مقایسه موتور توربوشارژ و سوپرشارژ در خودرو

در این مطلب به بررسی تفاوت‌های موتور توربوشارژ و سوپرشارژ پرداخته شده است. همچنین معایب و مزایای هر کدام به صورت جداگانه مورد بررسی قرار گرفته است. سعی بر این است که مقایسه‌ای بین این دو نوع موتور انجام گیرد که شامل محدودیت‌های استفاده، راندمان، دمای کارکرد، تکنولوژی ساخت، نحوه انتقال قدرت آنها است.

موتور توربوشارژر وسیله‌ای است که می‌تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل‌توجهی افزایش دهد، قدرت موتور را تا حد بسیار بالایی افزایش دهد و به همین دلیل است که چنین محبوبیت گسترده‌ای دارد. موتور توربوشارژر بدون آنکه تغییر چندانی در وضعیت فیزیکی موتور ایجاد کند، قدرت موتور را به مقدار زیادی افزایش می‌دهد و موتور سوپرشارژر یا وجود دریچه‌های خروجی، پره‌های سرامیکی توربین و مجراهای عبور گاز، کارآیی پیشرانه خودرو را بهبود می‌بخشند.

موتورهای سوپرشارژر نیروی محرکه خود را از دودهای خروجی اگزوز می‌گیرند. کاربرد موتورهای توربوشارژر را می‌توان در خودروهای دیزل هم مشاهده کرد و می‌توان خودروهایی را در شهر مشاهده کرد که عبارت Turbo در روی آنها نصب شده باشد.

توربوشارژر چیست؟

توربوشارژر نوعی سیستم دمنده است که هوا را با فشار زیاد به درون سیلندرها می‌دمد. هنگامی که پیستون در حالت عکس قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت(در موتور دیزل، هوا) را به درون سیلندر می‌مکد. هر چه فشار هوا بیشتر باشد، مقدار مولکول‌های هوا بیشتر خواهد بود و مخلوط هوا و سوخت بیشتری در سیلندر جای خواهد گرفت. هر چه سوخت بیشتر باشد، قدرت ناشی از احتراق هم بیشتر خواهد بود. به این ترتیب موتور توربوشارژر قدرت بیشتری نسبت به موتور معمولی تولید می‌کند.

موتور توربوشارژر به سادگی می‌تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود بخشد، یعنی با قدرت مساوی، خودروی مجهز به موتور توربوشارژر از موتوری با وزن و حجم کمتر سود می‌برد، در نتیجه حجم و وزن خودرو نیز کمتر می‌شود و این بدان معنی است که شتاب خودروی مجهز به توربوشارژر بیشتر است و سریع‌تر به سرعت دلخواه دست می‌یابد. در نوع اولیه موتورهای توربوشارژر(که سوپرشارژر نام دارند)، قدرت مورد نیاز از میل‌لنگ گرفته می‌شد، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو صرف فشرده‌سازی هوای ورودی می‌گردید.

در نوع پیشرفته‌تر که همان موتورهای توربوشارژر هستند، از فشار گاز خروجی اگزوز استفاده می‌شود. گازهای خروجی اگزوز داغ هستند و  از انرژی جنبشی، سرعت و فشار آنها می‌توان برای چرخاندن یک توربین استفاده کرد. این توربین یک پمپ هوا را می‌گرداند و در نهایت پمپ، هوا را فشرده کرده و به درون سیلندر می‌فرستد. توربین نصب شده در مسیر گازهای خروجی، گاهی به سرعت 150 هزار دور در دقیقه می‌رسد که بیش از 30 بار سریع‌تر از دور موتور اغلب خودروهای امروزی است.

دمای این توربین به دلیل تماس با گازهای داغ خروجی اگزوز، بسیار بالاست. موتورهای توربوشارژر متداول می‌توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کیلوپاسکال بیشتر از هوای محیط برسانند. از آنجا که فشار هوا در سطح دریا 100 کیلوپاسکال است، مشخص می‌شود که موتور توربوشارژر تقریبا 50 درصد هوای بیشتری وارد سیلندر می‌کند.

بنابراین انتظار می‌رود که قدرت موتور هم تا پنجاه درصد افزایش یابد، ولی به دلیل برخی دلایل نظیر تلفات گرما و انرژی، این افزایش قدرت بین 30 تا 40 درصد خواهد بود. یکی از دلایل این اتلاف به این موضوع باز می‌گردد که کار مورد نیاز برای موتور توربوشارژر رایگان نیست. هنگامی که گاز خروجی از اگزوز توربین را می‌چرخاند، به این معناست که یک مقاومت در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پیستون باید فشار بیشتری اعمال کند تا گاز تخلیه شود و این بخشی از قدرت موتور را صرف می‌کند.

