کاهش تاخیر توربو

خودروهای اسپورت با پیشرانه‌ی تنفس طبیعی بیش‌ازپیش نایاب می‌شوند؛ و اگرچه که توربو هر روز پرطرفدارتر می‌شود اما قطعاً نقطه‌ضعفی دارد و آن تأخیر است. چگونه می‌توان با این مشکل مبارزه کرد؟

به علت تأکید مستقیم و شدید روی کاهش مصرف سوخت و آلایندگی در چند سال گذشته، حتی خودروهایی با عملکرد پایین‌تر نظیر آبارث 124 نیز از توربو استفاده می‌کنند. خودروسازها برای پر کردن فاصله‌ی عملکردی خودروها به توربو روی آورده‌اند و از بین بردن این تأخیر هم‌اکنون به مسئله‌ای مهم در توسعه‌ی قوای محرکه بدل شده است.

لگ (تأخیر) توربو چیست؟

توربوشارژرها در ذات خود با جریان گازهای اگزوز که فشار و سرعت لازم برای چرخش پروانه و یا توربین داخل این سیستم را تأمین می‌کنند کار کرده و باعث می‌شوند تا هوا با سرعت بیشتری به داخل سیلندر هدایت شود که این نیز به نوبه خود قدرت را افزایش می‌دهد. بنابراین با افزایش سرعت، جریان گاز اگزوز به همراه سرعت چرخش پروانه افزایش می‌یابد.

متأسفانه معنی سخن این است که فاصله‌ی زمانی به این شکل ایجاد می‌شود که گازهای اگزوز مجبورند راه خود را از سیلندر و منیفولد به داخل توربوشارژر بیابند؛ بنابراین تأخیر توربو به عنوان فاصله‌ای بین استفاده از پدال گاز و پاسخ توربو تعریف شده که منجر به انتقال ناهنجار قدرت می‌شود.

در خودروهای مدرن توربو به گونه‌ای برنامه‌ریزی و ساخته شده که تا حد ممکن تحویل قدرت خطی داشته باشد اما در دهه‌ی 80 و 90 میلادی، خودروهایی نظیر پورشه 935 و فراری F40 به خاطر قدرت غیرمنتظره‌ی خود مشهور شده بودند.

پیشرانه‌ی 6 سیلندر تخت پورشه 935 توربوشارژر بزرگی داشت که بیش از 800 اسب بخار قدرت تولید می‌کرد اما تأخیر توربوی آن بسیار مشهود بود.

خب حالا راه‌حل‌ها برای کم کردن و یا از بین بردن کامل این تأخیر چیست؟

توربوهای Twin-scroll

توربین با اسکرول دوبل به‌طور مؤثری یک مجموعه‌ی کارا را ایجاد می‌کنند. با استفاده از دو دریچه ورودی برای گازهای اگزوز، این نوع توربوها برای به‌کارگیری در سرعت‌های مختلف جریان گازهای اگزوز طراحی شده‌اند و تأخیر توربو را کاهش می‌دهند.

اولین دریچه برای سرعت‌های پایین پیشرانه طراحی شده، جایی که سرعت جریان گاز اگزوز پایین بوده و بنابراین از نظر قطر کوچک است. این بخش فشار را در پره‌های توربین به حداکثر می‌رساند. دریچه دوم از نظر اندازه بزرگ‌تر بوده تا بتواند در برابر سرعت بالای جریان گاز اگزوز عملکرد بهتری داشته باشد.

توربوهایی با هندسه متغیر

یک روش پیچیده‌تر و با اطمینان کمتر که تأخیر توربو را کاهش می‌دهد استفاده از این نوع سیستم‌ها است. این سیستم از پره‌های دینامیکی در داخل توربین استفاده می‌کند که می‌توانند نسبت به زاویه‌ی شفت چرخشی مرکزی باز یا بسته شوند. از نظر تئوری سخن به این معنی است که پره‌ها می‌توانند به خاطر بهره بردن از مزیت سرعت‌های پایین پیشرانه بسته شوند و سپس به‌طور پیش‌رونده برای استفاده حداکثر از مساحت سطح پره بازشوند.

