بسیاری از افراد معتقدند که پیشرانه های توربو شارژر تنها در شتاب اولیه عملکرد خوبی دارند. اما این باور تا چه حد درست و صحیح است؟
در فرهنگ خودرویی ما بعضی باورها آنقدر تکرار شده که تبدیل به حقیقتی بدیهی در ذهن بسیاری از مردم شده اند؛ حتی اگر از نظر فنی سال هاست که اشتباه اند. یکی از این باورها این است که «موتورهای کم حجم توربو شارژر فقط روی شتاب اولیه و عدد اسب بخار خوب اند اما در شرایط سخت مثل سربالایی، بار زیاد یا سرعت های بالا کم می آورند و معلوم می شود که موتورهای حجیم تنفس طبیعی بهترند.» این جمله به قدری رایج شده که گاهی حتی افراد متخصص هم بدون بررسی دقیق آن را تکرار می کنند.
اما حقیقت مهندسی امروز کاملا چیز دیگری است. بسیاری هنوز موتور توربو را با نسخه های قدیمی آن در دهه های گذشته قضاوت می کنند؛ در حالی که پیشرانه های امروزی حاصل هزاران ساعت مهندسی دقیق، مواد پیشرفته، سیستم های کنترل هوشمند و تکنولوژی هایی هستند که امکان مقایسه شان با گذشته را از بین می برد. امروز در دنیا تقریبا هیچ خودروساز معتبری مسیر بازگشت به «حجم زیاد بدون توربو» را انتخاب نمی کند چون از نظر راندمانی و پایداری عملکرد موتورهای توربوشارژر در اغلب سناریوهای واقعی برتر هستند.
این مقاله تلاشی است برای روشن کردن این واقعیت؛ اینکه چرا باور «ضعف موتورهای توربو در فشار» دیگر اعتباری ندارد و چگونه فناوری های مدرن تصویر کاملا متفاوتی از عملکرد موتورهای کم حجم توربو شارژر ارائه می دهند.
پیشرانه توربو واقعا چه تغییری ایجاد می کند؟
بسیاری از سوتفاهم ها از یک نقطه آغاز می شود: نگاه به عدد «حجم موتور» به عنوان معیار اصلی قدرت و توانایی. ما ناخود آگاه تصور می کنیم هر چه حجم بیشتر باشد، موتور قوی تر است؛ بنابراین وقتی با یک موتور ۱.۵ لیتری توربو مواجه می شویم ذهنمان آن را در همان سطح یک موتور ۱.۵ لیتری تنفس طبیعی قرار می دهد. در حالی که اساس کار یک موتور توربو دقیقا افزایش حجم مؤثر هوای ورودی است. یعنی موتور از نظر واقعی هوایی معادل یک پیشرانه بزرگ تر دریافت می کند و بنابراین توان تولیدی اش هم به همان نسبت افزایش می یابد.
وقتی توربو با فشار مناسب هوا را به داخل سیلندر می فرستد حجم هوایی که در هر سیکل احتراق وارد می شود می تواند به اندازه موتورهایی با حجم دو برابر یا بیشتر باشد. به زبان ساده: یک موتور ۱.۵ لیتری توربو که تحت بوست مناسب کار می کند از نظر تنفس واقعی شبیه یک موتور ۲.۵ تا ۳ لیتری عمل می کند. به همین دلیل است که مقایسه ساده ۱.۵ لیتری در مقابل ۲.۴ لیتری فقط بر اساس حجم، مقایسه ای نادرست و قدیمی است. باید مقایسه را بر اساس گشتاور، منحنی قدرت، مدیریت احتراق و رفتار موتور تحت بار انجام داد؛ جایی که توربو عملا مزیت های خود را نشان می دهد.
گشتاور؛ کلید فهم برتری توربو شارژر
اگر بخواهیم بفهمیم چرا موتورهای مجهز به توربو شارژر در شرایط سخت کم نمی آورند باید یک اصل بنیادی را بشناسیم: آنچه خودرو را حرکت میدهد گشتاور است نه صرفا اسب بخار.
اسب بخار بیشتر به معنی توان کلی بیشتر در سرعت های بالا است اما گشتاور همان نیرویی است که در لحظات سخت مثل شروع حرکت، سربالایی یا حمل بار نیاز داریم.
در موتورهای تنفس طبیعی، رسیدن به گشتاور حداکثر معمولا در دورهای بالا اتفاق می افتد. راننده برای گرفتن بیشترین کشش باید پای خود را روی گاز نگه دارد تا موتور هوا را به صورت طبیعی بکشد و دور بالا بیاید. اما در موتورهای توربو، گشتاور در دورهای بسیار پایین ایجاد میشود؛ چون هوای فشرده به صورت آماده وارد سیلندر می شود. این یعنی در همان دوری که خودرو بیشترین فشار را تحمل می کند (۱۵۰۰ تا ۲۵۰۰ دور)، موتور توربو بیشترین توانایی خود را عرضه می کند.