یک موتور توربوشارژر معمولی از یک توربین، یک میل محور(شافت) و یک کمپرسور تشکیل شده است. مجرای گاز خروجی اگزوز معمولا به گونه‌ای طراحی شده که گاز خروجی دارای بیشترین سرعت و دمای ممکن باشد. پره‌های توربین می‌توانند با طراحی خاص به گردش 150 هزار دور در دقیقه دست پیدا کنند، ولی انتقال چنین گردشی به کمپرسور کار ساده‌ای نیست. شافتی که پروانه توربین را به پره‌های کمپرسور متصل می‌گرداند، باید دارای پایداری بسیار بالایی باشد، چون اغلب میل محورهای معمولی در چنین سرعت بالایی از بین می‌روند، زیرا دمای میله بسیار بالا می‌رود و اندکی جابه‌جایی و عدم تعادل در نصب میل محور کافی است تا در این سرعت، میل محور به بیرون پرتاب شود.

از این رو از یاتاقان‌های روغنی برای مهار میل محور در موتور توربوشارژر استفاده می‌شود. در چنین یاتاقان‌هایی لایه نازکی از روغن اطراف میل محور را می‌پوشاند و به این ترتیب روغن اعمال‌شده هم میل محور را خنک می‌کند و هم اصطکاک احتمالی را به حداقل می‌رساند. پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره آن به گردش در می‌آید و کمپرسور مانند یک پمپ سانتریفیوژ عمل می‌کند، بدین ترتیب که هوا را از مرکز به گردش در می‌آورد و در نهایت هوای فشرده شده را از حفره تعبیه شده به بیرون می‌دمد.

سوپرشارژر چیست؟

سوپر شارژرها کمپرسورهایی هستند که توان مورد نیاز خود را برای فشردن هوا از موتور می‌گیرند و توربوشارژرها، همان سوپرشارژرهایی هستند که نیروی محرکه خود را از دودهای خروجی اگزوز می‌گیرند.

سه نوع سوپرشارژر وجود دارد:

1. دمنده‌ای 2. مارپیچی 3. گریز از مرکز

موتورهای سوپرشارژر قدرت رانش خود را از میل‌لنگ می‌گیرند، به صورتی که سرعت بالاتر موتور، باعث سریع‌تر چرخیدن آنها می‌شود. دو نوع اول با سرعتی معادل 15000 دور در دقیقه و نوع سوم یا گریز از مرکز با سرعتی معادل 40000 دور در دقیقه می‌چرخد.

محدودیت‌های موتور توربوشارژر

فشار

در یک موتور توربوشارژر حداکثر فشار درون سیلندر نباید از یک مقدار مجاز بیشتر شود. هنگامی که مخلوط هوا و سوخت در سیلندر یک خودروی بنزینی متراکم می‌شود، دمای آن هم همراه با فشار مخلوط افزایش خواهد یافت. فشار بیش از اندازه به دیواره‌های سیلندر، سرسیلندر و حتی پیستون و میل‌لنگ، کاهش عمر مفید آنها را باعث می‌شود. افزایش دما اثری به مراتب بدتر دارد.

اگر دما از حد مشخصی بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت می‌تواند پیش از زدن جرقه دچار احتراق شود. بدین ترتیب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال می‌شود، بلکه ضربه ناشی از احتراق می‌تواند آسیب‌های جدی به موتور وارد کند. از این رو با کاهش دادن نسبت تراکم در سیلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه می‌دارند. البته برخی دیگر، برای اجتناب از چنین امری، برای موتور سوختی با اکتان بالاتر پیشنهاد می‌کنند.

زمان تاخیر

یکی از مهم‌ترین مشکلات موتور توربوشارژر این است که نمی‌تواند افزایش قدرت را به طور ناگهانی اعمال کند. هنگامی که به پدال گاز فشار می‌آورید، حدودا یک ثانیه طول می‌کشد تا توربین به سرعت لازم دست پیدا کند و افزایش قدرت موتور، اعمال شود. بنابراین افزایش قدرت در این نوع موتور با تاخیر کمی حاصل می‌شود. یکی از روش‌های کاهش زمان تاخیر، پایین آوردن اینرسی قطعات است که معمولا از طریق سبک کردن آنها به دست می‌آید. به این ترتیب توربین و پمپ سریع‌تر شتاب گرفته و قدرت موتور، سریع‌تر اعمال می‌شود.

