توربوشارژر

توربوشارژر یا پرخوران (به انگلیسی: Turbocharger) و در اصطلاح عامیانه توربو، سیستمی کمکی است که با تزریق هوای بیشتر به محفظه احتراق، توان خروجی و راندمان موتورهای درون‌سوز را افزایش می‌دهد.

نمای برش خورده یک توربوشارژر با یاتاقان هوا-فویلی. گازهای خروجی اگزوز وارد محفظه سیاه رنگ سمت چپ شده و قبل از خروج، چرخ پروانه را با سرعت می چرخانند. این چرخ پروانه به پروانه سمت راست کوپل بوده و باعث چرخیدن آن و در نتیجه مکش هوا توسط آن می شود.

در گذشته این وسیله توربوسوپرشارژر نامیده می‌شد چرا که تمام دستگاه‌هایی القای اجباری توربوشارژر خوانده می‌شدند. امروزه از واژه «سوپرشارژر» فقط برای دستگاه‌های القای اجباری مکانیکی استفاده می‌شود. تفاوت اساسی «سوپرشارژر» و «توربوشارژر» این است که سوپرشارژر به صورت مکانیکی و توسط یک تسمه کوپل شده به میل لنگ، توسط موتور چرخانده می‌شود، در حالیکه توربوشارژر توسط گازهای خروجی (اگزوز) به حرکت در می‌آید. توربوشارژر در مقایسه با سوپرشارژر راندمان بالاتری دارد اما واکنش پذیری آن کمتر است. توین‌شارژر (به انگلیسی: Twincharger) موتوری است که شامل هر دو تجهیز «سوپرشارژر» و «توربوشارژر» باشد.

توربوشارژر یک موتور کامیون در نمایشگاه

توربو شارژر توسط مهندس مکانیک سوئیسی آلفرد بوچی، اختراع و مورد استفاده قرار گرفت. اصلی‌ترین چالش برای اختراع توربو شارژر، تولید موتورهایی با ابعاد کوچک و وزن کمتر با قدرت بیشتر بود. بدین منظور توربینی ساخته شد تا انرژی (تلف شده) حاصل از خروج دود از اگزوز را به صورت بهینه مورد استفاده قرار دهد.

تاریخچه

استفاده از سیستم توربوشارژر به اواخر قرن ۱۹ میلادی بازمی‌گردد. اولین نمونه‌های مجهز به این تکنولوژی توسط گوتلیب دایملر (Gottlieb Daimler) به کار گرفته شدند. اولین سیستم توربوشارژر نیز توسط مهندس سوییسی آلفرد بوچی (Alfred Buchi) در دهه ۱۹۰۰ اختراع شد. اما اولین استفاده از این سیستم در دهه ۱۹۲۰ میلادی و در موتورهای ۱۲ سیلندر خورجینی هواپیماها اتفاق افتاد.

از اولین خودروهای سواری نیز که از این سیستم استفاده نمودند می‌توان به نمونه‌هایی مانند شورولت کورویر مونزا (Chevrolet Corvair Monza) و الدزموبیل جت فایر (Oldsmobile Jetfire) در دهه ۱۹۶۰ میلادی اشاره کرد.

این سیستم در موتورهای دیزل و گازوئیلی نیز قدمتی طولانی داشته و اولین بار شرکت مان (MAN) کشور آلمان در مدل MK۲۶ خود در دهه‌های ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰ میلادی از موتورهای توربو دیزل استفاده نمود. در حال حاضر بیشتر موتورهای گازوئیلی کامیون‌ها از این سیستم برای افزایش قدرت تولیدی موتور خود و کاهش مصرف سوخت و بهینه‌سازی کلی عملکرد پیشرانه استفاده می‌کنند.

عملکرد

به زبان ساده توربوشارژر یک موتور مکانیکی بوده که میزان هوای ورودی به داخل موتور را افزایش می‌دهد. این دستگاه از دو بخش اصلی متصل به هم تشکیل شده که با هماهنگی همدیگر، حجم و فشار هوای ورودی به محفظه سیلندر را افزایش داده و در نهایت موجب افزایش قدرت کلی موتور می‌گردند. این دو بخش فن مانند عبارتند از:

1. توربین (Turbine)
2. کمپرسور (Compressor)

توربین به اگزوز (بخش خروجی موتور نه خروجی اگزوز در بخش انتهایی خودرو) متصل بوده و کمپرسور به ورودی‌های هوای موتور. جریان هوای خروجی موتور یا اگزوز موجب چرخش پروانه‌های توربین شده و گردش توربین، کمپرسور را به حرکت درمی‌آورد. گردش کمپرسور نیز موجب شده که هوای بیشتری به داخل موتور پمپاژ گردد. هوای بیشتر با سوخت بیشتر مخلوط شده و در نتیجه کارایی موتور را افزایش می‌دهد.

