سوپرشارژر چگونه کاری را که توربو از پس آن برنمی‌آید انجام می‌دهد؟
این صفحه را به اشتراک بگذارید
سوپرشارژ یک سیستم تنفس اجباری است که با متراکم‌کردن هوای ورودی به موتور، امکان گرفتن قدرت بیشتر از همان حجم موتور را فراهم می‌کند؛ تفاوت آن با توربو این است که به جای انرژی گازهای خروجی، قدرت مکانیکی را مستقیماً از میل‌لنگ می‌گیرد. به لطف این اتصال، قدرتی بدون تاخیر، آنی و خطی ارائه می‌دهد؛ در مقابل، بخشی از قدرت خود موتور را دائماً مصرف می‌کند و در اقتصاد سوخت معمولاً بازدهی کمتری از توربو دارد.
نکات برجسته
- سوپرشارژ قدرت خود را از طریق تسمه، زنجیر یا چرخ‌دنده از میل‌لنگ می‌گیرد؛ اما توربو از انرژی گازهای خروجی استفاده می‌کند.
- کیت‌های مخصوص استفاده شهری معمولاً بوست 6 تا 12 psi تولید می‌کنند و می‌توانند هوای ورودی به موتور را حدود 50 تا 85 درصد افزایش دهند.
- افزایش قدرت معمولاً در بازه 30 تا 75 درصد است؛ اقتصاد سوخت بسته به سبک رانندگی ممکن است تا 15 تا 30 درصد افت کند.
- سه نوع اصلی وجود دارد: روتس، دو مارپیچی (twin-screw) و گریز از مرکز.
- سوپرشارژ ممکن است تا 20 درصد از کل قدرت موتور را برای کارکرد خود مصرف کند.
سوپرشارژ چگونه کار می‌کند: قدرت گرفته از میل‌لنگ
محدودیت اساسی که قدرت قابل تولید یک موتور احتراق داخلی را تعیین می‌کند، میزان اکسیژن ورودی به سیلندرهاست. در موتور تنفس طبیعی، هوا با فشار اتمسفر و خلأ ایجادشده در کورس مکش وارد می‌شود. سوپرشارژ این تعادل را تغییر می‌دهد: هوا را با فشاری بالاتر از فشار اتمسفر (بوست) به سیلندرها پمپ می‌کند. اکسیژن بیشتر یعنی می‌توان سوخت بیشتری را سوزاند؛ یعنی انفجار قوی‌تر در هر سیکل، و در نتیجه اسب بخار و گشتاور بالاتر.
از نظر مکانیزم، نکته حیاتی منبع قدرت است. سوپرشارژ از طریق تسمه، زنجیر یا چرخ‌دنده مستقیماً به میل‌لنگ متصل است؛ هرچه موتور سریع‌تر بچرخد، سوپرشارژ هم سریع‌تر می‌چرخد. توربو برعکس، با انرژی جنبشی گازهای خروجی می‌چرخد و بخشی از آن انرژی را بازیابی می‌کند. همین یک تفاوت، تمام شخصیت این دو فناوری را تعیین می‌کند: یکی پاسخ آنی می‌دهد اما بهای آن را در سوخت می‌پردازد و دیگری از انرژی خروجیِ دور ریخته‌شده اگزوز بهره می‌برد اما در لحظه نخست معطل می‌کند.
فرایند تراکم بهایی دیگر هم دارد: گرما. هوای متراکم‌شده گرم می‌شود، چگالی هوای گرم کاهش می‌یابد و افزایش قدرت محدود می‌شود. به همین دلیل در سیستم‌های سوپرشارژ جدی، از اینترکولر هوا به هوا یا هوا به آب استفاده می‌شود؛ هوای متراکم‌شده خنک شده و چگال‌تر و غنی‌تر از نظر اکسیژن می‌شود. همچنین در فشارهای بوست بالا، خطر احتراق زودرس افزایش می‌یابد؛ سوخت با اکتان بالا در برابر احتراق زودرس مقاومت می‌کند و تنظیم‌های تهاجمی‌تری را ممکن می‌سازد.
