توربو چیست؟ هرآنچه باید از توربوشارژر، توربو لگ و تمام مفاهیم این تکنولوژی بدانید!
شاید نام توربو (Turbo) را در خودروهای اسپرت، لوکس و حتی هیبریدی شنیده باشید، اما تا الان برایتان سوال پیش آمده توربو چیست و چگونه باعث افزایش قدرت موتور میشود؟ در این مقاله توضیح میدهیم عملکرد توربو چگونه است، چرا خودروها از آن استفاده میکنند و چه تاثیری روی تجربه رانندگی و کارایی موتور دارد.
البته این فناوری که به آن توربوشارژر (Turbocharger) هم میگویند، یک نوع مختلف به نام توئین توربو دارد که جلوتر به آن نیز پرداخته میشود. هرچند توربوشارژر دارای مزیت های فراوان مثل شتابگیری بهتر است ولی فناوری بیمشکلی حساب نمیشود، یکی از شایع ترین مشکلات توربوشارژرها توربو لگ است. برای شناخت بهتر این فناوری، مزایا و معایب، با کورتک همراه باشید.
توربو چیست؟
توربو یک قطعه مکانیکی است که با استفاده از گاز خروجی موتور، هوا وردی به سیلندرها را فشرده میکند و با این فشردهسازی باعث میشود حجم بیشتری از هوا وارد محفظه احتراق شود و موتور به همان اندازه بتواند انرژی بیشتری تولید کند. اساس کار بر چرخش توربین با جریان گازهای اگزوز است که انرژی لازم برلی کمپرسور تأمین شود.
کمپرسور توربو هوای فشرده را به سیلندرها پمپ میکند تا اکسیژن بیشتری در اختیار احتراق سوخت باشد. این فرآیند باعث افزایش توان خودرو و موتور بدون افزایش حجم میشود. توربو از دو بخش کمپرسور و توربین تشکیل شده؛ این دو بخش با محور مشترک به هم متصل هستند و بین آنها انرژی منتقل میشود.
توربو بهطور کامل وابسته به جریان گازهای اگزوز است؛ هرچه موتور گاز بیشتری تولید کند، توربو سریعتر میچرخد و هوای بیشتری فشرده میشود. بنابراین عملکرد توربو به شدت با دور موتور و فشار اگزوز مرتبط است. این سیستم امکان افزایش قدرت موتور را بدون افزایش حجم فراهم میکند و بهعنوان یک سامانه مکانیکی هوشمند، بهرهوری انرژی گازهای خروجی را به قدرت مفید تبدیل میکند.
هرچند وابستگی به گاز خروجی موتور در توربو باعث ایجاد توربو لگ میشود، ولی شتاب موتور نسب به مدل های تنفس طبیعی افزایش مییابد. معمولا در دور موتور های پایین وقتی پدال گاز را فشار میدهید توربو چندان کاربرد خاصی ندارد، ولی به محض اینکه دور موتور بالا بیاید و حجم گاز خروجی افزایش پیدا کند، توربو با افزایش فشار هوای ورودی باعث افزایش توان موتور و شتاب خودرو میشود.
توربو چگونه کار میکند؟
توربو زمانی شروع به کار میشود که گازهای داغ خروجی موتور به سمت توربین هدایت میشوند. این گازها که سرعت و انرژی بالا دارند، پرههای توربین را میچرخانند و آن را به دورهای بسیار بالا میرسانند. تمام انرژی لازم برای چرخش از همین گازها تأمین میشود و هیچ فشاری به موتور وارد نمیکند. این چرخش اولیه، نیروی لازم برای فعال شدن دیگر بخش سیستم را فراهم میکند.
چرخش سریع توربین از طریق شفت مشترک به کمپرسور منتقل میشود و باعث میشود پرههای کمپرسور هوا را با سرعت بالا به داخل بکشند. این هوا هنگام ورود فشرده میشود و چگالی آن افزایش پیدا میکند. به دلیل این فشردهسازی، اکسیژن بیشتری در هر واحد حجم هوا وجود دارد. مرحله بوست دقیقاً در همین بخش شکل میگیرد و اساس افزایش توان موتور را میسازد.
