به گزارش خبرگزاری بیکینگ، به نقل از آخرین خودرو، در سالهای اخیر، استفاده از توربوشارژرها بهعنوان یکی از راهکارهای اصلی برای افزایش توان و بهرهوری موتورهای احتراق داخلی به طور چشمگیری گسترش یافته است. توربوشارژرها با استفاده از انرژی گازهای خروجی، هوای ورودی به موتور را فشرده میکنند و به این ترتیب میزان اکسیژن موجود برای احتراق افزایشیافته و قدرت موتور بهبود مییابد. با این وجود، یکی از مهمترین محدودیتهای این فناوری، تأخیر توربو (Turbo Lag) است. تأخیر توربو (Turbo Lag) به فاصله زمانی میان افزایش ناگهانی بار موتور (معمولاً با فشردن پدال گاز توسط راننده) و لحظه واقعی رسیدن فشار بوست تولیدی توسط توربوشارژر به سطح مؤثر و موردنیاز اطلاق میشود. این تأخیر معمولاً در حدود چند دهم ثانیه است، اما از دید راننده، با کاهش آنی شتاب، کندی پاسخدهی موتور و گاهی حتی با افزایش ناگهانی قدرت در دورهای بالاتر بهصورت لگدزدن توربو (Turbo Kick-In) قابلدرک است.
تحلیل فیزیکی عملکرد توربوشارژر
توربوشارژ از دو بخش اصلی توربین و کمپرسور تشکیل شده است. توربین بهواسطه انرژی حرارتی و فشاری گازهای خروجی از منیفولد دود به چرخش درمیآید و کمپرسور از طریق محور مشترک با توربین میچرخد و وظیفه فشردهسازی هوای ورودی به موتور را بر عهده دارد. در هنگام افزایش بار ناگهانی بر موتور (مثلاً در زمان فشردن سریع پدال گاز)، چون هنوز حجم و انرژی گازهای خروجی موتور بهاندازه کافی بالا نرفته است، توربین نمیتواند بهسرعت موردنیاز برسد. در نتیجه کمپرسور نیز قادر به تولید فشار بوست کافی نیست و موتور برای لحظاتی بدون کمک فشار اضافهکار میکند. این رفتار مستقیماً ناشی از دو عامل کلیدی است: اینرسی دورانی توربین و کمپرسور که موجب تأخیر در افزایش سرعت شفت توربو میشود. لختی جریان سیال گازهای خروجی و هوای ورودی نیاز به زمان دارند تا از سکون به دبی جرمی مؤثر برسند. این دو عامل بهصورت ترکیبی باعث ایجاد تاخیر محسوس در عملکرد بوست توربو میشوند، بهویژه در شرایطی که موتور در دورهای پایین قرار دارد و میزان گازهای خروجی بسیار کم است.
پارامترهای مؤثر بر تأخیر توربو
جرم دورانی (Rotational Inertia)
یکی از عوامل کلیدی در ایجاد تأخیر توربو، اینرسی دورانی مجموعه توربو شامل توربین، شفت و کمپرسور است. هرچه جرم این اجزا بیشتر باشد، انرژی بیشتری برای رسیدن بهسرعت عملیاتی موردنظر نیاز خواهد بود. توربینهایی با پرههای سنگینتر در دورهای پایین با کندی بیشتری شتاب میگیرند که موجب افزایش زمان پاسخ سیستم میشود. استفاده از آلیاژهای سبکوزن نظیر TiAl (تیتانیوم آلومیناید) و Inconel در طراحی پرهها میتواند جرم مؤثر دورانی را کاهش داده و پاسخدهی را بهبود بخشد.
طراحی مسیر گازهای خروجی
منیفولد اگزوز نقشی اساسی در هدایت انرژی حرارتی گازهای خروجی به سمت توربین ایفا میکند. طراحیهایی که دارای طول زیاد، خمیدگیهای تند یا سطح مقطع غیربهینه هستند، منجر به افت فشار، کاهش سرعت جریان و تلفات حرارتی میشوند. این موارد مستقیماً باعث کاهش توان توربین و افزایش تأخیر در شروع به کار توربو میشود. طراحی بهینه منیفولد با درنظرگرفتن حداقل طول مسیر، بیشترین سطح همگرایی جریان و کاهش نوسانات فشاری، عملکرد توربو را در دورهای پایین به شکل محسوسی بهبود میبخشد.
حجم سیستم بوست (Charge Volume)
پس از فشردهسازی هوا در کمپرسور، هوا باید از طریق سیستمهایی نظیر اینتر کولر، لولههای بوست و دریچه گاز وارد سیلندر شود. اگر حجم کل این مسیر زیاد باشد، زمان بیشتری برای رسیدن فشار هوای فشرده به سطح موردنظر لازم است. این پدیده با عنوان تأخیر پر شدن شارژ (Charge Filling Delay) شناخته میشود. استفاده از لولههای کوتاهتر با قطر بهینه، اینتر کولرهای کامپکت با بازده حرارتی بالا و حذف زوایای تند در مسیر، از جمله راهکارهای مؤثر برای کاهش این نوع تأخیر هستند.