تفاوت توربو و سوپرشارژ: پاسخ‌دهی گاز در برابر بازدهی
پرسشی که این دو فناوری را از هم جدا می‌کند در واقع این است: انرژی را از کجا تأمین می‌کنید؟ توربو انرژی اگزوزی را که معمولاً از دودکش بیرون می‌رفت، از طریق توربین بازیابی می‌کند؛ به همین دلیل از نظر تئوری بازدهی بیشتری دارد. اما شروع چرخش توربین زمان می‌برد. در دور پایین، جریان اگزوز ناکافی است و تا وقتی توربین پر شود، موتور مانند تنفس طبیعی رفتار می‌کند؛ به این انتظار، تاخیر توربو یا توربو لگ می‌گویند.
در سوپرشارژ چنین انتظاری وجود ندارد. کمپرسور به میل‌لنگ به‌صورت مکانیکی متصل است، بنابراین بوست حتی در دور آرام نیز موجود است و منحنی توان خطی است: هرچه بیشتر گاز بدهید، پاسخ بیشتری می‌گیرید. این پیش‌بینی‌پذیری در پیست مسابقه مزیت کنترل فراهم می‌کند؛ در ارتفاعات زیاد از سطح دریا نیز با متراکم کردن هوای رقیق، عملکرد را حفظ می‌کند.
بهای آن شفاف نیست اما قابل اندازه‌گیری است: سوپرشارژر می‌تواند تا درصد 20 از کل توان خروجی موتور را برای کار خودش مصرف کند. به این بار انگلی (parasitic load) می‌گویند. توربو این بار را به دوش نمی‌کشد؛ بهای آن را در سیستم اگزوز به‌عنوان ترمز محرک می‌پردازد. در بخش لوله‌کشی هم تفاوت وجود دارد: در سوپرشارژر لوله‌کشی ساده است، هوا از کمپرسور به موتور می‌رود. در توربو یک چیدمان لوله‌کشی پیچیده لازم است که اگزوز باید از توربین عبور کند و چون اجزای داغ اگزوز کنار خط مکش هستند، خطر گرم شدن زیاد است.
| ویژگی | سوپرشارژر | توربوشارژر |
|---|---|---|
| منبع توان | محرکه مکانیکی از میل‌لنگ | انرژی گازهای اگزوز |
| پاسخ گاز | آنی، خطی | انتظار برای توربولگ |
| بهره‌وری | بار انگلی را به دوش می‌کشد | انرژی اگزوز را بازیابی می‌کند |
| لوله‌کشی | خط مکش ساده | چیدمان پیچیده اگزوز-مکش |
| منحنی توان | بوست از دورهای پایین | توان بیشینه در دورهای بالا |
سه نوع سوپرشارژر و شخصیت آن‌ها
سوپرشارژرها بسته به اینکه بوست را چگونه با دور موتور مرتبط می‌کنند، به دو خانواده اصلی تقسیم می‌شوند: کمپرسورهای حجم مثبت در تقریباً تمام دورها بوست ثابت فراهم می‌کنند؛ در کمپرسورهای دینامیک اما بوست متناسب با دور افزایش می‌یابد. هر سه نوع اصلی در یکی از این دو خانواده قرار می‌گیرند.
روتس: قدیمی‌ترین، آنی‌ترین
نوع روتس، حالت منتقل‌شده به دنیای موتور از طراحی‌ای است که در سال 1860 برای تهویه معدن ثبت اختراع شد. دو لوب (پره) که در جهت‌های مخالف می‌چرخند، هوا را در فضای بین بدنه و خودشان نگه می‌دارند و به منیفولد می‌رانند. نکته‌ای که باید به آن توجه کرد این است: روتس خودش هوا را متراکم نمی‌کند؛ فقط آن را جابه‌جا می‌کند. به همین دلیل بیشتر از کمپرسور، به‌عنوان بلوور شناخته می‌شود. در تمام بازه دور موتور بوست می‌دهد و با ظاهر کلاسیکش که روی موتور نصب می‌شود، نماد فرهنگ ماشین‌های مسکولار است. اما در سطوح بالای بوست، بهره‌وری آن فقط در حدود درصد 40 تا 50 است و مقدار قابل توجهی گرما تولید می‌کند. طبقه‌بندی بلوور GMC هنوز این سنت را بازتاب می‌دهد: بلوور 6-71 برای جاروی حجم 71 اینچ مکعب به ازای هر سیلندر موتور 426 اینچ مکعبی (7.0 لیتری) طراحی شده است.