نمایش محل نصب اینترکولر

البته با توجه به دمای بسیار بالاتر هوای خروجی از سیستم اگزوز، در بسیاری از موتورهای توربو از یک سیستم خنک‌کننده کمکی به نام اینترکولر (Intercooler) نیز استفاده شده که با کاهش دمای هوا، مانع از بالا رفتن دمای کلی موتور و توربوشارژر و آسیب رسیدن به این سیستم و احتراق زود هنگام سوخت در سیلندر می‌گردد.

این وسیله از دو توربین که توسط یک شفت به هم متصل شده‌اند، ساخته شده‌است. یک توربین مستقیماً متصل به منیفولد دود است و توربین دیگری به وسیله لولهٔ رابط به منیفولد هوا متصل است. چون هوای ایجاد شده بشدت داغ می‌باشد٬ قبل از ورود به سیلندر جهت احتراق ٬در اثر ترکیب با بنزین پای یک توربوشارژر برقی یا یک سوپرشارژر دیگر را نیز به وسط می‌کشند. بدین صورت که، این توربوشارژر و سوپرشارژر در دور موتور پایین مورد استفاده قرار می‌گیرند و دو توربوشارژر دیگر، هر دو هم‌زمان در دور موتور بالا با قدرت هرچه تمام تر به یاری موتور خودرو آمده و نیروی زیادی تولید می‌کنند. البته توربوشارژر چون از خروجی موتور نیرو می‌گیرد پس در نتیجه خود مانعی در برابر خروج دود می‌شود و بدین منظور برای خارج شدن هرچه بهتر دود از هِدر دود استفاده می‌کنند. هدر متشکل از چند لوله با ابعاد و آلیاژ خاص است که بر روی منیفولد دود نصب می‌شود. لازم است ذکر شود که قطعات تشکیل دهنده موتورهای دارای توربوشارژر شامل پیستون، شاتون٫ میل لنگ، ترموستات و.. دارای آلیاژ (مقاوم) متفاوتی می‌باشند.

البته نوع دیگری تیونینگ تحت عنوان توربواکسپندر نیز به شکل محدودتر برای افزایش قدرت موتور استفاده می‌گردد که مکانیزم آن خنک کردن هوای قبل از ورود به موتور است که باعث متراکم شدن هوا و ورود اکسیژن بیشتر به موتور می‌شود که نمونه‌های بلو کر از انواع همین نوع از تیونینگ هستند.

مزایای استفاده از توربوشارژر

۱- قدرت موتور به طرز قابل توجهی زیاد می شود و می توان از موتورهای با حجم کوچک، قدرت های بالایی گرفت.

۲- مصرف سوخت کاهش پیدا می کند.

دلیل عامیانه اش این است که چون قدرت موتور افزایش پیدا کرده پس لازم نیست زیاد تخته گاز رانندگی کرد و رانندگی در دورهای پایین باعث کاهش مصرف سوخت می شود.

۳- راندمان توربوشارژر از سوپرشارژر بیشتر است، چون انرژی مورد نیاز خود را از گازهای خروجی از موتور می گیرد نه خود موتور و در نتیجه هیچ اتلاف انرژی وجود ندارد.

۴- استفاده از توربو شارژر باعث کاهش آلایندگی می شود.

برای مثال سمند سورن توربوشارژ استاندارد D مصرف آلایندگی را دارد، در حالی برای سمند سورن معمولی این استاندارد E است.

معایب استفاده از توربوشارژر

۱- در توربوشارژرها زمانی طول می کشد تا سرعت چرخش توربینِ توربوشارژر به جایی برسد تا بتواند بوستِ قابل استفاده برای پیشرانه تولید کند.

این موضوع سببِ ایجاد تاخیر توربو می شود و این مسئله در سوپرشارژرها وجود ندارد.

۲- یک عیب دیگر این است که این بوست در دور موتورهای محدودی در اختیار راننده قرار می گیرد و از شروع حرکت در دسترس نیست.

مثلا توربوشارژر خودرو سورن در دور حدود ۲۲۰۰ وارد مدار می شود.

البته خودروسازان در توربوهای به روز، این دور را پایین تر هم آورده اند.

۳- از دیگر معایب توربوشارژر دمای بالای آنهاست.