این همان نقطه ای است که باور غلط فرو میریزد: وقتی نیاز به قدرت در دور پایین و بار زیاد است، اتفاقا موتور توربو بهتر نفس می کشد، نه بدتر.
چگونه موتور توربو تحت فشار کم نمی آورد؟
یکی از مهم ترین تفاوت های موتورهای توربوشارژ امروزی با نسل های قدیمی، سیستم های کنترل الکترونیکی بسیار پیشرفته است. در گذشته موتورهای توربو نسبت به حرارت خیلی بیش از امروز حساس بودند، لگ زیادی داشتند و سیستم های مدیریت بوست و احتراق بسیار ابتدایی بودند. در چنین شرایطی طبیعی بود که در شرایط فشار افت توان رخ بدهد. اما امروز مهندسی این موتورها به شکلی انجام شده که در لحظات نیاز، نه تنها افت نمی کنند بلکه ECU عمدا بوست را افزایش می دهد تا توان لازم ایجاد شود.
وقتی خودرو در شیب قرار می گیرد یا سرنشین و بار زیاد دارد حسگرهایی مانند فشار منیفولد، دمای هوا، دمای گازهای خروجی و بار موتور لحظه به لحظه داده ها را به ECU ارسال می کنند. ECU هم فورا با تنظیم زمان جرقه، مقدار سوخت، فشار بوست و زاویه دریچه گاز شرایط را به گونه ای تنظیم می کند که موتور در نقطه مطلوب بماند. این فرآیند پیوسته و هوشمند باعث می شود افت توان واقعی تقریبا صفر باشد.
از سوی دیگر وجود اینترکولرهای کارآمد، سیستم تزریق مستقیم بنزین، نسبت تراکم مناسب برای کار با توربو، خنک کاری چند مداره و الگوریتم های ضد کوبش کمک می کنند که موتور حتی در شرایط سخت کاری از محدوده عملکرد ایدهآل خود خارج نشود.
اگر از منظر مهندسی به موضوع نگاه کنیم موتورهای توربو کم حجم برای کارکرد در شرایط پرفشار طراحی شده اند. جالب است بدانید بسیاری از موتورهای توربو شارژر در آزمایش های کارخانه ای تحت بارهایی بیشتر از شرایط جاده ای تست می شوند. سربالایی شبیه سازی شده، بار اضافه، دمای محیط بالا و حتی شرایط کمبود اکسیژن. دلیل ساده اش این است که مهندسان می دانند در جادههای واقعی، موتور دقیقا در همین شرایط باید بهترین عملکرد را داشته باشد. توربو در واقع ابزاری است برای جبران فشارهای ناگهانی و حفظ نسبت هوا و سوخت در شرایطی که یک موتور تنفس طبیعی مجبور است برای رسیدن به آن دور موتور را بالا ببرد.
چرا برخی رانندگان احساس می کنند موتور توربو ضعیف است؟
این احساس بیشتر مربوط به نحوه استفاده و بعضا طراحی گیربکس خودروهای اقتصادی است نه ذات موتور توربو شارژر. بسیاری از رانندگان عادت دارند با الگوی موتورهای تنفس طبیعی رانندگی کنند. دنده سنگین، گاز آرام و پایین نگه داشتن دور. در حالی که موتور توربو بخش اصلی گشتاور خود را در دوری کمی بالاتر می دهد( حدود ۲۰۰۰ دور بر دقیقه) و اگر راننده در دنده ای بماند که زیر حد بوست باشد ممکن است لحظه ای احساس کند موتور تأخیر دارد.
همچنین برخی گیربکس های CVT یا اتوماتیک ساده که بعضا در خودروهای اقتصادی دیده میشود دور موتور را بیش از حد پایین نگه می دارند تا مصرف را کاهش دهند؛ همین انتخاب محافظه کارانه باعث می شود راننده تصور کند موتور نیرو ندارد در حالی که کافی است گیربکس اجازه دهد دور موتور وارد محدوده تولید گشتاور شود تا تفاوت کاملا حس شود. در واقع مشکل در هماهنگی ECU و گیربکس یا شیوه رانندگی است نه عملکرد واقعی موتور توربو.