هوای فشرده قبل از ورود به موتور معمولاً از اینترکولر عبور میکند تا دما کاهش یابد و چگالی بیشتر شود. سپس این هوا وارد منیفولد ورودی و محفظه احتراق میشود و به موتور اجازه میدهد سوخت بیشتری را با بازده بالاتر بسوزاند. این روند با افزایش دور موتور و شدت جریان گازهای اگزوز قویتر میشود و توربو در دورهای بالا بیشترین اثر خود را نشان میدهد.
هوای فشردهشده در کمپرسور به دلیل فشار زیاد گرم میشود و دمای بالا چگالی هوا را کاهش میدهد. برای جلوگیری از این مشکل، هوا از اینترکولر عبور داده میشود تا خنک شود و چگالی آن افزایش یابد. اینترکولر نقش بزرگی در کارایی توربو دارد، زیرا هوای خنکتر نهتنها احتراق بهتر ایجاد میکند، بلکه مصرف سوخت و راندمان موتور را نیز بهبود میبخشد.
برای اینکه توربو بیش از حد بوست تولید نکند، سیستم ویستگیت طراحی شد. این سامانه بخشی از گازهای خروجی را دور میزند تا توربین بیش از اندازه نچرخد. بدون ویستگیت، فشار هوا ممکن است آنقدر زیاد شود که باعث آسیب جدی به موتور و توربو شود. این سیستم تضمین میکند که توربو همیشه در محدوده فشار ایمن و بهینه کار کند.
هرچه دور موتور بالاتر برود، گازهای خروجی بیشتر و داغتر میشوند، بنابراین توربین سریعتر میچرخد و بوست افزایش مییابد. عملکرد توربو کاملاً با دور موتور و حجم گاز خروجی هماهنگ است و بیشترین تأثیر آن در دورهای میانی و بالاست. این چرخه پیوسته باعث میشود قدرت موتور بدون افزایش حجم یا تعداد سیلندر بالا برود و احتراق کارآمدتر انجام شود.
کاربرد توربو چیست؟
یکی از مهمترین کاربردهای توربو، افزایش توان موتور بدون افزایش حجم است. با فشردهسازی هوای ورودی، توربو اجازه میدهد که مقدار بیشتری سوخت بسوزد، در نتیجه قدرت خروجی موتور افزایش چشمگیری پیدا میکند. این موضوع باعث میشود خودروها شتاب و سرعت بالاتری داشته باشند، خصوصاً در خودروهای اسپرت و پرقدرت که عملکرد بالا اولویت اصلی است.
توربو این امکان را به سازندگان میدهد تا موتورهای کوچکتر و سبکتر طراحی کنند که عملکردی مشابه موتورهای بزرگتر ارائه دهند. این روند که به آن انتقال حجم گفته میشود، باعث میشود مصرف سوخت در شرایط عادی بهتر شود و وزن کلی خودرو کاهش یابد. این موضوع در خودروهای شهری و خانوادگی برای کاهش هزینههای سوخت و آلودگی اهمیت زیادی دارد.
توربو میتواند به بهبود مصرف سوخت کمک کند چون موتورهای توربوشارژ در دورهای پایین با استفاده از حجم کمتر انرژی بیشتری تولید میکنند و در نتیجه در شرایط رانندگی معمولی نیاز به سوخت زیاد ندارند. همین بهرهوری بهتر همچنین باعث کاهش انتشار گازهای آلاینده میشود، که برای رعایت استانداردهای سختگیرانه زیستمحیطی در بسیاری کشورها ضروری است.
در ارتفاعات که چگالی هوا کمتر است، موتورهای معمولی قدرت خود را از دست میدهند، اما توربو میتواند به حفظ توان خروجی کمک کند زیرا هوا را فشردهتر وارد میکند و میزان کاهش نیرو را جبران مینماید. همچنین در کاربردهای غیرخودرویی مانند موتورهای صنعتی، ماشینآلات سنگین، و حتی نیروگاهها توربو برای افزایش کارایی و بهرهوری استفاده میشود.
