یکی از مهم‌ترین فناوری‌هایی که در دهه‌های اخیر برای افزایش توان، کاهش مصرف سوخت و بهبود راندمان موتورهای احتراق داخلی توسعه یافته، انواع سیستم توربوشارژر بوده است. اگر برایتان سوال است که توربو شارژ چیست؟ باید بگوییم توربو شارژر (Turbocharges) یک سامانه کمکی به شمار می‌رود که با بهره‌گیری از انرژی گازهای خروجی موتور که پیش از این به هدر می‌رفت، هوای فشرده بیشتری را به داخل سیلندرها هدایت می‌کند و از این طریق قدرت و کارایی موتور را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. در ادامه این مطلب به بررسی اصول کارکرد توربوشارژ، اجزای تشکیل‌دهنده آن، مزایا و معایب آن و تأثیر آن روی مصرف سوخت خواهیم پرداخت.
موتور توربو شارژ چیست؟
توربو ماشین چیست؟ موتور توربوشارژ نوعی موتور احتراق داخلی است که به کمک یک سیستم کمکی به نام توربوشارژر، عملکرد و قدرت خود را به طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. توربوشارژر با استفاده از انرژی گازهای خروجی موتور، هوای بیشتری را با فشار بالا به داخل سیلندرها می‌فرستد. این کار باعث می‌شود حجم بیشتری از هوا و اکسیژن وارد محفظه احتراق شود و در نتیجه سوخت بیشتری نیز بسوزد. این فرایند منجر به افزایش توان خروجی موتور بدون نیاز به افزایش حجم یا اندازه آن می‌شود.
توربو یعنی چه؟ (معنی توربو در ماشین)
«توربو» در ماشین یعنی خودرو توربوشارژر دارد. واژه از ریشه‌ای لاتین به معنی چرخش یا گرداب می‌آید و به چرخ پره‌دار توربین اشاره دارد. وقتی روی خودرویی عبارت Turbo نوشته شده، یعنی موتور آن با هوای فشرده کار می‌کند و قدرتش از نسخه بدون توربو بیشتر است.
اجزای تشکیل‌دهنده موتور توربو شارژر
اجزای اصلی تشکیل‌دهنده موتور توربو شارژ عبارت‌اند از:
- توربین: این قطعه انرژی گازهای خروجی موتور را دریافت و آن را به نیروی چرخشی تبدیل می‌کند. توربین معمولاً از مواد مقاوم در برابر حرارت ساخته می‌شود تا بتواند دماهای بالا را تحمل کند.
- کمپرسور: کمپرسور وظیفه فشرده‌سازی هوای ورودی به موتور را بر عهده دارد. هوای فشرده شده به سیلندرها وارد شده و موجب افزایش قدرت و راندمان موتور می‌گردد.
- شفت میانی: این قطعه توربین و کمپرسور را به هم متصل و انرژی چرخشی (مکانیکی) تولید شده توسط توربین را به کمپرسور منتقل می‌کند.
- اینترکولر: یک مبدل حرارتی (رادیاتور کوچک) که بین کمپرسور و منیفولد ورودی قرار می‌گیرد و هوای فشرده شده توسط توربو را خنک می‌کند.
- هوزینگ (محفظه): پوسته‌های حلزونی شکل که توربین و کمپرسور را در بر می‌گیرند و جریان هوا و گاز را هدایت می‌کنند.
- یاتاقان‌ها: قطعاتی که شفت توربین و کمپرسور را نگه داشته و امکان چرخش با سرعت بالا را فراهم می‌کنند. این یاتاقان‌ها معمولاً با روغن‌موتور روانکاری می‌شوند.
- آب‌بندها (سیل‌ها): قطعاتی که از نشت روغن به داخل محفظه‌های کمپرسور و توربین و همچنین نشت گازهای خروجی جلوگیری می‌کنند.
- وست گیت: یک شیر کنترلی که در مسیر گازهای خروجی قبل از توربین قرار می‌گیرد و با باز شدن در فشارهای بالا، از چرخش بیش از حد توربین و افزایش بیش از حد بوست (فشار هوای فشرده) جلوگیری می‌کند.
- بلوآف والو (Blow-off Valve) یا دیورتر ولو: شیری که در مسیر هوای فشرده بین کمپرسور و منیفولد ورودی قرار می‌گیرد و هنگام بسته‌شدن ناگهانی دریچه گاز، هوای فشرده اضافی را تخلیه می‌کند تا از آسیب‌دیدن توربو و ایجاد پدیده موج فشاری جلوگیری شود.
