احتمالاً تاکنون برچسب کوچک «توربو» را روی یک خودروی بهظاهر معمولی دیدهاید. سازندگان معمولاً این نشانها را با تواضع جایگذاری میکنند — کوچک، در گوشههای کمتوجه. برای کسی که آشنایی ندارد، راحت میتوان از کنارش گذشت. اما برای آشنایان، نشانهای است که ارزش توقف دارد. پس چه خبر است؟ اینجا داستان کامل توربوشارژ است — از کجا آمد، چگونه کار میکند، و چرا اهمیت دارد.
چرا مهندسان به توان بیشتر از همان موتور نیاز داشتند
از نخستین روزهای مهندسی خودرو، طراحان با یک پرسش اساسی درگیر بودهاند: چگونه میتوان توان بیشتری از یک موتور گرفت؟ قوانین فیزیک پاسخ روشنی میدهند — توان موتور مستقیماً با مقدار سوختی که در هر سیکل کاری میسوزد متناسب است. سوختن سوخت بیشتر برابر است با توان بیشتر. در تئوری ساده به نظر میرسد. اما در عمل بسیار پیچیدهتر است.
محدودیت اصلی اکسیژن است. سوخت بهتنهایی نمیسوزد — بخشی از مخلوط سوخت و هوا میسوزد. و این مخلوط باید دقیقاً متعادل باشد، نه تخمینی. برای موتور بنزینی، نسبت ایدهآل تقریباً اینگونه است:
- ۱ قسمت سوخت به ۱۴ تا ۱۵ قسمت هوا، بسته به حالت کار، ترکیب سوخت و سایر متغیرها
این بدان معناست که اگر بخواهید سوخت بیشتری بسوزانید، باید هوای بسیار بیشتری نیز تأمین کنید. موتورهای تنفس طبیعی معمولی هوا را از طریق اختلاف فشار بین سیلندر و اتمسفر وارد میکنند. نتیجه یک محدودیت سخت است: هرچه حجم سیلندر بزرگتر باشد، در هر سیکل اکسیژن بیشتری وارد میشود. سازندگان آمریکایی اواسط قرن بیستم این را به افراط رساندند و موتورهایی با جابجایی بسیار زیاد و اشتهای فراوان برای سوخت تولید کردند. اما آیا راه هوشمندانهتری برای فشار دادن هوای بیشتر به همان حجم سیلندر وجود داشت؟
اختراع سوپرشارژر: پیشرفت گوتلیب دایملر
پاسخ از چهرهای آشنا آمد — گوتلیب ویلهلم دایملر، همان مهندس آلمانی که میراث DaimlerChrysler را پیریخت. در سال ۱۸۸۵، دایملر روشی را برای فشار دادن هوای بیشتر به سیلندرهای موتور با استفاده از یک سوپرشارژر مکانیکی توسعه داد — در اصل یک کمپرسور (فن) که مستقیماً توسط میللنگ موتور نیرو میگرفت و هوای فشرده را به سیلندرها میفرستاد.
کار کرد. اما یک اشکال اساسی داشت: کمپرسور انرژی را مستقیماً از موتور برای تأمین توان خود میگرفت. مهندسان میدانستند که باید راه بهتری وجود داشته باشد.
آلفرد بوخی و تولد توربوشارژر (۱۹۰۵)
آلفرد ج. بوخی وارد صحنه شد، مهندس و مخترع سوئیسی که در شرکت Sulzer Brothers کار میکرد و توسعه موتورهای دیزل را رهبری میکرد. بوخی از دو جهت ناامید بود:
- موتورهای دیزل آن دوره بزرگ، سنگین و کمتوان بودند
- سوپرشارژرهای مکانیکی انرژی موتور را که برای حرکت خود نیاز داشت میدزدیدند
در سال ۱۹۰۵، بوخی راهحلی انقلابی را ثبت اختراع کرد: یک دستگاه شارژ که نه توسط میللنگ موتور، بلکه توسط گازهای خروجی آن نیرو میگرفت. این اولین توربوشارژر جهان بود.
