مکانیسم‌های پرخورانی: مقایسه توربوشارژر، سوپرشارژر و کمپرسورهای الکتریکی از نظر قدرت و بهره‌وری

دنیای خودرو مدت‌هاست که بر سر بهترین راه برای افزایش توان موتور، بحث و جدل دارد. طرفداران سنت، پاسخ فوری به پدال گاز در سوپرشارژرهای مکانیکی را ترجیح می‌دهند، در حالی که حامیان بهره‌وری، نبوغ توربوشارژرها در استفاده از گازهای خروجی اگزوز را ستایش می‌کنند. برای خریداری که خودروی بعدی خود را انتخاب می‌کند، این فقط یک بحث مهندسی انتزاعی نیست؛ بلکه تعیین می‌کند که خودرو در شروع حرکت چه حسی داشته باشد، نگهداری آن چقدر هزینه ببرد و چقدر سوخت مصرف کند.[5]

این تنش بین قدرت فوری و بهره‌وری بلندمدت بالاخره در حال حل شدن است. راه‌حل، نه یک مصالحه بین دو سیستم قدیمی، بلکه معرفی بازیگر سومی به نام کمپرسور الکتریکی است که اغلب به آن توربوی الکتریکی (e-turbo) می‌گویند. خودروسازان با جدا کردن چرخ کمپرسور از سرعت موتور و جریان اگزوز، قوانین پرخورانی را بازنویسی کرده و بقای موتورهای احتراق داخلی را در عصر اهداف سختگیرانه آلایندگی تضمین می‌کنند.[1][2]

برای درک اینکه چرا این تغییر برای یک راننده معمولی اهمیت دارد، ابتدا باید نحوه تنفس موتور را فهمید. موتور احتراق داخلی اساساً یک پمپ هوا است. در یک موتور تنفس طبیعی، حرکت پیستون به سمت پایین خلاء ایجاد کرده و هوا را با فشار اتمسفر به داخل می‌کشد. میزان سوختی که موتور می‌تواند بسوزاند – و در نتیجه قدرتی که می‌تواند تولید کند – به شدت توسط حجم هوایی که می‌تواند ببلعد، محدود می‌شود.[5]

سیستم‌های پرخورانی با فشرده‌سازی فیزیکی هوا قبل از ورود به محفظه احتراق، این محدودیت اتمسفری را دور می‌زنند. هوای متراکم‌تر، مولکول‌های اکسیژن بیشتری در واحد حجم دارد و به کامپیوتر موتور اجازه می‌دهد تا به نسبت بیشتری سوخت تزریق کند. نتیجه، انفجار بزرگتر و گشتاور بیشتری است که پیستون را به پایین هل می‌دهد. تفاوت حیاتی مهندسی کاملاً در نحوه تأمین نیروی این کمپرسور هوا نهفته است.[5]

سوپرشارژر مکانیکی قدیمی‌ترین و مستقیم‌ترین رویکرد است. سوپرشارژر که توسط تسمه‌ای متصل به میل‌لنگ موتور به حرکت در می‌آید، همگام با موتور می‌چرخد. وقتی راننده پدال گاز را فشار می‌دهد، سوپرشارژر بلافاصله هوای بیشتری را به ورودی موتور تزریق می‌کند. هیچ تأخیری وجود ندارد. این تحویل قدرت خطی و قابل پیش‌بینی، سوپرشارژرها را مورد علاقه علاقه‌مندان به عملکرد و مسابقات درگ قرار داده است.[5]

با این حال، این پاسخ فوری با یک هزینه مکانیکی سنگین همراه است. از آنجایی که سوپرشارژر به طور فیزیکی به میل‌لنگ متصل است، برای کار کردن به قدرت موتور نیاز دارد. این پدیده به عنوان اتلاف انگلی (Parasitic Loss) شناخته می‌شود. در کاربردهای با عملکرد بالا، سوپرشارژر می‌تواند تا ۲۰ درصد از توان ناخالص موتور را صرف چرخاندن روتورهای داخلی خود کند. برای یک راننده روزمره، این به معنای مصرف سوخت به مراتب بدتر است، زیرا موتور دائماً در حال کار در برابر کشش پمپ هوای خود است.[5]

توربوشارژر برای حل این مشکل بهره‌وری توسعه یافت. توربوشارژر به جای دزدیدن قدرت از میل‌لنگ، از انرژی هدر رفته استفاده می‌کند. این سیستم یک چرخ توربین را در مسیر جریان اگزوز قرار می‌دهد. هنگامی که گازهای داغ و منبسط شونده اگزوز از موتور خارج می‌شوند، توربین را می‌چرخانند، که این توربین از طریق یک شفت به چرخ کمپرسور در مسیر ورودی هوا متصل است.[1][5]

از آنجایی که توربوشارژر به جای کشش مکانیکی، به حرارت و فشار هدر رفته متکی است، به مراتب کارآمدتر از سوپرشارژر است. به همین دلیل است که تقریباً هر خودروساز مدرنی توربوشارژ را برای کاهش حجم موتورهای خود پذیرفته است – جایگزین کردن موتورهای V6 پرمصرف با موتورهای چهار سیلندر توربوشارژ که قدرت اوج مشابهی اما مصرف سوخت بهتری در جاده ارائه می‌دهند.[1]