- لوله و اتصالات: لوله‌ها و اتصالات مختلفی که هوا و گازهای خروجی را به داخل و خارج از توربو هدایت می‌کنند.
مطالعه بیشتر: سیستم احتراق خودرو و اجزای تشکیل دهنده آن
توربو شارژ چگونه کار می‌کند؟
توربو شارژر از دو بخش اصلی توربین و کمپرسور تشکیل شده است که توسط یک شفت به هم متصل هستند. گازهای داغ خروجی از سیلندرها وارد توربین می‌شوند و باعث چرخش آن می‌گردند. این چرخش از طریق شفت به کمپرسور منتقل می‌شود تا هوای ورودی به موتور فشرده و متراکم شود. نتیجه این فرایند، احتراق بهتر، تولید قدرت بیشتر و مصرف سوخت بهینه‌تر خواهد بود.
به طور خلاصه، توربوشارژر با “بازیافت” انرژی تلف شده گازهای خروجی، هوای بیشتری را به موتور می‌رساند و باعث افزایش راندمان و قدرت آن می‌شود. این فرایند به‌نوعی “تنفس مصنوعی” برای موتور محسوب می‌شود و به همین دلیل به آن “پرخورانی” یا “forced induction” نیز می‌گویند.
توربو شارژ چقدر قدرت موتور را افزایش می‌دهد؟
در خودروهای سواری معمول، با بوست حدود ۰٫۵ تا ۱ بار، توان یک موتور نسبت به نسخه بدون توربوی همان موتور تقریباً ۳۰ تا ۵۰ درصد بیشتر می‌شود. عدد دقیق به طراحی موتور، کیفیت اینترکولر و تنظیم ECU بستگی دارد.
برای نمونه، موتور ۲٫۰ لیتری بدون توربو با ۱۵۰ اسب‌بخار، با بوست حدود ۰٫۷ بار می‌تواند به محدوده ۲۰۰ تا ۲۳۰ اسب‌بخار برسد. این رقم تقریبی است و ظرفیت تحمل پیستون، دنده و گیربکس هم باید در نظر گرفته شود. افزایش بوست فقط با تعویض توربو و تغییر نقشه ECU ممکن نیست، چون بدون تقویت اجزای دیگر عمر موتور کم می‌شود.
در دفترچه خودرو یا مشخصات فنی، «اسب‌بخار» را همراه با «دور موتور» ببینید. موتور توربو معمولاً گشتاور بیشینه‌اش را از دور پایین (حدود ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ دور) تحویل می‌دهد و این چیزی است که در رانندگی شهری حس می‌شود.
تاریخچه موتور توربو شارژ
الفرد بوشی (Alfred Büchi)، مهندس سوئیسی، در سال ۱۹۰۵ توربوشارژر کاربردی را به ثبت رساند. ایده شارژ اجباری پیش‌تر در اواخر قرن نوزدهم توسط گوتلیب دایملر مطرح شده بود. اولین خودروهای سواری توربو در سال ۱۹۶۲ عرضه شدند.
بوشی ایده را روی موتورهای دیزلی بزرگ آزمایش کرد و در سال ۱۹۲۵ موتورهای دیزل توربودار کشتی‌ها با افزایش قابل‌توجه توان به کار رفتند. در جنگ جهانی دوم، توربوشارژر روی هواپیماهای نظامی مثل بمب‌افکن‌های بی-۱۷ برای جبران رقیق شدن هوا در ارتفاع به کار رفت. در دهه ۱۹۳۰ نمونه‌هایی هم روی کامیون‌های دیزلی دیده شد.
در سال ۱۹۶۲ دو خودروی تولیدی، الدزمبیل جتفایر و شورولت کورویر مونزا اسپایدر، با توربو معرفی شدند. مشکلات فنی و قابلیت اطمینان پایین باعث شد این مدل‌ها عمر کوتاهی داشته باشند. در دهه ۱۹۷۰ بی‌ام‌و ۲۰۰۲ توربو (۱۹۷۳) و پورشه ۹۱۱ توربو (۱۹۷۴) این فناوری را در خودروهای اسپورت مطرح کردند. سعاب ۹۹ توربو (۱۹۷۸) نشان داد توربو برای خودروی روزمره هم مناسب است.
از دهه ۲۰۰۰ به بعد، سخت‌تر شدن استانداردهای مصرف سوخت و آلایندگی باعث شد خودروسازان به داون‌سایزینگ روی بیاورند. امروز توربو در بخش بزرگی از خودروهای جدید، بنزینی و دیزلی، استاندارد شده است.
