سوپرشارژر الکتریکی و توربوشارژر خودرو – هر آنچه باید بدانید

تعداد زیادی از خودروهای جدید در حال فروش با پیشرانه‌های توربو عرضه می‌شوند تا بتوانند مصرف سوخت را  کم کرده و نیز عملکرد بهتری را ارائه دهند. این تکنولوژی سالیان سال است که وجود دارد اما تعداد محدودی از خودروسازان در حال حاضر از سوپرشارژرهای الکتریکی در خودروهای خود استفاده می‌کنند. در این مقاله قصد داریم به معرفی سوپرشارژر الکتریکی و توربوشارژ الکتریکی خودرو بپردازیم و تفاوت آنها را بررسی کرده و در نهایت هم با اصطلاحات این حوزه آشنا شویم.پس با فروشگاه لوازم یدکی ماشین نو همراه باشید.

موتورهای توربوشارژ الکتریکی خودرو

موتورهایی که توربو شارژ ندارد به عنوان موتورهای بدون توربوشارژ یا موتورهای معمولی یاد می‌شوند زیرا در این موتورها به علت حرکت پیستون در داخل سیلندر عمل مکش هوا به داخل سیلندرها انجام می‌شود به این ترتیب هوای داخل سیلندر با فشار جو تامین می‌گردد.

حتی در شرایط ایده ال فشار هوای ورودی در داخل سیلندرها به فشار جو نمی رسد و در عمل به مقدار قابل توجهی کمتر از ان می‌باشد  توربوشارژ جریان هوای ورودی به محفظه احتراق را تقویت نموده و باعث افزایش فشار ان به نسب دو برابر فشار جو می‌گردد این امر سبب افزایش قدرت خروجی و گشتاور موتور از 25 تا 40 درصد بسته به طراحی توربوشارژ و موتور می‌شود .

توربوشارژر (Turbocharger) در حقیقت یک توربین است که هوا را فشرده می‌کند و به داخل محفظه‌ی احتراق می‌فرستد. سوپرشارژر و توربوشارژر هر دو همین کار را انجام می‌دهند و تفاوت آن‌ها تنها در نحوه‌ی تأمین نیروی مورد نیازشان است.

موتورهای سوپرشارژ الکتریکی خودرو

سوپرشارژرها نیروی مورد نیاز خود را مستقیما از میل لنگ خودرو دریافت می‌کنند که  می‌تواند با استفاده از تسمه باشد، اما توربوشارژر نیروی مورد نیاز خود را از گازهای خروجی اگزوز تأمین می‌کند.

مزیت سوپرشارژرها در این است که چون مستقیما به میل‌لنگ متصل هستند، دیگر تأخیری در عملکرد آن‌ها وجود ندارد و از ابتدای گاز دادن راننده، وارد عمل می‌شوند. اما توربوشارژر برای چرخش نیاز به انتقال انرژی گازهای اگزوز به توربین دارد تا آن را به چرخش دربیاورند.

بنابراین لازم است پیشرانه کمی دور بگیرد تا توربوشارژرها بتوانند کار خود را انجام دهند. این قضیه سبب تأخیر زمانی در عملکرد توربو می‌شود که اصطلاحا به آن لگ (Lag) گفته می‌شود.

نحوه عملکرد سیستم توربوشارژر

توربوشارژرها از دو بخش تشکیل شده‌اند که یکی توربین و دیگر کمپرسور است. گازهای خروجی از اگزوز که دارای سرعت زیادی هستند با توربین برخورد می‌کنند و آن را به چرخش درمی‌آورند از آنجایی که توربین و کمپرسور هم‌محور هستند، با چرخش توربین کمپرسور نیز به چرخش درمی‌آید و شروع به پمپ کردن هوا به داخل سیلندر‌ها می‌کند.