خطرات این تکنولوژی به ریسک باز نشدن پره‌ها با افزایش سرعت بازمی‌گردد. اگر پره‌ها بسته بمانند، توربوشارژر هوای بیشتری را به سیلندرها می‌فرستد و دور پیشرانه‌ی بالا به سادگی می‌تواند پیشرانه‌ها را از کار بیندازد.

نیتروژن

NOx برای ایجاد فشار داخل هر سیلندر بکار گرفته می‌شود. تا زمانی که این فشار به‌طور مستقیم با سرعت گاز اگزوز ارتباط دارد، ورود نیتروژن به فرایند احتراق برای افزایش فشار آنی صورت می‌پذیرد و این به معنی عملکرد بهتر توربو خواهد بود.

توربوهای سکونشئال

دو معمولاً بهتر از یک است و همین مورد در رابطه با توربو نیز صدق می‌کند. یک توربوی کوچک و یک توربوی بزرگ برای افزایش عملکرد پیشرانه در محدوده‌ی وسیع دور پیشرانه با یکدیگر کار می‌کنند که این امر منجر به کاهش تأخیر توربو می‌شود. توربوی کوچکتر به ورودی کمتری برای عمل کردن نیاز دارد و بنابراین در دورهای پایین پیشرانه کار می‌کند. با افزایش سرعت پیشرانه، توربوی بزرگ‌تر وارد مدار می‌شود و از پره‌های بزرگ‌تر برای افزایش فشار گاز اگزوز برای وارد شدن به محفظه احتراق استفاده می‌کند.

مزدا RX-7، نیسان GTR و پورشه 911 توربو از این ترکیب سود می‌برند. توئین توربوها می‌توانند کلیدی طلایی برای سطوح بالای گشتاور و قدرت باشند زیرا از مزیت انعطاف‌پذیری اندازه‌ی توربوها سود می‌برند.

توربوی هیبرید الکتریک

سیستم‌های الکتریکی تقریباً در همه‌ی جنبه‌های خودرویی نفوذ کرده‌اند و بنابراین توربوها نیز از این نفوذ در امان نبوده‌اند. با استفاده از یک پیشرانه‌ی الکتریکی بین ورودی و خروجی توربوشارژر، فشار از طریق شفت مرکزی توربو و به منظور در مدار نگه داشتن آن اعمال شده و برای فرایند چرخش پره‌ها آماده می‌گردد.

در این فناوری که ابتدا در فرمول 1 مورد استفاده قرار گرفته، قدرت پیشرانه به‌طور متناوب و حتی در زمانی که سرعت جریان گاز اگزوز پایین است با استفاده از توربو بهبود می‌یابد و تأخیر آن بسیار پایین می‌آید. آئودی SQ7 ادعا می‌کند اولین خودرویی است که از این فناوری استفاده می‌کند. با پایین آمدن هزینه‌های توربوی الکتریکی و قابل‌ابتیاع شدن آن انتظار می‌رود که این سیستم بر سایر سیستم‌های پرخوران غلبه نماید.

اما آیا این راه‌حل‌ها بهترین هستند؟

اگرچه که انتقال قدرت در پیشرانه‌های مجهز به توربوهای قوی می‌تواند چشمگیر باشد اما این سیستم در مقایسه با پاسخ فوری پدال گاز پیشرانه‌های تنفس طبیعی یا مجهز به سوپرشارژر عجیب‌وغریب است. خودروسازانی همچون ولوو حتی از دو سیستم توربوشارژر و سوپرشارژر برای به حداکثر رساندن قدرت و از بین بردن تأخیر استفاده می‌کنند.

اگرچه که این راه‌حل‌ها تقریباً تأخیر توربو را در خودروهایی چون پورشه 911 و مک لارن 570S از بین برده‌اند اما انتظار برای تغییری ناگهانی در قدرت خودرو می‌تواند شخصیت منحصربه‌فردی به آن بخشیده و خودروهای مجهز به توربوهای مدرن را غیرهیجانی و سست نشان دهد. شکی وجود ندارد که این راه‌حل‌ها خوب هستند اما گاهی اوقات برخی روش‌های قدیمی هم چیز بدی نیستند.