اندازه توربوشارژر

اندازه موتور توربوشارژر هم مزایا و هم معایبی به دنبال دارد. هر چه موتور توربوشارژر کوچک‌تر باشد، زمان تاخیر کمتری دارد و سریع‌تر قدرت را اعمال می‌کند، ولی در سرعت‌های بسیار بالا که باید حجم زیادی از هوا را وارد سیلندر کند، کم‌توان و گاهی خطرناک ظاهر می‌شود. در عوض، موتور توربوشارژر بزرگ می‌تواند به خوبی از عهده پمپ کردن حجم هوای زیاد برآید، ولی زمان تاخیر آن بیشتر خواهد بود.

چند روش برای افزایش راندمان موتورهای توربوشارژر

دریچه اگزوز(waste gate)

بسیاری از خودروهای توربوشارژردار از یک یا چند دریچه کمکی در مجرای اگزوز استفاده می‌کنند که به آنها قدرت می‌دهد از توربوشارژرهای کوچک استفاده کنند. هنگامی که سرعت خودرو بسیار بالا می‌رود، در نتیجه حجم گاز اگزوز افزایش می‌یابد و این خطر وجود دارد که توربین با سرعت بسیار بالاتری بچرخد. تحت این شرایط این دریچه‌ها باز شده و بخشی از گاز خروجی بدون آنکه از توربین عبور کند، از موتور خارج می‌شود. به این ترتیب سرعت دوران توربین در سرعت‌های بالا هم در حد مجاز باقی می‌ماند.

یاتاقان‌های ساچمه‌ای

در این یاتاقان‌ها از ساچمه‌‌های بسیار پیشرفته‌ای استفاده شده که از مواد بسیار جدید و با فناوری دقیق ساخته شده‌اند. این یاتاقان‌ها موجب می‌شوند میل محور با اصطکاک کمتری نسبت به یاتاقان‌های روغنی(که در اغلب نمونه ‌ها مورد استفاده قرار می‌‌گیرد) بچرخد؛ ضمن آنکه باعث می‌شود که بتوان از میل محورهای کوچک‌تر و سبک‌تری استفاده کرد. استفاده از چنین میل محوری، باعث  شتاب سریع‌تر و کاهش زمان تاخیر می‌گردد.

پره‌های سرامیکی توربین

سرامیک‌ها موادی هستند که استحکام خوبی دارند و به مراتب از فلز هم سبک‌‌ترند. استفاده از این پره‌‌ها به جای نوع فلزی آن، دو مزیت به همراه دارد، اول آنکه با سبک‌تر کردن توربین، زمان تاخیر کاهش می‌‌یابد و دوم اینکه چون پره‌ها واکنشی با مواد خورنده درون اگزوز ندارند، شکل خود را برای مدت‌ها حفظ کرده و مانند پره‌های فلزی خورده نمی‌شوند.

خنک کننده داخلی

هنگامی که موتور توربوشارژر هوا را فشرده می‌کند، دمای هوا افزایش می‌یابد. این افزایش دما علاوه بر تاثیر مخرب بر فشار درون سیلندر، موجب می‌شود مولکول‌های هوا کمتر از مقداری که در طراحی موتور در نظر گرفته شده، باشند. لذا از یک خنک کننده استفاده می‌گردد تا بدون افت محسوس فشار هوا، دمای آن به مقدار زیادی کاهش یابد. به این ترتیب می‌توان با اطمینان خاطر و بدون نگران بودن از پیش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر رساند.

مقایسه موتور توربوشارژ و سوپرشارژ

زمان در سرویس قرار گرفتن

در موتورهای دارای سوپرشارژر بلافاصله بعد از روشن نمودن خودرو و چرخش موتور، سوپرشارژر در سرویس قرار می‌گیرد و هوای فشرده را در اختیار موتور قرار می‌دهد. هر چند این میزان تقویت اولیه برای موتور خیلی اندک است، ولی به تدریج با دور گرفتن موتور، توان آن افزایش می‌یابد که حاصل آن، افزایش آرام و یکنواخت توان موتور است.

در مقابل، موتورهای توربوشارژر نقطه ضعفی دارند که آن را «تاخیر در واکنش نشان دادن» می‌نامند. چون به علت لختی که موتورهای توربوشارژر در آغاز کار دارند،  باید ابتدا گازهای خروجی داغ تولید شوند تا موتور دور بگیرد و همین مسئله باعث می‌شود که مدتی طول بکشد تا هوا را برای فرستادن به موتور فشرده کند و بنابراین تا زمانی که دور موتور بالا نرفته، نمی‌تواند هوا را به شکل دلخواه فشرده کند.

