توربو لگ یا تاخیر توربو چیست و چگونه رفع می شود؟

استفاده از موتورهای کم حجم توربو یکی از سیاست هایی است که در چند سال اخیر توسط خودروسازان مختلف در پیش گرفته شده و بسیاری از مدل هایی که پیش از این به خاطر موتورهای حجیم خود معروف بودند، اکنون با نمونه های چهار سیلندر راهی بازار می شوند.شاید فورد موستانگ و شورولت کامارو جزو بهترین مثال ها در این زمینه باشند. این دو خودروی عضلانی پرطرفدار سرانجام در نسل های اخیر خود با موتورهای کوچک نیز تولید شده اند. بهره گیری از موتورهای کم حجم توربو اگر چه دارای مزیت هایی است، اما در مقابل باعث از دست رفتن دو ویژگی بسیار مهم می شود که عبارتند از غرش هیجان انگیز موتور و واکنش نه چندان به موقع موتور که بعضا شتابگیری با تاخیر را به دنبال دارد.اما آیا تاکنون به این فکر کرده اید که چرا موتورهای توربو دارای تاخیر در شتابگیری هستند؟

توربو لگ (turbo lag) اصطلاحی است که برای واکنش دیر و با تاخیر موتورهای توربو کاربرد دارد. برای درک بهتر دلایل این مساله ابتدا باید کمی به ساختار و کاربرد توربوشارژر بپردازیم.

ساز و کار توربوشارژر

ابتدا لازم است که به صورت تئوری و مختصر از نحوه ساز و کار توربوشارژر (یا به صورت اختصاری: توربو) مطلع باشیم. سیستم توربو در اصل از گازهای بلااستفاده خروجی اگزوز پیشرانه های درون سوز برای به گردش درآمدن و فشرده سازی هوای ورودی پیشرانه استفاده می کند. این درحالی است که سوپرشارژر نیروی دورانی خود را مستقیما از میل لنگ پیشرانه دریافت می کند.این قطعه شامل دو بخش اصلی توربین و کمپرسور است که در کارگاه های صنعتی بسیار پیشرفته و با دقت بسیار بالا تولید می شود. از این رو سیستم توربو در زمره ابزارهای بسیار حساس و با دقت بسیار بالا صنعت خودرو قرار دارد.

همانطور که از نامش بر می آید، بخش توربین توربو با اتصال به سیستم اگزوز پیشرانه، به کمک سرعت بسیار زیاد گازهای خروجی اگزوز به گردش در می آید. در نتیجه به دلیل اتصال به شفت مشترک با کمپرسور، این بخش را نیز به گردش درآورده و هوای محیط را با مکیدن به داخل کمپرسور، مورد فشرده سازی قرار می دهد و سپس آن را به محفظه ورودی پیشرانه ارسال می کند.

از آنجایی که بنزین مورد استفاده در پیشرانه های درون سوز به طور صد در صد مورد احتراق قرار نمی گیرد، ورود هوای فشرده به داخل پیشرانه با چگالی بالاتر از هوای موجود در محیط همراه خواهد بود. این موضوع به معنای ورود تعداد بیشتر مولکول های اکسیژن به پیشرانه و بهبود احتراق و در نتیجه افزایش توان تولیدی پیشرانه است.

تاخیر توربو چیست؟

اما پدیده تاخیر توربو کجای داستان قرار دارد؟ می دانیم که از دیدگاه مهندسی، هرچه مسیر خروجی گازهای اگزوز خلوت تر و بدن مقاوت باشد، توان تولیدی پیشرانه به مراتب بالاتر خواهد بود. به عبارت دیگر، پیشرانه درون سوز در حقیقت همانند یک پمپ هوا عمل می کند. هرچه سرعت هوای ورودی و خروجی از این پمپ بزرگ بیشتر باشد، این پمپ بهینه تر کار می کند. به همین دلیل حذف قطعاتی نظیر فیلتر هوا، کاتالیزور یا خفه کن های سیستم اگزوز می تواند به شکل محسوسی بر توان تولیدی پیشرانه بی افزاید.