منبع تامین انرژی، گازهای داغ خروجی از موتور است که از اینترکولر برای خنک کردن این هوا استفاده می شود.

ولی در هر حال در دمای نسبتا بیشتری نسبت به سوپرشارژرها کار می کنند.

توانایی‌های موتور توربو

موتور توربو یا مجهز به سیستم توربوشارژر قدرت بیشتری از نمونه بدون استفاده از این سیستم تولید نموده و در نتیجه مصرف سوخت کمتری نسبت به توان و اسب بخار تولید شده خواهد داشت. قدرت بیشتر موجب افزایش قابلیت‌های دینامیکی خودرو شده و شتاب‌گیری و سرعت خودرو را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. در حال حاضر این موتورها عمومیت بیشتری پیدا کرده و به دلیل خواص دوگانه خود، بسیاری از خودروسازان معتبر جهان دست به استفاده از آن در پیشرانه خودروهای تولیدی خود زده‌اند.

به دلیل تولید نیروی بیشتر، این قابلیت وجود داشته که موتورهای کوچک‌تری با توانایی مشابه طراحی و ساخته شوند. موتور کوچک‌تر با حجم موتور پایین‌تر نیز با کاهش وزن، شتاب خودرو را افزایش داده و رانندگی لذت بخش‌تری را برای راننده و سرنشینان رقم می‌زنند. اما در کنار افزایش توانایی‌های حرکتی، به همان دلایل مصرف سوخت نیز کاهش یافته و توانایی پیمودن مسافتی بیشتر را با میزان سوخت یکسان به خودرو می‌دهند.

در واقع استفاده از توربوشارژر یا موتور توربو خودروی شما را به دو پیشرانه مجازی با عملکرد متفاوت مجهز خواهد کرد؛ یک پیشرانه کوچک و کم مصرف برای رانندگی در خیابان‌ها عادی و جابجایی‌های روزمره و یک موتور قدرتمند برای استفاده از حداکثر توانایی‌ها و سبقت گرفتن سریع و شتابگیری‌های ناگهانی.

مقایسه موتور توربو با موتور تنفس طبیعی

بر اساس آمار و ارقام منتشر شده در وب‌سایت ایران خودرو، دنا پلاس عادی از یک موتور ۴ سیلندر ۱٫۷ لیتری استفاده می‌کند. این موتور با سیستم تنفس طبیعی و حجم دقیق ۱٫۶۴۶ سی سی، توانایی تولید نیرویی در حدود ۱۱۵ اسب بخار در دور موتور ۶٫۰۰۰ دور در دقیقه را داشته و حداکثر گشتاور تولیدی آن نیز رقمی در حدود ۱۵۷ نیوتون متر بوده که در دور ۴٫۵۰۰ دور در دقیقه در اختیار راننده قرار می‌گیرد.

موتور ۴ سیلندر موجود در دنا پلاس توربو یک نمونه ۱٫۷ لیتری مجهز به سیستم توربوشارژر بوده که با حجم دقیق ۱٫۶۵۰ سی سی، توانایی تولید نیرویی در حدود ۱۵۰ اسب بخار در دور موتور ۵٫۵۰۰ دور دقیقه را داشته و حداکثر گشتاور تولیدی نیز برابر با ۲۱۵ نیوتون متر بوده که از دور موتور ۲٫۲۰۰ دور در دقیقه در اختیار راننده قرار می‌گیرد.

در مورد هایما S7 نیز شاهد نتایجی مشابه خواهیم بود. هایما عادی با استفاده از موتور ۴ سیلندر ۲٫۰ خود توانایی تولید نیرویی در حدود ۱۴۸ اسب بخار و حداکثر گشتاور تولیدی ۱۸۰ نیوتون متر را دارد. اما در هایما S7 توربو، موتور ۴ سیلندر ۱٫۸ لیتری نیرویی در حدود ۱۷۰ اسب بخار و حداکثر گشتاور تولیدی ۲۳۰ نیوتون متر را در اختیار راننده قرار می‌دهد. شتاب اولیه نیز با استفاده از موتور عادی ۴ سیلندر ۲٫۰ لیتری در حدود ۱۸ ثانیه بوده که با استفاده از سیستم توربوشارژر در مدل S7 توربو به رقمی در حدود ۱۰ ثانیه کاهش می‌یابد. به این ترتیب این خودرو نیز یکی دیگر از نمونه‌های بارز تفاوت موتورهای توربو با موتورهای تنفس طبیعی و استاندارد به حساب خواهد آمد.