انواع توربو شارژر کدام‌اند؟
انواع توربوشارژرها بر اساس طراحی، عملکرد و کاربرد به چند دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
- توربوشارژر تکی یا معمولی (Single Turbo): رایج‌ترین و ساده‌ترین نوع توربوشارژر که تنها یک واحد توربو دارد و بسته به‌اندازه، می‌تواند برای افزایش قدرت در دور موتور بالا یا پایین بهینه شود.
- توربوشارژر دوگانه یا دوقلو (Twin Turbo): شامل دو توربوشارژر که معمولاً یکی برای دور پایین و دیگری برای دور بالا به کار می‌رود. این نوع به دو صورت موازی (هر توربو برای یک مجموعه سیلندر) یا متوالی (یکی پس از دیگری فعال می‌شود) استفاده می‌شود.
- توربوشارژر دوقلو اسکرول (Twin-Scroll Turbo): دارای دو مسیر مجزا برای ورود گازهای خروجی به توربین است که باعث بهبود پاسخ‌دهی و کاهش تأخیر توربو (Turbo Lag) می‌شود. این نوع معمولاً در موتورهای چهارسیلندر یا V6 کاربرد دارد.
- توربوشارژرهای تنظیم شونده یا توربوشارژر با هندسه متغیر (Variable Geometry Turbocharger – VGT): مجهز به پره‌های متحرک که زاویه و ارتفاع آن‌ها بسته به شرایط کاری موتور تغییر می‌کند و باعث بهبود عملکرد در دورهای مختلف موتور می‌شود.
- توربوشارژر برقی (Electric Turbo): در این نوع، یک موتور الکتریکی بدون نیاز به گازهای خروجی به توربو کمک می‌کند تا تأخیر توربو کاهش یابد و پاسخ‌دهی سریع‌تر شود.
- توربوشارژر ضربانی و حلزونی: این دو نوع بر اساس نحوه هدایت گازهای خروجی به توربین تقسیم‌بندی می‌شوند. در نوع ضربانی از ضربات گازهای خروجی بهره می‌برند و در نوع حلزونی، مسیر گازها به شکل حلزونی طراحی شده است تا انرژی بیشتری به توربین منتقل شود.
- توربوشارژرهای با سرعت بالا (High-Speed Turbochargers): این نوع توربوها برای کار در شرایط بسیار سخت با دماها و فشارهای بسیار بالا طراحی شده‌اند. سرعت چرخش پره‌ها در این توربوها می‌تواند به حدی برسد که سرعت جریان هوا در برخی نقاط از سرعت صوت نیز فراتر رود.
مزایای استفاده از موتور توربو شارژ
9 مزیت مهم استفاده از موتور توربوشارژ عبارت‌اند از:
- افزایش چشمگیر قدرت موتور و راندمان بدون نیاز به افزایش حجم موتور
- کاهش مصرف سوخت با حفظ یا افزایش توان موتور
- کاهش آلایندگی و انتشار گازهای مضر
- عملکرد بهتر موتور در ارتفاعات بالا به دلیل جبران کمبود اکسیژن
- امکان استفاده از موتورهای کوچک‌تر و سبک‌تر با حفظ قدرت بالا
- گشتاور بالاتر در دورهای پایین و شتاب‌گیری بهت
- کاهش صدای موتور نسبت به برخی پیشرانه‌های سنتی
- استفاده در انواع خودروها و موتورهای بنزینی و دیزلی (همه چیز در رابطه با تفاوت موتور بنزینی و دیزلی)
- جلوگیری از هدررفت انرژی با استفاده از گازهای خروجی
معایب استفاده از موتور توربو شارژ
6 تا از مهم‌ترین معایب موتورهای توربوشارژر عبارت‌اند از:
- تأخیر توربو (Turbo Lag) یعنی زمان‌بر بودن رسیدن به فشار و قدرت مطلوب پس از فشردن پدال گاز
- دمای بالای عملکرد و نیاز به مدیریت حرارتی مناسب
- هزینه بالای تعمیر و نگهداری و حساسیت بیشتر نسبت به موتورهای معمولی
- احتمال افزایش مصرف سوخت در صورت استفاده مداوم از قدرت بال
- طول عمر کمتر به دلیل فشار و حرارت زیاد وارد بر اجزا
- در برخی شرایط، افزایش آلایندگی به‌ویژه در صورت تنظیم یا نگهداری نامناسب
چگونه با موتور مجهز به توربو شارژر رانندگی کنیم؟
ابتدا پس از روشن‌کردن خودرو، چند دقیقه با دور موتور پایین و حرکت آرام رانندگی کنید تا روغن‌موتور به‌خوبی به توربوشارژر برسد و قطعات به‌تدریج گرم شوند. هنگام رانندگی عادی، با ملایم‌ترین فشار روی پدال گاز حرکت کرده و از واردکردن فشار زیاد و ناگهانی به موتور خودداری نمایید. همچنین هنگام سبقت یا حرکت در سربالایی، از دنده سنگین‌تر استفاده کنید تا فشار کمتری به توربو وارد شود و شتاب‌گیری بهینه‌تری داشته باشید. پیش از خاموش‌کردن خودرو هم از گاز دادن ناگهانی خودداری کنید. در ضمن پس از رانندگی سنگین یا طولانی، اجازه دهید موتور حدود ۳۰ ثانیه درجا کار کند تا توربو خنک شود، سپس خودرو را خاموش کنید. همچنین، از گاز دادن قبل از خاموش‌کردن خودرو خودداری کنید.