دو مارپیچی (Twin-Screw): طراحی با تراکم داخلی
طراحی دو مارپیچی که با نام لیشلم نیز شناخته می‌شود، از دو پیچ مارپیچ درگیرشده با هم استفاده می‌کند و هوا را در کانال‌های باریک‌شونده به‌صورت داخلی متراکم می‌سازد. این یک جزئیات، تفاوت آن با روتس را تعیین می‌کند: بهره‌وری حرارتی بالاتر، گرمای کمتر. می‌تواند در بازه باریکی از بار و دور موتور، بهره‌وری‌ای نزدیک به کمپرسورهای دینامیک ارائه دهد. طراحی مدرن آن در سال 1935 توسط آلف لیشلم ثبت اختراع شد؛ اما ثبت اختراع پایه‌ای کمپرسور پیچی به سال 1878 و هاینریش کریگار بازمی‌گردد. این نوع تیپ، ترجیح کاربردهایی است که می‌خواهند کاراکتر آنی Roots را حفظ کنند اما دمای آن را کاهش دهند.
سانتریفیوژ: توربو-مانند، با محرک مکانیکی
سوپرشارژر سانتریفیوژی از نظر طراحی شبیه توربو است، اما نه با اگزوز بلکه با محرک مکانیکی کار می‌کند. ایمپلرِ با سرعت بالا چرخان، هوا را به سمت بیرون شتاب می‌دهد و این سرعت را به فشار تبدیل می‌کند. برخلاف انواع حجم مثبت، بوست همراه با دور موتور افزایش می‌یابد؛ نتیجه، کاراکتری شبیه موتور تنفس طبیعی است که در دورهای بالا قدرت اضافه می‌کند. بازدهی آن در میان سه تیپ بالاترین است: در بازه ٪70–85. تولید حرارت آن نیز کمتر است و بدنه فشرده آن، نصب در محفظه موتورهای تنگ را آسان‌تر می‌کند. نقطه ضعف کوتاه آن روشن است: در دور پایین به اندازه Roots یا twin-screw قدرت نمی‌دهد.
تأثیر آن بر مصرف سوخت چقدر است؟
تأثیر سوپرشارژر بر اقتصاد سوخت واقعیتی روشن است: معمولاً مصرف را افزایش می‌دهد. هوای بیشتر یعنی سوخت بیشتری برای سوزاندن؛ موتور مجبور است بدون به‌هم‌زدن تعادل هوا-سوخت کار کند. در خودرویی که کیت سوپرشارژر روی آن نصب شده، اقتصاد سوخت بسته به سبک رانندگی و تنظیمات، به‌طور معمول ممکن است تا میزان ٪15–30 کاهش یابد؛ در استفاده تهاجمی، مصرف ممکن است دو برابر شود.
انتخاب تیپ نیز این تصویر را تغییر می‌دهد. تیپ Roots به دلیل بار پاریزیت قابل توجه، بیشترین فشار را بر اقتصاد سوخت وارد می‌کند؛ طراحی‌های سانتریفیوژ به لطف بازدهی بالایشان، به عنوان کم‌مصرف‌ترین عضو این خانواده برجسته می‌شوند. اما هیچ سوپرشارژری نمی‌تواند از توربویی که انرژی اگزوز را بازیابی می‌کند، بازدهی بیشتری داشته باشد. دقیقاً همین است منطق اصلیِ گرایش تولیدکنندگان به موتورهای توربوی کم‌حجم در قرن 21: مرسدس، موتورهای سوپرشارژر شده‌اش با نام Kompressor را حدود سال 2010 با موتورهای توربو جایگزین کرد. استثناها هم وجود دارند: موتور 3.0 TFSI آئودی از سال 2009 و واحد AJ-V8 Gen III جگوار از همان سال، سوپرشارژر باقی ماندند.