نمونه‌ای از خودروهای مجهز به سیستم توربوشارژر

هیوندای آی۳۰ان

این خودرو از یک موتور ۴ سیلندر ۲٫۰ لیتری استفاده کرده که توانایی تولید نیرویی در حدود ۲۷۹ اسب بخار و حداکثر گشتاور تولیدی ۳۵۳ نیوتون متر را دارد. با استفاده از این پیشرانه هیوندای i30N مدل ۲۰۱۸ به عنوان اولین هات هچ شرکت هیوندای، به زمانی تنها در حدود ۶٫۱ ثانیه برای رسیدن از حالت سکون به سرعت ۱۰۰ کیلومتر در ساعت نیاز دارد.

میزان استفاده از سوخت نیز بسیار پایین بوده و این خودرو مصرفی در حدود ۹٫۷ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر مسیر شهری، ۵٫۷ لیتر در مسیرهای بزرگراهی و ۷٫۱ لیتر به صورت میانگین بوده که برای خودرویی با توانایی تولید نیرویی در حدود ۲۸۰ اسب بخار، رقمی قابل توجه به حساب می‌آید.

فولکس واگن گلف GTi

فولکس واگن گلف GTi نیز به عنوان محبوب‌ترین هات هچ جهان از موتور مجهز به سیستم توربوشارژر استفاده می‌کند. پیشرانه ۴ سیلندر ۲٫۰ لیتری موجود در این خودرو توانایی تولید نیرویی در حدود ۲۲۰ اسب بخار و حداکثر گشتاور تولیدی در حدود ۳۵۰ نیوتون متر را داشته که شتاب اولیه‌ای در حدود ۵٫۹ ثانیه را برای فولکس واگن گلف GTi رقم می‌زند.

مصرف سوخت نیز بسیار پایین‌تر از توان بوده و این خودرو با مصرفی در حدود ۹٫۸ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر مسیر شهری، ۶٫۹ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر مسیر بزرگراهی و ۸٫۴ لیتر به صورت میانگین هنوز یک خودروی با مصرف بنزین قابل قبول به حساب می‌آید.

فورد فوکوس مدل آراس

این خودرو نیز یکی دیگر از هاچ بک‌های اسپرت موجود در بازار بوده که با استفاده از موتور ۴ سیلندر ۲٫۳ لیتری خود و بهره‌گیری از سیستم توربوشارژر نیرویی در حدود ۳۵۰ اسب بخار و حداکثر گشتاوری در حدود ۴۷۰ نیوتون متر را در اختیار راننده قرار می‌دهد. با این پیشرانه فورد فوکوس RS با شتاب اولیه ۴٫۶ ثانیه برای رسیدن از حالت سکون به سرعت ۱۰۰ کیلومتر در ساعت و حداکثر سرعت ۲۶۵ کیلومتر در ساعت، یک سوپر اسپرت ارزان‌قیمت ۴۰٫۰۰۰ دلاری به حساب می‌آید.

میزان مصرف سوخت نیز نسبت به قدرت ۳۵۰ اسب بخاری ناچیز بوده و با ۱۲٫۴ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر مسیر شهری، ۹٫۴ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر مسیر بزرگراهی و ۱۰٫۷ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر به صورت میانگین، فورد فوکوس RS یک خودروی اسپرت با مصرف قابل قبول به حساب می‌آید.

هوندا سیویک Type-R

یکی دیگر از خودروهای با قیمت متعادل و قدرتمند موجود در بازارهای جهانی، هوندا سیویک مدل Type-R است. این خودرو با استفاده از یک موتور توربو ۴ سیلندر ۲٫۰ لیتری نصب شده، توانایی تولید نیرویی در حدود ۳۰۶ اسب بخار و حداکثر گشتاور تولیدی ۴۰۰ نیوتون‌متر را دارد. هوندا سیویک تیپ آر با استفاده از این موتور در عرض تنها ۴٫۹ ثانیه از حالت سکون به سرعت ۱۰۰ کیلومتر در ساعت رسیده و توانایی دستیابی به حداکثر سرعتی در حدود ۱۷۰ مایل در ساعت ﴿معادل ۲۷۴ کیلومتر در ساعت﴾ را دارد.

مصرف سوخت نیز مشابه با سایر خودروهای قدرتمند کوچک، نسبت به قدرت و گشتاور حاصله پایین بوده و برابر با ۱۰٫۷ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر مسیر شهری، ۸٫۴ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر مسیر بزرگراهی و ۹٫۴ لیتر به صورت میانگین بوده‌است.

پانویس

• تکنولوژی بلوکر یا توربو اکسپندر خودرو

جستارهای وابسته

• سوپرشارژر
• توربواکسپندر