنین باید متذکر شویم که تعمیر توربوها می‌تواند هزینه‌های بسیار زیادی را روی دست شما باقی بگذارد.
استفاده از توربو شارژ در موتورها باعث بالاتر رفتن دمای محیط آن شده و در نتیجه اگر قطعات در مجاورت دمای بالا قرار خواهند داشت. همچنین هوای فشرده نیز فشار هوا را نیز در مجاورت آنها افزایش می‌دهد. به همین جهت احتمال خرابی قطعات مختلف و استهلاک بالای آنها نیز در چنین خودروهایی بیشتر خواهد بود. بنابراین ممکن است بیشتر از حد معمول نیاز به خرید لوازم یدکی برای خودرو خود داشته باشید.
رانندگی با توربوها ممکن است کمی شما را اذیت کند. البته در نمونه‌های قدیمی‌تر؛ زیرا در مدل‌های به روزتر شاهد استفاده از تکنیک‌هایی برای رفع این مشکل هستیم. با توجه به اینکه توربو شارژ قدرت خود را از گاز خروجی از اگزوز می‌گیرد، به همین دلیل کمی باید از احتراق اولیه موتور گذشته باشد. به همین جهت قدرت توربو با کمی تاخیر در خودرو مورد استفاده قرار خواهد گرفت و این می‌تواند یک تفاوت فاحش را در رانندگی با این خودروها با خودروهاای معمولی ایجاد کند. این مهم با اصلاح تاخیر توربو یا turbo lag در این خودروها معروف است.
بالا رفتن قیمت خودروهای توربو شارژ نیز یکی دیگر از معایب این فناوری است. همین موضوع باعث شده تا بسیاری از خودروهای تولیدی توسط کمپانی‌های بزرگ در حال حاضر توربو نباشند. همچنین استفاده از انواع سیستم ایمنی خودرو نیز چنین شرایطی را برای بسیاری از خودروهای امروزی فراهم آورده است.
داستان اختراع توربوشارژ
سعی کردیم تا شما را به صورت کاملا تخصصی ولی با زبان ساده با ماهیت توربو شارژها آشنا کنیم. حالا به خوبی می‌دانید که توربو شارژ چیست و چگونه عمل میکند. حالا بیایید کمی اطلاعات عمومی اما مفید را نیز درباره این فناوری مرور کنیم. آقای مهندس آلفرد جی. بوچی (Alfred J. Büchi) احتمالا اولین کسی است که بابت این اختراع باید از وی تشکر کنیم. وی یک مهندس خودرو سوئیسی بود که در سال‌های قبل از جنگ جهانی اول و در حوالی سال 1905 در آلمان به ثبت رساند. البته نمونه‌های اولیه با ایرادات و مشکلات زیادی روبرو بود. وی در طول سال‌های عمر خود تلاش زیادی برای ارتقاء این سیستم نمود.
توربو در ماشین به چه معناست؟
توربو شارژ در برخی منابع فرهنگ لغت فارسی پرخوران ترجمه شده است. این اصطلاح در واقع شرایطی را تشریح می‌نماید که در آن حجم موتور ثابت باقی مانده، اما حجم سوخت و هوای ورودی به آن به حالت فشرده افزایش پیدا می‌نماید. در واقع سامانه‌ای که در موتورهای درون سوز هوای فشرده را وارد سیلندرها می‌نماید تا نسبت ترکیب سوخت و هوا افزایش پیدا نموده و در نتیجه شاهد بالا رفتن راندمان موتور باشیم، همان توربو در ماشین است.
جمع‌بندی
اکنون به صورت کامل و جامع می‌دانید که توربو شارژ چیست و چه مزیت‌ها و معایبی دارد. حالا در پایان شما را دعوت می‌کنیم تا از این پس درباره این نوع خودروها و موتورها به صورت کاملا تخصصی و حرفه‌ای نظر بدهید و با تصورات اشتباه درباره آن صحبت نکنید. همچنین اگر از چنین خودروهایی استفاده می‌کنید، حتما تمهیدات ویژه‌ای برای نگهداری هر چه بهتر از آنها نیز در نظر بگیرید.