توربین توربوشارژر با دور بسیار بالایی گردش می‌کند که می‌تواند به ۲۰۰ هزار دور بر دقیقه نیز برسد. یکی از مهمترین عوامل مهم در عملکرد یک توربوشارژر اندازه‌ی توربین است. اگر سایز توربین بزرگ باشد، می‌تواند فشار هوای بیشتری تولید کند؛ اما ایراد آن این است که در دورهای پایین کارایی مناسبی ندارد؛ اگر توربین کوچک‌تر باشد می‌تواند دور بیشتری بگیرد و در دورهای پایین نیز فورا وارد عمل شود و تأخیر کمتری دارد، اما در دورهای بالا کارایی آن افت می‌کند.

پس بسیار مهم است که خودروساز بر اساس نیاز و نوع پیشرانه سایز توربین مناسب را برای خودرو انتخاب کند. نوع پره‌های مورد استفاده در کمپرسور نیز از نوع گریز از مرکز است تا بتواند فشار بیشتری تولید کند.

اینتر کولر (INTERCOOLER)

هنگامی که توربوشارژ هوا را فشرده می‌نماید، در اثر افزایش فشار، دمای آن نیز افزایش می‌یابد. افزایش دمای هوا نیز باعث انبساط آن و کاهش مقدار اکسیژن موجود در یک حجم مشخص می‌گردد. بنابراین لازم است که از گرم شدن هوا جلوگیری به عمل آید. برای این منظور از یک واحد خنک کننده به نام اینتر کولر استفاده می‌شود که در جلوی رادیاتور نصب می‌گردد.

اینتر کولر یک مبدل حرارتی (Heat Exchanger) می‌باشد که هوای خارج شده از توربوشارژ قبل از ورود به سیلندر، از داخل آن عبور نموده و خنک کاری می‌شود.

اینترکولر معمولا می‌تواند دمای هوای ورودی به سیلندر را تا ۴۰ الی ۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد کاهش دهد. کاهش دما نیز به دو صورت می‌تواند باشد: با استفاده از هوا یا آب.

اینترکولرهایی که با هوا خنک می‌شوند، دارای ساختار ساده‌تری هستند؛ اما انواع خنک شونده با مایع نیاز به یک رادیاتور دوم دارند تا آب را نیز خنک کنند. در شکل زیر یک مدار توربوشارژر مجهز به اینترکولر خنک شونده با آب نشان داده شده است. خنک کاری هوای فشرده قبل از ورود به سیلندر تا حد زیادی می‌تواند باعث افزایش راندمان موتور، کاهش مصرف سوخت و کم شدن میزان آلایندگی گازهای خروجی اگزوز شود.

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید دود خروجی از منیفولد (manifold) خروجی دود موتور توسط همان لوله‌های قرمز رنگ موجود در شکل وارد توربو شارژر شده و دود موجود پره‌های توربین را به حرکت در آورده و بعد از به حرکت در آوردن پره توربین دود از اگزوز به بیرون می‌رود. بعد از حرکت پره توربین چون این پره با یک شفت به پره کمپرسور وصل است هوا را با فشار زیاد از هواکش گرفته و وارد سیستم اینترکولر می‌کند(سرعت توربو از دور موتور و میل لنگ هم زیاد می‌باشد) و بعد از خنک شدن هوا و افزایش تراکم وارد موتور خودرو میشود که تقریبا یک نوع چرخه می‌باشد.

وست گیت (Wastegate)

وست گیت یک دریچه در سمت توربین توربوشارژر است که فشار تولیدی توسط توربو را تنظیم می‌کند.این کار از طریق کنترل میزان دود ورودی به سیستم انجام می‌شود.

در صورتی که میزان گازهای اگزوز فراتر از نیاز سیستم توربو باشد سوپاپ وست گیت فعال می‌شود و میزان اضافی گازها را از طریق یک مجرای جداگانه به سیستم اگزوز می‌فرستد.

در واقع سیستم توربوشارژر از تمامی گازهای خروجی از پیشرانه استفاده نمی‌کند، بلکه تنها از مقداری که لازم دارد، استفاده می‌کند و مابقی گازها بدون اینکه برخوردی با توربین داشته باشند، از طریق خروجی‌های اگزوز دفع می‌شوند. در شکل زیر سوپاپ وست گیت را مشاهده می‌کنید که در بدنه‌ی توربوشارژر کار گذاشته شده است.