اما توربوشارژر یک نقص اساسی دارد: تأخیر (Lag). از آنجایی که توربین به گازهای اگزوز متکی است، نمی‌تواند شروع به چرخیدن کند مگر اینکه موتور قبلاً در حال تولید اگزوز باشد. هنگامی که راننده شتاب ناگهانی را از حالت سکون درخواست می‌کند، یک مکث قابل توجه – که اغلب یک تا دو ثانیه طول می‌کشد – وجود دارد تا موتور فشار اگزوز کافی برای رساندن توربین به سرعت عملیاتی بیش از ۱۰۰,۰۰۰ دور در دقیقه را تولید کند. برای راننده، این حس یک پدال مرده و به دنبال آن یک افزایش ناگهانی و تند قدرت است.[3][5]

برای دهه‌ها، مهندسان تلاش کردند تا تأخیر توربو را با پره‌های هندسه متغیر پیچیده و محفظه‌های دو مارپیچ کاهش دهند، اما فیزیک بنیادی ثابت ماند: توربین‌های مبتنی بر اگزوز واکنشی هستند، نه پیشگیرانه. اینجاست که معماری الکتریکی ۴۸ ولتی چشم‌انداز را به طور کامل تغییر داده است.[2][3]

کمپرسور الکتریکی یا توربوی الکتریکی، بندهای مکانیکی و پنوماتیکی سیستم‌های قدیمی را قطع می‌کند. به جای انتظار برای گاز اگزوز یا کشیدن تسمه، یک توربوی الکتریکی از یک موتور الکتریکی پرسرعت برای چرخاندن چرخ کمپرسور استفاده می‌کند. هنگامی که راننده پدال گاز را فشار می‌دهد، موتور الکتریکی می‌تواند کمپرسور را در کمتر از ۲۵۰ میلی‌ثانیه به سرعت ۷۰,۰۰۰ دور در دقیقه برساند.[4]

این مداخله الکتریکی، پاسخ فوری و لحظه‌ای سوپرشارژر را بدون اتلاف انگلی روی میل‌لنگ فراهم می‌کند. موتور فوراً هوای متراکم و تحت فشار دریافت می‌کند و این امکان را می‌دهد تا حجم اگزوز مورد نیاز برای چرخاندن یک توربوشارژر سنتی و بزرگتر که در پایین‌تر مسیر اگزوز قرار دارد، تولید شود.[1][4]

پیشرفته‌ترین تکرار این فناوری، توربوشارژر هیبریدی الکتریکی است. این سیستم که در مسابقات فرمول ۱ متولد شده و اکنون به خودروهای تولید انبوه راه یافته است، موتور الکتریکی را مستقیماً روی شفت بین توربین اگزوز و کمپرسور ورودی ادغام می‌کند.[2][6]

در سرعت‌های پایین موتور، موتور الکتریکی شفت را به حرکت در می‌آورد و تأخیر توربو را از بین می‌برد. هنگامی که موتور جریان اگزوز کافی تولید می‌کند، گازهای اگزوز کار چرخاندن توربین را به عهده می‌گیرند. اما سیستم هیبریدی یک عملکرد ثانویه و متحول‌کننده دارد: هنگامی که اگزوز توربین را سریع‌تر از حد لازم می‌چرخاند، موتور الکتریکی به حالت ژنراتور تغییر وضعیت می‌دهد.[2][6]

در حالت ژنراتور، توربوشارژر هیبریدی انرژی حرارتی و جنبشی مازاد را از جریان اگزوز برداشت کرده و آن را دوباره به برق تبدیل می‌کند. این انرژی بازیابی شده – که در برخی طراحی‌ها می‌تواند تا ۵ کیلووات به اوج خود برسد – به باتری ۴۸ ولتی خودرو بازگردانده می‌شود. سپس می‌توان از آن برای تأمین انرژی الکترونیک کابین، کمک به پیشرانه، یا چرخاندن توربوی الکتریکی در رویداد شتاب‌گیری بعدی استفاده کرد.[6]

برای مصرف‌کننده، این تکامل اساساً پیشنهاد مالکیت را تغییر می‌دهد. خودرویی مجهز به توربوشارژر با کمک الکتریکی می‌تواند شتاب نرم و بی‌دردسر یک موتور V8 پرحجم، مصرف سوخت یک موتور چهار سیلندر جمع‌وجور، و مشخصات آلایندگی مورد نیاز تنظیم‌کنندگان مدرن را ارائه دهد. این سیستم مصالحه‌های سنتی پرخورانی را از بین می‌برد.[1][2]

با این حال، این قابلیت پیچیدگی‌های جدیدی را به همراه دارد. ادغام موتورهای الکتریکی پرسرعت که در گرمای شدید منیفولد اگزوز کار می‌کنند، نیازمند مدیریت حرارتی پیشرفته و طراحی بلبرینگ‌های مقاوم است. خریدارانی که این خودروها را پس از اتمام دوره گارانتی نگه می‌دارند، با هزینه‌های تعویض بالاتری روبرو خواهند شد، زیرا توربوشارژر هیبریدی در مقایسه با یک توربوی اگزوز چدنی ساده، یک قطعه الکترومکانیکی بسیار تخصصی است.[4][6]

در نهایت، کمپرسور الکتریکی نشان‌دهنده آخرین و پالوده‌ترین فصل مهندسی احتراق داخلی است. خودروسازان با استفاده از الکترون‌ها برای پر کردن شکاف‌های مکانیکی پمپ‌های هوا، پرخورانی را درست در زمانی که صنعت انتقال گسترده خود را به سمت پیشرانه‌های تمام الکتریکی آغاز می‌کند، به کمال رسانده‌اند.[2][7]