سوپرشارژر الکتریکی و توربوشارژر خودرو – هر آنچه باید بدانید

به گزارش کامیون نیوز – 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 ۲۵ تا ۴۰ 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.