در صورتی که دریچه هوای ورودی آنها باز باشد(wide open throttle)، معممولا یک افزایش ناگهانی در قدرت توربوشارژر پدید می‌آید. این موضوع در دورهای حدود 3000 دور بر دقیقه صورت می‌گیرد. البته ممکن است موتورهای توربوشارژر در اندازه‌ای ساخته شوند که واکنش اولیه آنها سریع‌تر باشد. مثلا موتورهای دیزلی وجود دارند که توربوشارژرهای آنان به اندازه‌ای کوچک است که دور آن تنها به 2000-1700 دور در دقیقه می‌رسد.

عیب عمده‌ای که این نوع توربوشارژرها دارند این است که توان‌های بالایی را نمی‌توان از آنها گرفت. افت توان غیرقابل اجتناب سوپرشارژرها(به علت اینکه نیروی خود را از موتور می‌گیرند)، باعث می‌شود که بخشی از توان تولید شده توسط موتور مصرف گردد و این افت توان غیرقابل اجتناب حتی می‌تواند از 50 اسب‌بخار هم تجاوز کند. البته سوپرشارژرها بیشتر از آنچه انرژی مصرف می‌کنند، به توان موتور اضافه می‌کنند، ولی توربوشارژرها به جهت اینکه هیچگونه انرژی را از موتور صرف نمی‌کنند، با ایجاد مانع در جریان دودهای خروجی از موتور باعث می‌شوند تا بخشی از توان موتور به طور غیرمستقیم کاهش یابد؛ چون در این حالت پیستون باید انرژی بیشتری را برای بیرون راندن دودهای خروجی از سیلندر صرف کند.

تولید حرارت

هنگامی که هوای ورودی به موتور خنک‌تر باشد، متراکم‌تر و چگال‌تر است و این به آن مفهوم است که اکسیژن بیشتری در واحد حجم به موتور می‌رسد. اکسیژن بیشتر به مفهوم توان بیشتر است. موتورهای سوپرشارژر دمنده،‌ به این علت که گرما تولید می‌کنند، مطلوب نیستند. این گرمای تولیدشده به دلیل کافی نبودن تراکم هوای ورودی است و از این جهت، موتورهای توربوشارژر کارآیی بیشتری نسبت به موتورهای سوپرشارژر دارند. سوپرشارژرهای گریز از مرکز که خوب طراحی شده باشند، می‌توانند این گرما را از طریق خنک‌کننده کاهش دهند. بنابراینسوپرشارژرهای گریز از مرکز می‌توانند بهتر از توربوشارژرها باشند و قابلیت انعطاف بیشتری را از خود بروز دهند.

قابلیت اطمینان

اغلب مردم اعتقاد دارند که سوپرشارژرها نسبت به توربوشارژرها قابلیت اطمینان بیشتری دارند و این بدان علت است که توربوشارژرها در حرارت بالا کار می‌کنند و توسط روغن روانکاری می‌شوند و هر گاه قبل از خنک شدن، موتور خودرو را خاموش کنند، این روغن در معرض حرارت قرار می‌گیرد و باعث کوتاه شدن عمر کاری توربوشارژر می‌شود. اما با تعمیر و نگهداری و مراقبت‌های لازم از توربوشارژر می‌توان بر این مشکل هم فایق آمد.

میزان تقویت

از نظر حداکثر توان تولیدی، استفاده از توربوشارژر امکان بالاتری برای تقویت قدرت موتور ارایه می‌دهد. مثلا در تراکتورهایی که جهت کشش مورد استفاده قرار می‌گیرند، استفاده از سه توربوشارژر بصورت سری باعث می‌شود که هوای ورودی فشاری معادل 200Psi تولید نماید.

کارکرد در ارتفاع

یکی دیگر از مزایای توربوشارژر نسبت به سوپرشارژر، قابلیت بهبود کارکرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات فشار هوا کمتر است و در نتیجه هوای کمتری به سیلندر وارد می‌شود. خودروهای معمولی در چنین ارتفاعاتی با کاهش قدرت مواجه می‌شوند. هر چند که خودروهای مجهز به توربوشارژر هم با کاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی مقدار این کاهش به مراتب کمتر از موتورهای معمولی است، زیرا کار لازم برای فشرده کردن گاز رقیق‌تر، کمتر است.

نتیجه‌گیری

توربوشارژر یا سوپرشارژر؟

مهم‌ترین مزیت موتورهای سوپرشارژر این است که زمان واکنش نشان دادن آنها کم است و به سرعت در سرویس قرار می‌گیرند(البته غیر از نوع گریز از مرکز آن) و استفاده از آنها و نحوه کارکرد آنها ساده است. عمده‌ترین مزیت موتورهای توربوشارژر، کارایی بالا و تولید حداکثر توان است. این دیگر بستگی به نظر خریداران خودرو دارد که تصمیم بگیرند کدام نوع را برای وسیله خود انتخاب کنند.