انواع تنفس موتور

موتور تنفس طبیعی

موتور تنفس طبیعی به گونه ای از موتور خودروها گفته می شود که در حالت احتراق، هوا را با فشار اتمسفر مکش می کند. اکثر خودروهای تولیدی عادی که در گروه خودروهای اسپورت یا تقویت شده نیستند، از این سامانه بهره می گیرند.

موتور تنفس طبیعی

موتورهای احتراق داخلی یا درون سوز که در خودروها استفاده می شوند، از نوع چهارزمانه هستند. ابتدا بگذارید مروری بر کارکرد و نحوه عملکرد موتور چهارزمانه داشته باشیم. در این موتورها، در اولین سیکل از کارکرد موتور، سیلندر به سمت پایین می رود و هوا و سوخت را مکش می کند؛ سپس سوپاپ ها همگی بسته می شوند و سیلندر برای متراکم کردن مخلوط سوخت و هوا به سمت بالا حرکت می کند. مخلوط هوا و سوخت هنگام رسیدن سیلندر به نقطه مرگ بالایی (TDC)، به متراکم ترین حالت خود می رسد و درست در همین نقطه است که شمع جرقه می زند و مخلوط را مشتعل می کند.

در سیکل احتراق، سیلندر با نیروی حاصل از انفجار پایین می آید. در آخرین سیکل نیز سوپاپ های دود باز می شوند و سیلندر با بالاآمدن، دود ناشی از احتراق را تخلیه می کند. سوخت برای احتراق، به اکسیژن وابستگی دارد و بدون این عامل، احتراق صورت نخواهد گرفت. در موتورهای تنفس طبیعی، اکسیژن در مانیفولد هوا تا پیش از ورود به موتور با فشار اتمسفر قرار دارد؛ ولی در موتورهای توربوشارژردار یا سوپرشارژردار که اصطلاحا به پرخوران معروف هستند، اکسیژن به صورت تحت فشار به درون موتور تزریق می شود و همین باعث می شود تا احتراق قدرت مندتری داشته باشیم.

از سوی دیگر، این وابسته بودن موتورهای تنفس طبیعی به فشار اتمسفر، سبب می شود تا این موتورها در صورت تغییر فشار هوا دچار تغییر عملکرد شوند. برای مثال، در مناطقی که ارتفاع از سطح دریای آن ها بالا است، فشار اتمسفر نیز پایین است و بالطبع همین مساله سبب کاهش قدرت موتور نیز می شود.

هیچ کسی به طور قاطع نمی تواند بگوید که موتورهای تنفس طبیعی بهتر هستند یا موتورهای توربو؛ چون هر کدام از این ها، دارای نقاط قوت و ضعف خود هستند. در ادامه، به بررسی برخی از این موارد خواهیم پرداخت و شاید در ادامه مقاله، بتوانید بهتر تصمیم بگیرید که کدام موتور، گزینه مناسب تری است.

حجم و قدرت

اولین تفاوت موتورهای توربو و تنفس طبیعی، در حجم این موتورها است؛ چون موتورهای توربو به دلیل راندمان بسیار بالایی که دارند، چندان وابسته به حجم موتور نیستند و مشاهده می کنید که گاهی یک موتور ۲ لیتری چهارسیلندر توربو قدرتی معادل یک موتور شش سیلندر با حجم ۴ لیتر دارد. برای مقایسه، می توان موتور ۲ لیتری رنجروور ولار با ۳۰۰ اسب بخار قدرت و ۴۰۰ نیوتن متر را مثال زد و آن را با موتور V6 تنفس ۴ لیتری تویوتا پرادو مقایسه کرد که ۲۷۰ اسب بخار قدرت و ۳۷۰ نیوتن متر گشتاور دارد.

مشتریان زیادی هم چنان در بازار خودرو وجود دارند که حجم موتور از نظر آن ها اهمیت زیادی دارد و همین امر، می تواند توجه این دسته از خریداران را به سمت موتورهای تنفس طبیعی جلب کند.

هم چنین نمودار تحویل گشتاور در موتورهای تنفس طبیعی با موتورهای توربو فرق دارد و همین باعث شده است تا این موتورها عملکردی نرم تر داشته باشند و عملکرد و واکنش آن ها نسبت به پدال گاز را بتوان بهتر پیش بینی کرد. این نکته را نیز باید در نظر داشت که با تمهیداتی می توان موتوری تنفس طبیعی ساخت که بتواند قدرتی مشابه با موتور توربو تولید کند؛ ولی این کار نیازمند فناوری، هزینه و علم بالایی است. برای مثال، می توان به فراری ۸۱۲ و پاگانی زوندا HP بارچتا اشاره کرد که قدرت موتور ۷۸۹ اسب بخاری آن ها، با موتورهای توربوی هم حجم برابری می کند.