نحوه عملکرد سوپرشارژر الکتریکی

پیشرانه‌ها با سوزاندن مخلوط هوا و سوخت قدرت تولید می‌کنند. هر چقدر که این مخلوط سریع‌تر بسوزد قدرت بیشتری تولید می‌شود. توربوشارژرها و سوپرشارژرها هوای بیشتری را به داخل پیشرانه می‌فرستند و به آن اجازه می‌دهند تا سوخت بیشتری را سوزانده و قدرت بیشتری تولید کند. سوپرشارژرها توسط یک پولی از سوی پیشرانه کار می‌کنند درحالی‌که توربوها از گازهای پرفشار اگزوز برای چرخش توربین سود می‌برند.

سوپرشارژرها مستقیماً توسط خود پیشرانه کار می‌کنند اما توربوشارژر نیروی مورد نیاز خود را از گازهای خروجی اگزوز تأمین می‌کند.

مزیت سوپرشارژرها در این است که چون مستقیما به میل‌لنگ متصل هستند، دیگر تأخیری در عملکرد آن‌ها وجود ندارد و از ابتدای گاز دادن راننده، وارد عمل می‌شوند اما توربوشارژر برای چرخش نیاز به انتقال انرژی گازهای اگزوز به توربین دارد تا آن را به چرخش دربیاورند.

بنابراین لازم است پیشرانه کمی دور بگیرد تا توربوشارژرها بتوانند کار خود را انجام دهند. این قضیه سبب تأخیر زمانی در عملکرد توربو می‌شود که اصطلاحا به آن لگ (Lag) گفته می‌شود.

توربوهای الکتریکی به منظور ترکیب کارایی سیستم‌های توربو با پاسخ سریع سوپرشارژرها و حذف لگ توربوها طراحی شده‌اند. در توربوهای الکتریکی، توربوی معمولی را با کمپرسور هوای الکتریکی کوچکی ترکیب کرده‌اند.

این کمپرسور با استفاده از پیشرانه‌ی قدرتمندی کار می‌کند. زمانی که پدال گاز فشار داده می‌شود، پیشرانه‌ی یاد شده کمپرسور هوا را مجبور به ورود آنی هوای سرد به داخل پیشرانه می‌کند.

این موضوع تحویل نرم قدرت را حتی پیش از آنکه توربوی پیشرانه سرعت گیرد تضمین می‌کند. زمانی که توربوشارژر مرسوم به حدی کافی دور گرفت، سیستم الکتریکی به منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی خاموش می‌شود.

خودروهای دارای توربوشارژ

اولین خودروی تولیدی که از این تکنولوژی استفاده کرده آئودی SQ7 می‌باشد. سیستم توربوی الکتریکی در پیشرانه‌ی ۸ سیلندر ۴ لیتری توئین توربوی دیزلی این خودرو بکار رفته و خروجی ۴۳۵ اسب بخاری پیشرانه باعث ثبت شتاب صفر تا ۱۰۰ کیلومتر در ساعت ۴.۸ ثانیه‌ای می‌شود.

ولوو سیستم جایگزینی را توسعه داده که هوای فشرده شده را در محفظه‌ای در زیر پیشرانه ذخیره می‌کند. زمانی که شتاب آنی خودرو نیاز باشد یک سوپاپ باز شده و این هوای پرفشار به خود توربو راه یافته و باعث چرخش سریع توربین می‌شود. این سیستم در مدل‌های دیزلی D5 ولوو S90، V90 و XC90 بکار رفته و به کاهش بیش از نیم ثانیه‌ای شتاب‌های صفر تا ۱۰۰ کیلومتر در ثانیه‌ی مدل‌های یاد شده کمک کرده است.

نقاط ضعف سوپرشارژرهای الکتریکی

هدف این سیستم‌ها بیش از آنکه کاهش مصرف سوخت یا آلاینده‌ها باشد، افزایش عملکرد خودرو است. البته می‌توان این سیستم را در زمانی که مورد نیاز نیست خاموش کرد و همین امر به خودرو اجازه می‌دهد تا حداکثر راندمان را داشته باشد.