نحوه کار توربوشارژر
مفهوم پشت توربوشارژر بهطرز زیبایی ساده است. اینجا اصل پایه، گام به گام آمده است:
- گازهای خروجی داغ از موتور خارج شده و به محفظه توربین جاری میشوند
- این گازها چرخ پرهدار — روتور توربین — را میچرخانند، درست مثل اینکه باد آسیاببادی را میچرخاند، اما با سرعتی شدید
- روتور توربین روی همان محور چرخ کمپرسور نصب شده است
- با چرخش توربین، کمپرسور را نیز میچرخاند که هوای فشرده را به سیلندرها میفرستد
- هوای بیشتر در سیلندرها به این معناست که سوخت بیشتری میسوزد — که منجر به خروجی توان بیشتر میشود
کلمه «توربوشارژر» از ریشههای لاتین turbo (گرداب) و compressio (فشردن) گرفته شده است — توصیف مناسبی از آنچه در داخل اتفاق میافتد.
نقش اینترکولر
یک قطعه دیگر نیز در این پازل وجود دارد. وقتی هوا از کمپرسور عبور میکند و توسط اجزای داغ توربوشارژر گرم میشود، منبسط میشود — به این معنی که اکسیژن کمتری در همان حجم جای میگیرد. برای مقابله با این مسئله، موتورهای توربوشارژردار از یک اینترکولر استفاده میکنند: یک رادیاتور که در مسیر هوا بین کمپرسور و سیلندرهای موتور قرار میگیرد.
وظیفه اینترکولر ساده اما حیاتی است:
- هوای فشرده را قبل از ورود به سیلندرها خنک میکند
- هوای خنکتر متراکمتر است، به این معنی که مولکولهای اکسیژن بیشتری در همان فضا جای میگیرند
- این امکان فشار بوست بالاتر — و حتی افزایش توان بیشتر را فراهم میکند
- همچنین به جلوگیری از ضربه موتور (احتراق زودرس) کمک میکند، بهویژه در کاربردهای با عملکرد بالا
مزایای کلیدی توربوشارژ نسبت به تنفس طبیعی
بهرهوری توربوشارژ چشمگیر است. برخلاف سوپرشارژر مکانیکی — که برای کار کردن توان موتور را مصرف میکند — یک توربوشارژر انرژی را از گازهای خروجی که در غیر این صورت هدر میرفتند استخراج میکند. نکته مهم این است که توربین آن گازها را بهطور قابلتوجهی کند نمیکند؛ در عوض آنها را خنک میکند و در این فرآیند انرژی بازیابی میکند. مزایای اصلی عبارتند از:
- تنها حدود ۱.۵٪ از انرژی موتور توسط توربوشارژر برای نگهداری خود مصرف میشود
- خروجی توان بالاتر از یک موتور با جابجایی کمتر
- کاهش اتلاف اصطکاک به دلیل موتور سبکتر و فشردهتر
- راندمان سوخت بهتر در مقایسه با موتور تنفس طبیعی با توان معادل
- اگزوز پاکتر، بهویژه مرتبط با موتورهای دیزل مدرن
به نظر میرسد راهحل کامل است — اما توربوشارژ با چالشهای مهندسی جدی همراه بود که پذیرش گسترده آن را برای دههها به تأخیر انداخت.
چالشها: گرمای شدید، سرعت و تأخیر توربو
توربوشارژرها در شرایط سخت کار میکنند:
- روتورهای توربین میتوانند با سرعت تا ۲۰۰٬۰۰۰ دور در دقیقه بچرخند
- دمای گاز خروجی میتواند به ۱٬۰۰۰ درجه سانتیگراد (۱٬۸۳۲ درجه فارنهایت) برسد
- اجزا باید یکپارچگی ساختاری و تلرانسهای دقیق را در برابر استرس مداوم حرارتی و مکانیکی حفظ کنند
به همین دلیل، توربوشارژ تنها در طول جنگ جهانی دوم به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفت — و در ابتدا فقط در هوانوردی، جایی که سرمایهگذاری مهندسی توجیه داشت. در دهه ۱۹۵۰، Caterpillar با موفقیت این فناوری را برای تراکتورهای خود تطبیق داد، در حالی که Cummins اولین موتورهای کامیون توربودیزل را توسعه داد. خودروهای سواری توربوشارژردار تا سال ۱۹۶۲ ظاهر نشدند، زمانی که Oldsmobile Jetfire و Chevrolet Corvair Monza تقریباً بهطور همزمان عرضه شدند.