روش نگهداری موتور توربو شارژ
روش نگهداری موتور توربو شارژ به‌صورت صحیح و رعایت برخی اقدامات ساده، می‌توانید عمر و کارایی موتور توربو شارژ را به طور قابل‌توجهی افزایش دهید، از جمله:
- استفاده از روغن‌موتور باکیفیت و تعویض منظم آن طبق توصیه سازنده
- گرم‌کردن موتور پیش از رانندگی و پرهیز از فشار زیاد در حالت سرد
- استفاده از سوخت با اکتان بالا و ترجیحاً بنزین سوپر
- تعویض منظم فیلتر هوا و روغن
- پرهیز از خاموش‌کردن سریع موتور پس از رانندگی سنگین (اجازه دهید توربو خنک شود)
- بررسی منظم علائم خرابی توربو شارژ و سیستم‌های مرتبط مانند تهویه، اگزوز و اینتر کولر
- پرهیز از شتاب‌گیری ناگهانی و رانندگی پر فشار به‌صورت مداوم
- رعایت سرویس‌های دورهای و توجه به توصیه‌های دفترچه راهنمای خودرو
- استفاده از قطعات و لوازم‌یدکی اصلی و باکیفیت
سخن پایانی
توربوشارژرها با بهره‌گیری از فناوری پیشرفته، نقش مهمی در افزایش قدرت، بهبود راندمان سوخت و کاهش آلایندگی موتورهای امروزی ایفا می‌کنند و به خودروسازان امکان می‌دهند تا موتورهای کوچک‌تر و کم‌مصرف‌تر با عملکرد بالا تولید کنند. بااین‌حال، استفاده و نگهداری صحیح از این سیستم برای حفظ طول عمر و کارایی آن بسیار مهم است. اگرچه توربوشارژرها معایبی نیز دارند، اما مزایای چشمگیر آن‌ها باعث شده‌اند که به یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین فناوری‌ها در صنعت خودرو و دیگر صنایع تبدیل شوند.
سوالات متداول
- توربو شارژر چیست؟
توربو شارژر قطعه‌ای است که با گازهای خروجی اگزوز می‌چرخد و هوای ورودی موتور را فشرده می‌کند. نتیجه، توان و گشتاور بیشتر از همان حجم موتور است.
- آیا توربو شارژ مصرف سوخت را کم می‌کند؟
بله، به‌شرط رانندگی آرام. توربو اجازه می‌دهد موتور کوچک‌تری با توان لازم استفاده شود، اما با گاز زیاد مصرف بالا می‌رود.
- تفاوت توربو و سوپرشارژر چیست؟
توربو با انرژی گازهای اگزوز می‌چرخد، اما سوپرشارژر با تسمه به میل‌لنگ متصل است و بخشی از توان موتور را مصرف می‌کند.
- بعد از رانندگی باید موتور توربو را درجا کار بدهیم؟
بعد از رانندگی سنگین، ۳۰ تا ۶۰ ثانیه درجا کار کردن یا رانندگی آرام قبل از خاموش کردن توصیه می‌شود. در بعضی خودروهای جدید خنک‌کاری الکتریکی این نیاز را کم می‌کند.
- عمر توربو شارژر چقدر است؟
با روغن مناسب و سرویس به‌موقع، توربو معمولاً صدها هزار کیلومتر کار می‌کند. نگهداری ضعیف و رانندگی پرفشار آن را به‌شدت کوتاه می‌کند.