عملکرد و رفتار

برتری دیگر موتورهای تنفس طبیعی، در نبود تاخیر در عملکرد آن ها است. در موتورهای توربو، لازم است تا ابتدا گازهای خروجی از اگزوز به پره های توربو برسند و آن ها را بچرخانند تا توربو فشار هوای کافی را تامین کند. این فاصله، سبب مقداری تاخیر در عملکرد توربوشارژر می شود و موتورهای توربو در ابتدای حرکت مقداری ضعیف عمل می کنند که در اصطلاح به آن، لگ توربو گفته می شود.

گرچه با فناوری های جدید مانند توربوهای دوقلو (Twin Turbo) و توربوهای دومجرایی (Twin Scroll)، خودروسازان توانسته اند این تاخیر را تا حد زیادی کاهش دهند؛ اما هم چنان این تاخیر به طور کامل رفع نشده است؛ تا جایی که خودروسازانی مانند مرسدس بنز برای رفع این مشکل به استفاده از موتور برقی کمکی در شروع حرکت روی آورده اند. در موتور تنفس طبیعی، تاخیر به هیچ وجه وجود ندارد؛ چون فشار اتمسفر همیشه حاضر است و برای تامین آن، نیازی به صرف زمان نیست.

هزینه، نگه داری و تعمیرات

دیگر مزیتی که موتورهای تنفس طبیعی دارند، به پیچیدگی فنی کم تر آن ها در برابر موتورهای توربوشارژ برمی گردد. موتورهای تنفس طبیعی، نه تنها قیمت کم تری در مقایسه با موتورهای توربو دارند، بلکه تعمیر و نگه داری آن ها نیز خیلی ساده تر از موتورهای توربو است. به دلیل پیچیدگی پایین تر، احتمال خرابی این موتورها نیز کم تر است؛ به طوری که می بینید، برخی از قابل اطمینان ترین خودروهای بازار مانند تویوتا کمری، تویوتا کرولا و نسل های قبلی هوندا آکورد و سیویک فاقد موتورهای توربوشارژ بوده اند. قطعاتی مانند اینترکولر، واحد کنترل الکترونیکی متفاوت، مانیفولدهای پیچیده تر و سنسورهای بیشتر، قیمت تمام شده یک موتور توربو را بالا می برند و به همان نسبت، هزینه نگه داری نیز بالاتر است.

در سمت مقابل، یک موتور تنفس طبیعی برای این که قدرتی مشابه با موتور توربوشارژ تولید کند، باید حجم بیشتری داشته باشد که این مساله، وزن، مصرف سوخت و آلایندگی خودرو را افزایش می دهد.

توربو شارژر چیست؟

طی جنگ جهانی اول یک مهندس فرانسوی به اسم «آگوست راتیو» توانست یک توربو شارژ را درون یک موتور کمپانی رنو بگنجاند. این موتور قرار بود به‌ عنوان پیشرانه‌ اصلی هواپیماهای جنگنده مورد استفاده قرار گیرد.

پس از گذشت چندین سال از آغاز استفاده از تکنولوژی توربو شارژر در صنعت هوایی، این فناوری به دنیای اتومبیل ها نیز وارد شد و در دهه ۵۰ چندین شرکت تلاش کردند که از توربو شارژر در خودروهای خود استفاده کنند که این کار با موفقیت به انجام نرسید زیرا این سیستم مشکلات زیادی را به دنبال داشت که نهایتا شرکت جنرال موتورز توانست بعضی از ایرادهای این سیستم را برطرف کرده و برای اولین بار در سال ۱۹۶۲ اولین خودروی مجهز به موتور توربو شارژ را معرفی کند.

 

توربو شارژر (Turbocharger) چگونه کار می کند؟

معادل نام توربو شارژ در فارسی پرخوران است که با هدف طراحی موتورهای سبک تر با حجم کمتر و در عین حال قدرتمند تر و با راندمان بالاتر اختراع شد. در نظر بگیرید که یک خودرو در دنده چهار در حال حرکت در یک جاده مسطح با سرعتی حدود ۷۰ کیلومتر در ساعت است؛ دور موتور در این وضعیت حدود ۲۰۰۰ دور در دقیقه بوده و در این وضعیت میل لنگ در هر ثانیه حدود ۳۴ دور می چرخد.  از آنجا که در حال بحث در خصوص موتورهای چهار زمانه هستیم و دور میل سوپاپ نصف دور میل لنگ است و یا به عبارتی دیگر سرعت چرخش میل سوپاپ نصف سرعت چرخش میل لنگ است لذا سوپاپ دود در هر ثانیه حدود ۱۷ بار باز و بسته می شود. با توجه به اینکه هوا در اثر خلا نسبی که در اثر پائین رفتن پیستون در سیلندر، وارد سیلندر می شود لذا راندمان موتور مناسب است زیرا هوا به مقدار مناسب وارد سیلندر می شود.