علاوه بر دوام، یک چالش دیگر مختص خودروها وجود داشت: تأخیر توربو. در دور پایین موتور، حجم گاز خروجی محدود است، بنابراین توربین به کندی میچرخد و کمپرسور به سختی فشار ایجاد میکند. موتور ممکن است زیر ۳٬۰۰۰ دور در دقیقه کُند به نظر برسد، سپس ناگهان بالای ۴٬۰۰۰ تا ۵٬۰۰۰ دور در دقیقه با توان زیادی شتاب بگیرد. هرچه توربین بزرگتر باشد، تأخیر بیشتر است. توربینهای کوچکتر تأخیر را کاهش میدهند اما توان اوج را فدا میکنند.
راهحلهای مدرن: چگونه مهندسان تأخیر توربو را شکست دادند
در طول دههها، مهندسان رویکردهای هوشمندانهای برای به حداقل رساندن تأخیر توربو در حین حفظ افزایش توان توسعه دادند:
- توربو دوگانه متوالی: یک توربوشارژر کوچک با اینرسی کم دورهای پایین را مدیریت میکند، در حالی که یک واحد بزرگتر در دورهای بالا وارد کار میشود. در Porsche 959 افسانهای استفاده شده و امروزه در توربودیزلهای BMW و Land Rover یافت میشود. موتورهای بنزینی Volkswagen از یک سوپرشارژر تسمهای به جای توربوی کوچک برای پاسخ حتی سریعتر در دور پایین استفاده میکنند.
- توربوشارژر دو اسکرول: یک توربوی تکی با دو ورودی اگزوز جداگانه (ولوت)، هر کدام توسط گروهی متفاوت از سیلندرها تغذیه میشوند. این باعث میشود توربین هم در دور پایین و هم در دور بالا بهطور کارآمد بچرخد، تأخیر را بدون افزودن واحد توربوی دوم کاهش میدهد. رایج در موتورهای شش سیلندر مستقیم و چهار سیلندر.
- توربو دوگانه موازی: دو توربوشارژر یکسان که به بانکهای سیلندر جداگانه خدمت میکنند. استاندارد در موتورهای V شکل، که هر بانک واحد خود را دارد. بخش M شرکت BMW این را با یک منیفولد اگزوز بینبانکی در X5 M و X6 M فراتر برد، که به یک کمپرسور دو اسکرول اجازه میدهد گازها را از بانکهای سیلندر مخالف در فازهای احتراق مخالف بکشد.
- توربوشارژر با هندسه متغیر (VGT): پرههای قابل تنظیم در داخل محفظه توربین مسیر جریان گازهای خروجی را بسته به دور موتور تغییر میدهند — بهطور مؤثر توربو را در هر دوری «اندازه» مناسب میدهند. اول در موتورهای دیزل اتخاذ شد (جایی که دماهای پایینتر اگزوز پیادهسازی را آسانتر کرد) و در نهایت توسط Porsche با 911 Turbo به موتورهای بنزینی آورده شد.
توربوشارژ امروز: از عملکرد تا کارایی
آنچه به عنوان یک چالش مهندسی هوانوردی آغاز شد، به فناوری غالب در پیشرانهای مدرن خودرویی تبدیل شده است. امروزه توربوشارژ دیگر فقط درباره عملکرد نیست — بلکه محور اصلی استانداردهای مصرف سوخت و انتشار آلاینده است. تقریباً هر موتور دیزلی در بازار پیشوند «توربو» را به عنوان یک امر بدیهی با خود دارد. و در دنیای بنزینی، موتورهای کوچک توربوشارژردار بهطور گسترده جایگزین واحدهای بزرگتر با تنفس طبیعی در بخشهای جریان اصلی، لوکس و عملکردی شدهاند.
آن برچسب کوچک فروتنانه پشت یک خودروی بهظاهر معمولی داستانی بیش از یک قرن را روایت میکند — از ثبت اختراع بوخی در سال ۱۹۰۵ تا سیستمهای دو اسکرول با هندسه متغیر امروز. و آن داستان هنوز تمام نشده است.
این یک ترجمه است. میتوانید نسخه اصلی را اینجا بخوانید: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html
منتشر شده ژانویه 27, 2022 • 7 دقیقه برای مطالعه