توربو در سربالایی و بار زیاد بهتر عمل می کند، نه بدتر
اگر بخواهیم عملکرد واقعی را با زبان ساده توضیح دهیم:
در سربالایی خودرو نیاز به نیرویی بیشتر از حالت معمول دارد چون بر نیروی گرانشی باید غلبه شود. در موتور تنفس طبیعی این کار با افزایش دور موتور انجام می شود؛ یعنی راننده باید دنده را سنگین کند و دور را بالا ببرد تا هوا بیشتری وارد موتور شود. اما در موتور توربو این وابستگی وجود ندارد؛ فشار هوا را توربو تأمین می کند نه صرفاً افزایش دور موتور. بنابراین موتور بدون تلاش اضافی همان مقدار توان مورد نیاز را فراهم می کند. ضمن اینکه نقطه بار دیگر باید تاکید کرد که نقطه پیک گشتاور در پیشرانه های توربو بسیار پایین تر از پیشرانه های تنفس طبیعی است و به محض رسیدن دور موتور به حدود ۲۰۰۰ دور بر دقیقه قابلیت استفاده از حداکثر گشتاور را خواهید داشت در حالیکه این عدد در موتورهای تنفس طبیعی حدود ۴۰۰۰ دور بر دقیقه است.
به همین دلیل است که خودروهای مجهز به توربو شارژر در مسیرهای کوهستانی، بزرگراه های شیب دار یا هنگام حمل بار و سرنشین زیاد کشش پایدارتری نشان می دهند. این موضوع در شتاب ثانویه یا افزایش سرعت در سربالایی نیز کاملا محسوس است. موتور توربو قادر است در همان دور پایین گشتاور کافی را تولید کند و همین باعث می شود سبقت گرفتن یا افزایش سرعت در شرایط سخت راحت تر باشد.
درک این تفاوت در رانندگی روز مره نیز قابل لمس است. کافی است یک خودرو با موتور تنفس طبیعی و یک نمونه توربو را در مسیر کوهستانی مقایسه کنید. موتور تنفس طبیعی برای عبور از سربالایی نیاز به پایین آوردن دنده و بالا بردن دور دارد. دور که پایین بماند خودرو به وضوح سنگین می شود. اما در موتور توربو با اندکی افزایش دور وارد محدوده گشتاور می شوید و خودرو بدون فریاد موتور، بدون تلاش اضافی و بدون تکیه بر دورهای بالای ۵۰۰۰، سربالایی را با ثبات و آرامش طی می کند. این تفاوت در شتاب گیری ثانویه مثلا در سرعت ۸۰ تا ۱۲۰ نیز به وضوح دیده می شود. موتور توربو با گشتاور بالا در دورهای میانی به شکلی ناگهانی و قدرتمند واکنش نشان می دهد، درست برعکس موتور تنفس طبیعی که باید برای ارائه همان مقدار نیرو، دور زیادی بالا برود.
چرا جهان به سمت توربو رفته؟
اگر باور ضعف موتورهای توربو درست بود شرکت هایی مانند مرسدس بنز، فولکس واگن، فورد، ب ام و، پژو، رنو، هوندا، هیوندای، ولوو و… هرگز سرمایه گذاری عظیم روی موتورهای توربوشارژ کم حجم انجام نمی دادند. دلیل این انتخاب جهانی برتری های پیشرانه های توربو در راندمان، مصرف سوخت، توان خروجی و پایداری عملکرد است. هیچ خودروساز بزرگی سال ها تجربه، میلیاردها دلار سرمایه و ده ها سال تحقیق را صرف سیستمی نمی کند که در شرایط واقعی کم بیاورد.
جمعبندی
باور قدیمی که می گوید «موتورهای توربو کم حجم تنها روی کاغذ قوی اند و زیر فشار واقعی ضعیف می شوند» ریشه در تجربه های نسل های گذشته دارد؛ زمانی که توربوها تأخیر زیاد و خنک کاری ضعیف داشتند و از طرفی کنترل دقیق نداشتند. اما امروز داستان کاملا متفاوت است. موتورهای توربوشارژ مدرن با تکنولوژی های پیشرفته، مدیریت هوشمند و مواد مقاوم، توان و گشتاوری ارائه می دهند که موتورهای تنفس طبیعی هم رده به هیچ وجه به آن نمی رسند خصوصا در شرایط پرفشار مثل سربالایی، بار سنگین و سرعت بالا.
امروزه توربو نه یک راهحل موقت بلکه استاندارد صنعت خودروسازی است؛ انتخابی که هم آینده دارد و هم در عمل ثابت کرده که برتر است. بنابراین زمان آن رسیده که این باور غلط برای همیشه کنار گذاشته شود. موتور توربو در فشار کم نمی آورد؛ بلکه دقیقا برای همین شرایط ساخته شده است.
source