توربو شارژ

حال اگر راننده قصد افزایش سرعت خودرو را داشته باشد، می بایست پدال گاز را فشار دهد، چنانچه دور موتور به حدود ۴۵۰۰ دور در دقیقه افزایش یابد، میل لنگ در ثانیه ۷۵ دور خواهد چرخید، در این حالت سوپاپ هوا حدود ۳۸ بار در هر ثانیه باز و بسته می شود، در این حالت سرعت باز و بسته شدن سوپاپ های هوا آنقدر زیاد است که هوا نمی تواند به اندازه کافی و به مقدار مورد نیاز وارد سیلندر شود و در این حالت راندمان موتور به شدت کاهش می یابد. به عبارت دیگر مشکلی که در این دور موجب کاهش کارائی موتور می شود، کاهش حجم هوای ورودی به داخل سیلندر است؛ در واقع می توان با افزایش فشار سوخت و افزایش زمان پاشش سوخت، سوخت بیشتری وارد سیلندر نمود ولی افزایش میزان هوای ورودی به داخل سیلندر کار بسیار مشکل و دشواری است.

سیستم توربوشارژر در واقع این کار را انجام می دهد و هوا علاوه بر اینکه در اثر خلاء نسبی به داخل سیلندر راه پیدا می کند، بوسیله سیستم توربوشارژر نیز به داخل سیلندر تزریق می شود و همانطور که با اعداد و ارقام نشان داده شد، این کار صرفا لازم است در دورهای بالا انجام شود؛ به عبارت دیگر سیستم توربوشارژر در دورهای پائین به کار گرفته نشده بلکه در دورهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

طراح سیستم توربوشارژر برای انجام این کار از انرژی نهفته در گازهای خروجی اگزوز استفاده کرده است، به عبارت دیگر در سیستم توربوشارژر از انرژی گرمائی خروجی موتور استفاده شده است که از اگزوز خودرو خارج شده و تلف می گردد. بدین منظور یک پره در مسیر گازهای خروجی اگزوز قرار گرفته و جریان خروجی اگزوز که دارای انرژی بسیار بالائی است، این پره را می چرخاند، نام این پره توربین است، شفت متصل به این پره(توربین) با پره دیگری متصل است که در مسیر هوای ورودی به داخل موتور قرار گرفته است، این پره کمپرسور نام دارد. در دورهای پائین، انرژی موجود در گازهای خروجی و سرعت خروج گازهای سوخته شده در اثر احتراق زیاد نیست ولی با این حال پره های توربین را می چرخاند و این چرخش توسط شفت متصل به آن به کمپرسور منتقل می شود اما سرعت چرخش آن در حدی نیست که تغییر محسوسی در روند ورود هوا به داخل سیلندر ایجاد کند. 

در این حالت (دور موتور پائین)، توربین و کمپرسور می چرخند ولی عملا تاثیری در افزایش راندمان حجم ورودی هوا به داخل سیلندر ندارند، وقتی دور موتور بالا می رود، انرژی حاصل از خروج گازهای حاصل از احتراق به میزان چشم گیری افزایش می یابد، این انرژی به پره هائی که در مسیر اگزوز وجود دارد منتقل شده و آنرا به سرعت تحت تاثیر قرار می دهد و در نهایت موجب چرخش کمپرسور می شود. سرعت بسیار زیاد کمپرسور که در مسیر هوای ورودی به موتور قرار دارد، موجب فشرده شدن هوا شده و این هوای فشرده شده به داخل سیلندر تزریق می شود، همانطوری که قبلا نیز اشاره شد در دور بالای موتور، سرعت باز و بست شدن سوپاپ های هوا آنقدر زیاد است که در موتورهائی که فاقد سیستم توربوشارژر هستند فرصت کمی برای ورود هوا به داخل سیلندر در اثر ایجاد خلاء نسبی وجود دارد؛  ولی در موتورهائی که دارای سیستم توربوشارژر هستند، از آنجا که هوای فشرده شده در پشت سوپاپ هوا وجود دارد، به محض اینکه سوپاپ باز می شود، هوا با فشار بالا به داخل سیلندر تزریق می شود، سیستم پاشش این نوع موتورها DGI و یا پاشش مستقیم نام دارد و بنزین با فشار بالا به داخل سیلندر تزریق می شود. میزان فشار بنزین در ریل سوخت در موتورهای فاقد سیستم توربوشارژر حدود ۳.۵ بار است ولی میزان فشار سوخت در ریل سوخت در موتورهائی که مجهز به سیستم توربوشارژر هستند، تا حدود ۸۰ بار و بالاتر هم نیز می رسد، به سادگی می توان تفاوت میزان هوای موجود در سیلندر را در یک موتور مجهز به توربوشارژر و یک موتور فاقد سیستم توربوشارژر احساس نمود.