فناوریهای نوین برای کاهش تأخیر توربو
توربوشارژر با هندسه متغیر (VGT)
توربوشارژرهای با هندسه متغیر (Variable Geometry Turbochargers) با بهرهگیری از پرههای متحرک در سمت توربین، قادرند زاویه این پرهها را بسته به شرایط عملکرد موتور تغییر دهند. در دورهای پایین، پرهها بهگونهای تنظیم میشوند که مسیر عبور گازهای خروجی تنگتر شود، در نتیجه سرعت جریان گاز افزایشیافته و شتابگیری توربین تسریع میشود. این فناوری به طور گسترده در موتورهای دیزل مانند Cummins ISX، VW TDI و در برخی پیشرانههای بنزینی با عملکرد بالا نظیر Porsche ۹۱۱ Turbo استفاده میشود.
توربوهای الکتریکی یا هیبریدی (E-Turbo)
در سیستمهای E-Turbo، یک موتور الکتریکی کوچک مستقیماً روی محور توربو نصب شده و در لحظه نیاز، پیش از آنکه جریان گازهای خروجی به میزان کافی برسد، کمپرسور را به چرخش درمیآورد. این سیستم به طور چشمگیری تأخیر توربو را کاهش داده و حتی در برخی حالات، آن را به صفر میرساند. علاوه بر حذف تأخیر، این فناوری موجب بهبود مصرف سوخت و کاهش آلایندگی نیز میشود. نمونههایی از این تکنولوژی در خودروهای مدرن برندهایی چون مرسدس AMG (EQ Boost) و آئودی با سیستم ۴۸ ولتی پیادهسازی شده است. اما به دلیل هزینه و پیچیدگی بالا، در حال حاضر محدود به خودروهای سطح بالا و آیندهنگر است.
سیستم ضدتاخیر (Anti-Lag System – ALS)
سیستم ضدتاخیر یا Anti-Lag، عمدتاً در خودروهای مسابقهای استفاده میشود. در این سیستم با تأخیر در زمان جرقهزنی یا تزریق سوخت اضافی به منیفولد اگزوز، گازهای داغ مستقیماً در خروجی موتور مشتعل میشوند. این احتراق کنترلشده باعث حفظ دور بالای توربین حتی در لحظه کاهش گاز میشود. اگرچه عملکرد سیستم ALS در حذف تأخیر بینظیر است، اما دمای بسیار بالای تولیدشده و فشار زیاد بر روی توربو و اگزوز، آن را برای استفادهی روزمره در خودروهای شهری نامناسب میسازد.
توربوهای دوقلو (Twin-Turbo)
در طراحی توربوهای دوقلو، از دو توربوشارژر با اندازه و عملکرد متفاوت استفاده میشود تا پاسخدهی در بازه گستردهتری از دور موتور تأمین گردد. در پیکربندی Sequential Twin-Turbo، توربوی کوچک در دورهای پایین فعال است و پس از افزایش بار موتور، توربوی بزرگتر وارد مدار میشود. این سیستم تعادل مناسبی میان کاهش تأخیر و افزایش توان خروجی فراهم میآورد. نمونههای برجسته از این معماری را میتوان در موتورهای BMW N۵۴ و Toyota ۲JZ-GTE مشاهده کرد. اما از نظر طراحی و کنترل بسیار پیچیدهتر بوده و هزینه اجرای بالایی دارد.
طراحی بهینه مسیر هوای ورودی و خروجی
یکی از عوامل تأثیرگذار و نسبتاً کمهزینه در کاهش تأخیر، بهینهسازی طراحی مسیر عبور هوا و گازهای خروجی است. استفاده از لولههای با حداقل خمیدگی، قطر مناسب، و سطوح صافتر، همراه با اینتر کولرهای کامپکت با راندمان حرارتی بالا، میتواند حجم هوای فشرده را کاهش دهد و زمان رسیدن فشار بوست به سطح مطلوب را کم کند. بهینهسازی این مسیرها در کنار کنترل دقیق عملکرد دریچه گاز (throttle response)، میتواند تأخیر توربو را به میزان قابلتوجهی کاهش دهد. این راهکار با هزینه و پیچیدگی پایین، تقریباً در همه خودروهای مجهز به توربو قابل اجراست و در تیونینگ نیز کاربرد گستردهای دارد.
پدیده تأخیر توربو، یکی از چالشهای بنیادی در طراحی سیستمهای پرخوران در موتورهای احتراق داخلی محسوب میشود که مستقیماً بر کیفیت رانندگی، پاسخدهی موتور و تجربه کاربر تأثیرگذار است. همانطور که تحلیل شد، منشأ این تأخیر در لختی فیزیکی اجزای توربو، اینرسی جریان گاز و حجم مسیر هوای فشرده نهفته است.
۲۲۷۳۲۲
