توربوشارژر و سوپرشارژر چیست؟ با سیستم‌ های پروخوران موتور آشنا شوید (بخش دوم)

دو دلیل عمده‌ای که خودروسازان را به سمت استفاده از پیشرانه‌های تویین توربو کشاند، کارایی آن‌ها در کنار اندازه و شکل پیشرانه بود.

در پیشرانه های کوچک معمولا از سیستم تویین توربو استفاده نمی‌شود؛ زیرا در این پیشرانه‌ها میزان گازهای خروجی از اگزوز آنقدر زیاد نیست که بتواند دو عدد توربوشارژر را به کار بیاندازد. بنابراین از این سیستم بیشتر در پیشرانه‌های بزرگتر استفاده می‌شود. استفاده از چند توربوی کوچک بجای یک توربوی بزرگ در این پیشرانه‌ها می تواند تاخیر یا همان لگ توربوشارژر را نیز کاهش دهد، چون توربوشارژرهای کوچک‌تر نسبت به انواع بزرگ‌تر دارای تاخیر کمتری هستند.

مساله‌ی دوم قضیه‌ی شکل پیشرانه‌ها است؛ در پیشرانه‌های تخت (باکسر) یا وی شکل (خورجینی) استفاده از یک توربوشارژر بسیار سخت است و نیاز خواهد بود تا از لوله‌های بلند و زیادی برای انتقال دود از یک سمت به سمت دیگر استفاده شود. استفاده از مانیفولد اگزوز بلندتر و بزرگتر به جز کاهش کارایی توربوها، پیچیدگی و وزن پیشرانه را نیز افزایش خواهد داد. بنابراین در چنین خودروهایی برای هر بلوک از یک توربوشارژر استفاده می‌شود. مثال چنین خودروهایی بی ام و ۷۵۰ و سوبارو ایمپرزا هستند. امروزه تقریبا تمامی پیشرانه‌های وی شکلی که دارای توربوشارژر باشند، از سیستم تویین توربو استفاده می‌کنند.

این چیدمان ساده‌ترین و پرکاربردترین نوع تویین توربو است و اکثر خودروهای تویین توربوی موجود در بازار از این روش استفاده می‌کنند. در این چیدمان روی هر بلوک از پیشرانه‌ی وی شکل یا باکسر، یک عدد توربوشارژر قرار می‌گیرد و از مانیفولد دود همان بلوک تغذیه می‌شود. مثال چنین پیشرانه‌هایی، پیشرانه‌ی مورد استفاده در مرسدس بنز S500 است. در شکل زیر یک پیشرانه‌ی دو توربو از نوع موازی متعلق به خودروی مازراتی را مشاهده می کنید.

اما شرکت بی‌ام‌و در سیستم تویین توربوی خود از چیدمان خاصی استفاده کرده است؛ پیشرانه‌ی N54 و N55 این شرکت که در خودروهایی چون 335i و X635i استفاده شده است، نمونه‌ی شش سیلندر خطی است که سیلندرهای آن در امتداد یکدیگر قرار دارند. در این پیشرانه همانطور که در شکل مشاهده می کنید، به ازای هر سه سیلندر یک عدد توربوشارژر قرار داده شده است. 

در گذشته از توربوشارژرهای دوتایی با دومرحله نیز استفاده می‌شد و در آن سیستم توربوشارژر دوم در دورهای بالا و در زمان نیاز وارد مدار شده و در دورهای پایین تنها یکی از توربوشارژرها عمل می کرد. اما با پیشرفت علم و بهبود بخش الکترونیکی پیشرانه‌ها، امکان کنترل بهتر روی توربوشارژرها فراهم شده و دیگر سیستم دو مرحله ای کنار گذاشته شد. خودروهایی مانند نسل آخر تویوتا سوپرا و مزدا RX-7 از توربوشارژرهای دومرحله‌ای استفاده می‌کردند. در شکل زیر تصویری شماتیک از یک توربوشارژر دو مرحله‌ای را مشاهده می کنید.

مشهورترین خودروی بازار ایران که از این نوع توربوشارژر استفاده می کند بی‌ام‌و های 328i و 528i هستند. خودروسازانی چون میتسوبیشی، رنو، پژو سیتروئن، جنرال موتورز و بی‌ام‌و همگی نسبت به استفاده از این نوع توربوشارژرها تمایل زیادی نشان داده و در مدل‌های مختلفی از محصولات خود از این سیستم استفاده کرده‌اند، اما دلیل آن چیست؟ پاسخ را باید در سرعت عمل و تاخیر بسیار کم و راندمان بالای این نوع توربوشارژرها جست.

در یک توربوشارژر ساده گازهای خروجی از تمامی سیلندرها از طریق یک مجرای مشترک وارد توربوشارژر می‌شوند. از آنجایی که زمان خروج دود از هر سیلندر متفاوت با دیگر سیلندرها است، تداخل این گازها با یکدیگر می‌تواند سبب کاهش انرژی آن‌ها شده و در نتیجه کارایی توربوشارژر را نیز کاهش دهد. در سیستم تویین اسکرول (گاها تویین پاور نیز نامیده می‌شود) دو مجرای جداگانه برای ورود دود به توربوشارژر تعبیه شده است. بطوری که برای مثال در پیشرانه‌ی بی‌ام‌و  در سیستم تویین اسکرول دو مجرای جداگانه برای ورود دود به توربوشارژر تعبیه شده است. بطوری که برای مثال در پیشرانه‌ی بی‌ام‌و 328i سیلندرهای ۱ و ۴ دارای یک مجرا و سیلندرهای ۲ و ۳ نیز دارای مجرای دیگری هستند. با چنین تدبیری نه تنها کارایی توربوشارژر افزایش پیدا می‌کند بلکه تاخیر آن نیز کاهش چشمگیری پیدا می‌کند. همچنین این دو مجرای مختلف در داخل توربین نیز عملکردی متفاوت دارند بطوری که دود موجود در مجرا با لبه‌ی بیرونی پره‌های توربین تماس پیدا کرده و دور توربوشارژر را افزایش می‌دهد و دود موجود در مجرای کوچک‌تر نیز با لبه‌ی داخلی پره‌های توربین برخورد کرده و باعث چرخش سریع‌تر توربوشارژر در ابتدای حرکت می شود تا تاخیر را از بین ببرد. دو شکل زیر نمایی از عملکرد توربوشارژر تویین اسکرول را نشان می‌دهند. 

 نگاهی به مشخصات پیشرانه‌ی N20 بی‌ام‌و نشان خواهد داد که این پیشرانه از عملکرد بالایی برخوردار است. این پیشرانه‌ی دو لیتری چهار سیلندر دارای توان تولید ۲۴۵ اسب بخار در ۵ هزار دور بر دقیقه و ۳۵۰ نیوتون‌متر گشتاور را در بازه‌ی ۱۲۵۰ تا ۴۸۰۰ دور بر دقیقه داراست. پیشرانه‌ی شش سیلندر ۳ لیتری N53 که N20 جایگزین آن شد تنها دارای ۲۷۰ اسب بخار قدرت در ۶۷۰۰ دور بر دقیقه و گشتاور ۳۲۰ نیوتون‌متر در دور موتور ۲۷۵۰ تا ۳ هزار دور است. همانطور که آمار نشان می‌دهند، پیشرانه‌ی شش سیلندر توربوشارژر نه تنها گشتاور بیشتری دارد بلکه گشتاور آن در بازه‌ی بیشتری از دور موتور و آن هم از دور پایین تری در دسترس است. پیشرانه‌ی N20 را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.