همانند هر تکنولوژی جدیدی، توربوشارژرهای الکتریکی نیز تا زمانی که متداول‌تر شوند، کاملاً گران‌بها خواهند ماند. همچنین میزان اعتماد و اطمینان این سیستم‌ها نیز قطعی نیست.

ایراد دیگری که به این تکنولوژی وارد می‌شود این است که استفاده از توربوهای الکتریکی شیوه ای به منظور افزایش عمر پیشرانه‌های احتراق داخلی است درحالی ‌که بی‌شک صنعت خودرو نیازمند حرکت به‌سوی خودروهای کاملاً الکتریکی می‌باشد.

شاید تبلیغاتی را دیده باشید که در آن ادعا می‌شود توربوهای الکتریکی قادر هستند عملکرد و مصرف سوخت را بهبود بخشند. متأسفانه اکثر این قطعات افترمارکتی نمی‌توانند این کارها را انجام دهند.

این قطعات از فن‌های کوچکی تشکیل شده‌اند که خیلی شبیه به فن‌های خنک‌کننده‌ی رایانه بوده و هوا را به داخل پیشرانه منتقل می‌کنند. هر چند برای تولید قدرت توسط پیشرانه، هوا باید با فشار بالا به داخل سیلندرها تزریق شود.

هر چقدر فشار هوا بالاتر باشد خروجی پیشرانه نیز بالاتر خواهد بود. این تکنولوژی در حال حاضر نسبتاً جدید بوده و تنها چند خودروساز محدود از این سیستم‌ها در محصولات خود استفاده می‌کنند. به احتمال زیاد خودروهای اسپورت و پرفورمنس و گران‌بها در میان اولین خودروهایی خواهند بود که از این تکنولوژی استفاده می‌کنند.

توربوشارژر یا سوپرشارژر کدام یک محبوبیت بیشتری دارد؟

اصلی ترین موردی که سبب شده توربوشارژرها از محبوبیت بیشتری نسبت به سوپرشارژرها برخوردار باشند، این است که سوپرشارژرها بدلیل طراحی و نحوه‌ی کارشان انرژی زیادی از نیروی پیشرانه را مصرف می‌کنند. صدای زیاد و استهلاک قطعات داخلی از دلایلی است که باعث شده تمایل کمتری نسبت به استفاده از این سامانه وجود داشته باشد، به طوری که مرسدس بنز که از بزرگترین استفاده کنندگان از سوپرشارژر در محصولات خود بود، در سال ۲۰۱۰ بطور کامل این سیستم را از خودروهایش حذف کرده و با توربوشارژر جایگزین نمود.

سیستم بای‌توربو و توئین توربو

دو کلمهٔ بای‌توربو (Bi Turbo) و توئین توربو (Twin Turbo) که به معنای مجهز بودن پیشرانهٔ خودرو به دو توربوشارژر هستند. اما چرا خودروسازان از دو کلمهٔ متفاوت برای بیان دو توربو بودن پیشرانه‌های خود استفاده می‌کنند؟ در ادامه به بررسی تفاوت میان سیستم بای‌توربو و توئین توربو می‌پردازیم.

تفاوتی جزئی میان دو سیستم توئین توربو و بای‌توربو وجود دارد. بای‌توربو به معنای استفاده از دو توربوشارژر مختلف در یک موتور است درحالی‌که توئین توربو استفاده از دو توربوشارژر یکسان معنی می‌دهد.

به معنای ساده‌تر، در سیستم بای‌توربو، پیشرانه با دو توربوشارژر با اندازه‌های مختلف مجهز می‌شود؛ یعنی یک توربوشارژر کوچک و یک توربوشارژر بزرگ. توربوشارژر کوچک در دور موتور پایین و هنگامی‌که گازهای اگزوز هنوز فشار زیادی ندارند مورد استفاده قرار می‌گیرد و چون دارای توربین کوچک‌تری است با فشار گاز پایین هم سریعاً دور گرفته و هوا را به پیشرانه تزریق می‌کند؛ اما پس از بالا رفتن دور موتور، توربوشارژر کوچک غیرفعال شده و توربوشارژر بزرگ‌تر وارد مدار می‌شود. بدین ترتیب پدیدهٔ تأخیر توربو تا حد زیادی از بین می‌رود چراکه در هر دور موتوری حداقل یکی از توربوشارژرها فعال هستند.