توئین توربو چیست و چه مجزایی دارد؟
سیستم توئین توربو یا Twin turbo به حالتی گفته میشود که دو توربوشارژر در یک موتور احتراقی نصب میشوند تا هوای ورودی را فشرده کنند. در طراحیهای موازی، هر توربو بخشی از گازهای خروجی را جداگانه پردازش میکند، و در طراحیهای متوالی، یکی برای دورهای پایین و دیگری برای دورهای بالاتر فعال میشود. این ترکیب باعث افزایش حجم هوای فشرده و بهبود پاسخدهی در گسترهٔ وسیعتر دور موتور میشود.
یکی از مهمترین مزایای تویین توربو، کاهش توربو لگ (تاخیر در رسیدن بوست) است زیرا دو توربو میتوانند سریعتر از یک توربو بزرگ به دور مناسب برسند. در سیستمهای متوالی، توربو کوچک در دورهای پایین سریعتر میچرخد و باعث پاسخ سریع موتور میشود، سپس توربو بزرگتر در دورهای بالا فعالیت میکند تا قدرت بیشتری در محدودهٔ گستردهتر تولید شود. این طراحی باعث میشود شتاب و کشش خودرو، از دورهای پایین تا بالا، قابلتوجه و یکنواخت باشد.
استفاده از دو توربو اجازه میدهد موتور قدرت و گشتاور بیشتری تولید کند بدون آنکه حجم موتور افزایش پیدا کند. این کار باعث میشود موتورهای کوچکتر بتوانند عملکردی مشابه یا بهتر از موتورهای بزرگتر داشته باشند. همچنین این افزایش کارایی به بهبود مصرف سوخت در شرایط رانندگی معمولی کمک میکند، چرا که موتور میتواند با راندمان بالاتر کار کند و از فشردهسازی هوای بهتر بهره ببرد.
تویین توربو معمولاً در خودروهای اسپرت، لوکس و موتورهای با عملکرد بالا استفاده میشود زیرا مزایای قدرت بالا، پاسخدهی بهتر و عملکرد قویتر را ارائه میدهد. در برخی طراحیها، این سیستم همچنین میتواند به بهبود مصرف سوخت و کاهش آلایندگی کمک کند، چون به موتور اجازه میدهد در دورهای پایین با کارایی بیشتری کار کند. هرچند سیستم پیچیدهتر و هزینهبرتر از توربوهای تکی است، اما برای بهینهکردن بازه عملکرد موتور بسیار مؤثر است.
روش تقویت توربو و کاهش توربو لگ
توربو لگ به تاخیر در پاسخ موتور بعد از فشار دادن پدال گاز در خودروهای توربوشارژ گفته میشود. وقتی راننده گاز میدهد، موتور باید گازهای خروجی کافی تولید کند تا توربین توربو با سرعت لازم بچرخد و فشار هوای فشرده بالا رود. این تاخیر زمانی بین باز شدن دریچه گاز و تولید فشار بوست کافی باعث میشود شتاب اولیه با کمی وقفه همراه باشد که همان توربو لگ است.
توربو لگ به چند علت اصلی رخ میدهد: اول، توربو برای چرخیدن نیاز به جریان کافی گازهای خروجی دارد و در دورهای پایین موتور این جریان کم است، بنابراین زمان بیشتری طول میکشد تا توربین به سرعت کارایی برسد. دوم، اینرسی قطعات توربو باعث میشود آنها برای شروع فشردهسازی هوا نیاز به انرژی بیشتری داشته باشند. همچنین مسیرهای هوا و اگزوز طولانی یا طراحی نامناسب میتواند زمان رسیدن بوست را بیشتر کند.