بای توربو چیست؟

بای توربو

تفاوت بای توربو با تویین توربو 

تویین توربو

 برخلاف بای توربو در سیستم تویین توربو از دو توربو شارژر هم اندازه و یکسان بهره می برد. این سیستم معمولا در خودرو های خروجینی یا همان V شکل مورد استفاده قرار می گیرد به این ترتیب که هر توربو برای یک ردیف مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال در یک موتور V8 ،چهار سیلندر سمت چپ از یک توربو استفاده می کند و توربو شارژر دومی برای ۴ سیلندر سمت راست مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین در این سیستم همچنان کمی تأخیر توربو وجود دارد که البته خودروسازان معتبر با استفاده از تکنولوژی‌های جدید این تأخیر را به حداقل ممکن رسانده‌اند.

توربوشارژر الکتریکی

توربوشارژر الکتریکی

توربوهای الکتریکی به منظور ترکیب کارایی سیستم‌های توربو با پاسخ سریع سوپرشارژرها و حذف لگ توربوها طراحی شده‌اند. این سیستم‌ها، توربوی سنتی را با کمپرسور هوای الکتریکی کوچکی ترکیب کرده‌اند. این کمپرسور با استفاده از پیشرانه‌ی قدرتمندی کار می‌کند. زمانی که پدال گاز فشار داده می‌شود، پیشرانه‌ی یاد شده کمپرسور هوا را مجبور به ورود آنی هوای سرد به داخل پیشرانه می‌کند. این موضوع تحویل نرم قدرت را حتی پیش از آنکه توربوی پیشرانه سرعت گیرد تضمین می‌کند. زمانی که توربوشارژر مرسوم به حدی کافی دور گرفت، سیستم الکتریکی به منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی خاموش می‌شود.

هدف این سیستم‌ها بیش از آنکه کاهش مصرف سوخت یا آلاینده‌ها باشد، افزایش پرفورمنس خودرو است. البته می‌توان این سیستم را در زمانی که موردنیاز نیست خاموش کرد و همین امر به خودرو اجازه می‌دهد تا حداکثر راندمان را داشته باشد. 

همانند هر تکنولوژی جدیدی، توربوشارژرهای الکتریکی نیز تا زمانی که متداول‌تر شوند، کاملاً گران‌بها خواهند ماند. همچنین میزان اعتماد و اطمینان این سیستم‌ها نیز ناشناخته است. از سوی دیگر می‌توان گفت استفاده از توربوهای الکتریکی راهی به طرف افزایش عمر پیشرانه‌های احتراق داخلی است درحالی‌که بی‌شک صنعت خودرو نیازمند حرکت به‌سوی خودروهای کاملاً الکتریکی می‌باشد.

۴ توربوشارژر

موتور بوگاتی شیرون ۴ توربو و ۱۶ سیلندر

مزایا و معایب سوپرشارژر 

اصلی ترین مزیت سوپرشارژر این است که تاخیر ندارد و این به سبب منبع تامین انرژی اش ( میل لنگ ) است.

به عبارتی از زمان شروع به کار موتور، می تواند بوست ایجاد کند و در دورهای پایین هم قدرت مناسبی تولید می کند.

معمولا در دمای پایین تری نسبت به توربوشارژر کار می کند.

همچنین صدای جیغ بسیار دلنشینی دارد!

عیب بزرگ سوپرشارژر نسبت به توربوشارژر این است که با توجه به این که انرژی مورد نیاز خود را از موتور می گیرد، اما باعث اتلاف توان در موتور می شود.

این امر باعث می شود حداکثر قدرت پایین تری نسبت به توربوشارژر داشته باشد.

تویین شارژر چیست؟

این سیستم ترکیبی از یک سوپر شارژ و توربو شارژر است.تفاوت  سوپر شارژر ها در نوع دریافت انرژی حرکتیشان نهفته است به عبارتی سوپر شارژر ها نیروی خودرو را مستقیما از موتور گرفته و کاری به گازهای خروجی ندارد .اما نقطه ضعف سوپر شارژر ها به کاهش نیروی موتور باز خواهد گشت چرا که در هر صورت مقداری از نیروی موتور جهت چرخش پروانه های مورد استفاده قرار می گیرد. پیشرانه های تویین شارژر در دور های پایین که گازهای خروجی اندک است سیستم سوپرشارژ وظیفه انتفال هوای بیشتر را بر عهده دارد اما به محض اینکه دور موتور بالا می رود سوپر شارژ از مدار خارج شده و توربو شارژر ها این وظیفه را انجام خواهند داد.