اما در سیستم توئین توربو، هر دو توربوشارژر کاملاً یکسان بوده و یک اندازه دارند. در این سیستم هر دو توربوشارژر همزمان فعال هستند. سیستم توئین توربو عمدتاً در پیشرانه‌های V شکل مورد استفاده قرار می‌گیرد و هر یک از توربوشارژرها، هوای مورد نیاز یک ردیف از سیلندرها را تأمین می‌کنند.

مثلاً در یک موتور V8 یک توربوشارژر هوای چهار سیلندر سمت چپ و توربوشارژر دیگر هوای چهار سیلندر سمت راست را تأمین می‌کند؛ بنابراین در این سیستم همچنان کمی تأخیر توربو وجود دارد.

البته این نام‌گذاری همواره در همهٔ خودروسازان به این صورت رعایت نمی‌شود و ممکن است شرکتی به‌صورت برعکس از آن‌ها استفاده کند. به‌عنوان‌مثال شرکت مازراتی برای پیشرانهٔ V6 مدل مراک از نام بای‌توربو استفاده می‌کرد درحالی‌که این موتور مجهز به دو توربوشارژر یکسان و هم‌اندازه بود که هرکدام هوای موردنیاز یک ردیف سه‌تایی از سیلندرها را تأمین می‌کردند.

سیستم پرخوران توئین شارژر

اما غیر از سیستم‌های توئین توربو و بای‌توربو، جهت از بین بردن پدیدهٔ تأخیر توربو و همین‌طور افزایش توان پیشرانه، برخی از خودروسازان سیستم پرخوران سومی را بنام توئین شارژر بکار گرفته‌اند.در این سیستم موتور هم به توربوشارژر و هم سوپرشارژر مجهز است.

همان‌طور که می‌دانید سوپرشارژر نیروی مورد نیاز جهت چرخش توربین خود را مستقیماً از پیشرانه می‌گیرد و با گازهای خروجی منیفولد اگزوز کاری ندارد؛ بنابراین در این سیستم چیزی بنام تأخیر توربو وجود ندارد چراکه سوپرشارژر همواره در هر دور موتوری فعال است؛ اما نقطه‌ضعف سوپرشارژر این است که کمی از توان موتور را می‌گیرد.

به همین دلیل برخی از خودروسازان مانند فولکس‌واگن و ولوو از هر دوی توربوشارژر و سوپرشارژر در پیشرانه‌های خود استفاده کرده‌اند.

نحوهٔ کار این سیستم بدین‌ صورت است که در دور موتور پایین یعنی هنگامی‌ که فشار گازهای خروجی کم است، سوپرشارژر فعال بوده و با اتصال به موتور نیروی موردنیاز خود را تأمین و هوا را به موتور تزریق می‌کند؛ اما وقتی دور موتور بالا رفت، سوپرشارژر غیر فعال شده و ارتباطش با موتور قطع می‌گردد. در این مرحله توربوشارژر که نیروی مورد نیاز خود را از فشار گازهای خروجی تأمین می‌کند وارد مدار شده و هوا را به پیشرانه می‌رساند.

و در نهایت آئودی هم راه حال دیگری را برای از بین بردن تأخیر توربو بکار برده است. این شرکت برای اولین بار مدل SQ7 خود را به سه توربوشارژر مجهز کرده که یکی از آن‌ها الکتریکی است یعنی نیروی مورد نیاز برای چرخش توربین آن به‌صورت الکتریکی تأمین می‌شود. بدین ترتیب این توربوشارژر الکتریکی در هنگام پایین بودن دور موتور بدون نیاز به فشار گازهای خروجی فعالیت کرده و هوای موردنیاز پیشرانه را تأمین می‌کند. در نتیجه تأخیر دو توربوشارژر دیگر کاملاً از بین می‌رود.

منبع : www.pedal.ir | www.autoguide.com