یکی از روشهای اصلی برای کاهش توربو لگ انتخاب توربو با اندازه و طراحی مناسب است. توربوهای کوچکتر چرخش سریعتری دارند و به سرعت به فشار بوست میرسند، در نتیجه زمان پاسخدهی موتور کاهش مییابد.
همچنین پیکربندیهایی مانند توربوهای تویناسکرول و توربوهای هندسه متغیر میتوانند جریان گازهای خروجی را بهینه کنند و واکنش سریعتری نسبت به تغییرات دور موتور ارائه دهند، که همه اینها لگ توربو را کاهش میدهند.
طراحی مناسب لولههای ورودی و خروجی هوا و اگزوز تأثیر بزرگی در کاهش لگ توربو دارد. مسیرهای کوتاهتر و با کمترین انحنا باعث میشوند گازهای خروجی سریعتر به توربین برسند و هوای فشرده سریعتر وارد موتور شود. همچنین نصب اینترکولر با کارایی بالا باعث خنکسازی هوای ورودی و افزایش چگالی اکسیژن میشود، و یک سیستم اگزوز با قطر مناسب باعث کاهش فشار برگشتی و افزایش سرعت چرخش توربو میشود.
تنظیم دقیق واحد کنترل موتور میتواند به کاهش توربو لگ کمک کند. بهروزرسانی نقشه تزریق سوخت و زمانبندی احتراق (ریمپ یا Remap) باعث افزایش فشار اگزوز در دورهای پایین میشود و توربو سریعتر به دور بهرهور میرسد. همچنین تنظیمات کنترل فشار بوست و استفاده از کنترل بوست الکترونیکی باعث میشود توربو در محدوده کارایی بهینه باقی بماند و پاسخ به تقاضای راننده سریعتر شود.
سیستمهای Anti Lag یکی از مؤثرترین روشها برای کاهش لگ توربو در خودروهای عملکرد بالا هستند. این سیستمها با تزریق سوخت اضافه یا تنظیم احتراق باعث میشوند توربین حتی هنگام کاهش گاز (مثلاً در تعویض دنده) همچنان بچرخد، بنابراین توربو آماده پاسخ سریع به تقاضای گاز بعدی است. همچنین استفاده از valveهای کنترل فشار و diverter valve باعث حفظ سرعت چرخش و جلوگیری از surge میشود.
مزایا و معایب توربو شارژر
فواید توربو
توربو با فشردهسازی هوای ورودی، امکان سوختسوزی بیشتر را فراهم میکند و خروجی موتور را بهطور چشمگیری افزایش میدهد. این یعنی یک موتور کوچک ۱.۶ لیتری میتواند توان مشابه یک موتور بزرگتر ۲.۵ لیتری تولید کند. این مزیت باعث شده توربو در خودروهای اسپرت، لوکس و حتی اقتصادی بسیار محبوب شود.
در شرایط رانندگی معمولی، موتورهای توربو با حجم کم نیاز به سوخت کمتر دارند، اما هنگام نیاز با کمک توربو قدرت بالا ارائه میدهند. این روند که downsizing نام دارد، به خودروسازان اجازه داده موتورهای کوچکتر و کممصرفتری تولید کنند که همچنان توان کافی دارند. نتیجه آن کاهش مصرف سوخت و رعایت بهتر استانداردهای انرژی است.
به دلیل احتراق کاملتر و راندمان بالاتر، موتورهای توربو میتوانند آلایندگی کمتری نسبت به موتورهای حجیمتر داشته باشند. تولید CO₂ کاهش مییابد و استانداردهای سختگیرانه جهانی مثل Euro 6 بهتر رعایت میشود. این موضوع یکی از دلایل مهم استفاده گسترده توربو در اروپا و آسیاست، مخصوصاً در خودروهای کوچک و خانوادگی.
در ارتفاعات، چگالی هوا کمتر است و موتورهای عادی قدرت خود را از دست میدهند. اما توربو با فشردهسازی هوا، کسری اکسیژن را جبران میکند و باعث میشود موتور تقریباً همان توان سطح دریا را ارائه دهد. این ویژگی برای کشورهایی با مناطق کوهستانی مزیت بزرگ محسوب میشود و دلیل استفاده وسیع توربو در این مناطق است.