در چه خودروهایی و چرا سوپرشارژر ترجیح داده می‌شود؟
انتخاب به این بستگی دارد که پاسخ گاز چقدر حیاتی باشد. در رشته‌هایی مانند درگ ریس و tractor pulling که پیروزی در دهم ثانیه اول تعیین می‌شود، سوپرشارژر رایج است؛ تأخیر بوست وجود ندارد و قدرت به‌طور آنی با پدال گاز مقیاس‌پذیر است. سنت خودروهای عضلانی آمریکایی نیز بر همین منطق استوار است: سیطره سوپرشارژر بر مدل‌های پرفورمنس بالا GM، دوج و فورد، با ترجیح فرهنگی گشتاور آنی و قدرت در دور پایین توضیح داده می‌شود. از دلایل انتخاب سوپرشارژر توسط فورد برای GT500 می‌توان به هماهنگی با میراث، پاسخ گاز آنی و عملکرد در دورهای بالا اشاره کرد.
امکان انتخاب برعکس نیز وجود دارد. رویکرد twincharging که دو فناوری را ترکیب می‌کند، در دور پایین سوپرشارژر، در دور میانی هر دو و در دور بالا فقط توربو را وارد مدار می‌کند. لانچیا دلتا S4 این آرایش را در فصل WRC سال‌های 1985–86 با کلاچ الکترومغناطیسی و شیرهای بای‌پس به کار برد. در تولید انبوه نیز نمونه‌هایی مانند فولکس‌واگن 1.4 TSI (2005–2013) و ولوو B4204T حجم 2.0 این تغذیه دوگانه را به کار بردند. مسائل پیچیدگی و قابلیت اطمینان، این رویکرد را در حد یک انتخاب خاص (نیچ) نگه داشته است.
سوپرشارژر یا توربو: کدام بهتر است؟
صادقانه‌ترین پاسخ به این سؤال که پاسخ واحدی ندارد، تقسیم مقایسه به دو بخش است: سوپرشارژر در دور پایین و پاسخ لحظه‌ای برتری دارد و توربو در توان حداکثری و بازدهی. نقطه ضعف سوپرشارژر بازدهی است و نقطه ضعف توربو تأخیر بوست؛ کدام بهتر است، به سناریوی استفاده بستگی دارد. آیا در ترافیک شهری به پاسخ لحظه‌ای نیاز دارید یا در جاده‌های طولانی به بازدهی؟ در حالت اول سوپرشارژر و در حالت دوم توربو انتخاب منطقی است.
یکی از سؤالات پرتکرار سرعت است: کدام سریع‌تر است؟ قرار دادن یک قاعده کلی گمراه‌کننده است؛ توان حداکثری توربو معمولاً بالاتر است، اما در ابعاد اندازه‌گیری، زمان و مسافت، کالیبراسیون خودرو، نوع انتخاب و تنظیم تعیین‌کننده هستند. محدوده معمول افزایش توان در سوپرشارژر ٪30–75 و در یک کیت خوش‌ساخت ٪50–85 است؛ هر دو باید به گونه‌ای تنظیم شوند که در محدوده استحکام موتور و آستانه احتراق زودرس باقی بمانند.
نتیجه: یک تصمیم مهندسی ساده
سوپرشارژر نه در برابر توربو، بلکه در کنار توربو یک گزینه ارزشمند برای تأمل است. اتصال مکانیکی تغذیه‌شده مستقیم از میل‌لنگ، توان بدون تأخیر و قابل پیش‌بینی ارائه می‌دهد؛ بهای آن، مصرف دائمی بخشی از توان خود موتور است. لحظه‌بودن در تمامی دوارِ روتس، تعادل حرارتی twin-screw و بازدهی دوار بالا گریز - البته گریز از مرکز، سه مسیر مهندسی متفاوت برای یک هدف واحد هستند. سؤال درست این نیست که کدام مطلقاً بهتر است، بلکه این است که در کدام سناریوی استفاده، احتمال کارآمد بودن کدام شخصیت بیشتر است.
منابع
- What is a Supercharger
- Supercharger
- Turbochargers vs. Superchargers: Which Is Better?
- How Do Supercharger and Turbocharger Engines Differ?
- Supercharger Kit Fuel Economy Impact
- Supercharger Vs Turbocharger - JEGS
- Roots vs. Twin-Screw vs. Centrifugal Superchargers
- Roots vs. Centrifugal vs. Screw Type Supercharging
- Superchargers Vs. Turbochargers
- How Superchargers Work