توربو باعث میشود انرژی گازهای خروجی که در حالت عادی هدر میرفت، دوباره به صورت مفید استفاده شود. این بازیابی انرژی موجب افزایش راندمان کلی موتور و عملکرد بهتر میشود. در نتیجه موتور میتواند با سوخت کمتر توان بیشتری تولید کند و این کارایی بالا یکی از مزیتهای اصلی موتورهای توربو در صنعت خودروسازی است.
معایب توربو
توربو شامل قطعات دقیق مثل توربین، کمپرسور، اینترکولر و شیرهای کنترل است. این پیچیدگی باعث افزایش هزینه نگهداری میشود. خرابیهایی مانند نشتی روغن، آسیب بلبرینگ یا گرمشدن بیش از حد میتواند هزینه تعمیر زیادی ایجاد کند. در بسیاری از کشورها تعمیر توربو جزو تعمیرات گرانقیمت محسوب میشود.
توربو لگ یکی از معروفترین معایب توربو است. چون توربین برای ایجاد فشار باید با گازهای خروجی به دور مناسب برسد، هنگام گاز دادن ناگهانی کمی تأخیر در تحویل توان رخ میدهد. این تأخیر در شتابگیری اولیه محسوس است، مخصوصاً در توربوهای بزرگ یا موتورهای با طراحی قدیمیتر که سرعت واکنش پایینتری دارند.
توربو در دمایی بسیار بالا کار میکند و این حرارت میتواند به قطعات موتور، روغن و سیستم اگزوز فشار وارد کند. برای جلوگیری از آسیب، سیستم خنککاری باید قویتر و دقیقتر باشد. اگر خنکسازی موتور و سیستم توربو بهخوبی انجام نشود، توربو دچار خرابیهایی مثل ترکخوردگی یا سوختن روغن میشود
توربو با سرعت بسیار بالا (گاهی ۲۰۰ هزار دور بر دقیقه) میچرخد و نیاز به روغن باکیفیت و تعویض منظم دارد. روغن نامناسب باعث آسیب سریع بلبرینگها میشود. بسیاری از موتورهای توربو همچنین به سوخت با اکتان بالاتر نیاز دارند تا از ناکزدن موتور جلوگیری شود. این درحالی است که سوخت موجود در ایران اکتان مناسبی ندارد.
توربو نسبت به سبک رانندگی حساستر است. رانندگی پرگاز، خاموش کردن سریع خودرو بعد از فشار زیاد یا گرم نکردن موتور میتواند به توربو آسیب بزند. به همین دلیل خودروهای توربو نیاز به مراقبت بیشتری دارند، مثلاً صبر کردن چند ثانیه پس از توقف برای خنک شدن توربو یا گرم کردن اولیه موتور قبل از فشار سنگین.نتیجه گیری:
توربوشارژر یکی از مهمترین تکنولوژیهای موتور خودرو است که قدرت و شتاب موتور را بدون افزایش حجم آن بهبود میبخشد و امکان استفاده از موتورهای کوچکتر با راندمان بالاتر را فراهم میکند. این فناوری علاوه بر افزایش توان، باعث بهبود مصرف سوخت و کاهش آلایندگی در شرایط مناسب میشود و در خودروهای اسپرت، لوکس و حتی شهری کاربرد گسترده دارد.
با این حال، توربو پیچیدگی فنی بیشتری دارد و نیاز به مراقبت، روغن باکیفیت و سیستم خنککننده مناسب دارد. معایبی مثل توربو لگ، گرمای زیاد و حساسیت به سوخت و رانندگی میتواند هزینه نگهداری را افزایش دهد. بنابراین استفاده از توربو مزایا و چالشهای خود را دارد و انتخاب صحیح آن به سبک رانندگی، کاربرد خودرو و شرایط نگهداری بستگی دارد.