حالا تصور کنید که با وجود همه محدودیت های اجباری نظیر خفه کن ها، رزوناتورها و کاتالیزور بر سر راه سیستم اگزوز، سیستم توربو نیز به آن افزوده می شود. توربین و کمپرسور سیستم توربو در دور استاندارد پیشرانه (دور آیدل/در حدود 850 دور در دقیقه) چیزی حدود پنج تا ۱۰ هزار دور در دقیقه سرعت دارد. این در حالیست که با افزایش دور پیشرانه تا دورهای فراتر از ۵۰۰۰ دور در دقیقه، دور نهایی توربو می تواند به سادگی مرز ۵۰ هزار دور در دقیقه را پشت سر گذاشته و وابسته به میزان فشار تولید و نحوه طراحی، در برخی موارد تا ۱۵۰ هزار دور در دقیقه نیز سرعت بگیرد. حاصل این سرعت دیوانه وار و غیر قابل باور صدای سوت پیوسته ای است که به هنگام افزایش دور موتور از پیشرانه های مجهز به توربوشارژر شنیده می شود.

دور گرفتن سیستم توربو و دستیابی به دور استاندارد کاری این سیستم و همچنین کسب توان و دور کافی برای فشرده سازی هوای ورودی به پیشرانه به این معناست که توربو مخصوصا برای رسیدن به دور مناسب کاری (حدود ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ دور در دقیقه پیشرانه معادل با ۱۰ تا ۲۰ هزار دور در دقیقه شفت توربو) از سرعت های پایین تر، در مسیر اگزوز خودرو همانند یک مانع عمل می کند. به عبارت دیگر زمانی که دور توربو پایین است، به هنگام افزایش دور موتور، گازهای پرسرعت خروجی اگزوز در پره های کم سرعت توربین گیر کرده و برای اینکه بتوانند توربین متصل به کمپرسور را به حرکت درآورد به میزان قابل توجهی دچار انباشت و کاهش سرعت و در نتیجه سکته جزئی در شیوه تنفس و افزایش دور پیشرانه می شوند. این پدیده را در سیستم توربوشارژر تحت عنوان توربو لَگ (Turbo Lag) یا تاخیر توربو می شناسند.

راه حل توربو لگ

برای رفع تاخیر یا لگ در سیستم توربو مخصوصا در دورهای ابتدایی، لازم است کاری کنیم که شفت توربو (شفت متصل به توربین و کمپرسور) با سرعت بیشتری به دور مناسب کاری خود برسد. برای انجام این کار مهم چند روش رایج وجود دارد که در صنعت خودرو امروزی به کار گرفته می شود.

۱. مولتی توربو (چند توربو)

در این روش به جای استفاده از یک توربو بزرگ برای تامین فشار هوای ورودی یا همان بوست، از دو یا چند توربو کوچک تر استفاده می کنند. این روش به دلیل ایجاد مقاومت و لگ کمتر، به مراتب سریع تر از یک توربو بزرگ دور گرفته و میزان تاخیر را به شکل چشمگیری کاهش می دهد. مشهورترین خودروهای مجهز به این سیستم بوگاتی ویرون، شیرون و EB110، فورد GT90 و بسیاری از ابرخودروهای استاندارد خیابانی است.

۲. توربو ترتیبی

سیستم توربو ترتیبی یا سیکوئنشال (Sequential Turbo) روشی است متشکل از دو نوع توربو متمایز و متفاوت. توربو نوع اول با داشتن ابعاد کوچک تر وظیفه تامین بوست (Boost/به معنای فشار تولیدی سیستم توربو یا سوپرشارژر) پیشرانه در دورهای پایین را بر عهده دارد، در حالی که توربو بزرگ تر در دورهای بالاتر و فشار خروجی بیشتر گاز های اگزوز وارد مدار شده و قادر است بوست بالاتری تولید کند.این سیستم در ترکیب بندی های متفاوتی به کار گرفته می شود اما معمولا گازهای خروجی ابتدا از توربو کوچک و سپس توربو بزرگ عبور می کند تا توربو بزرگ تر برای ورود به مدار در دورهای بالاتر آماده باشد.

۳. توئین اسکرول یا دابل وُلوت

طراحی بخش توربین توربو به سبک توئین اسکرول (Twin Scroll) یا دابل ولوت (Double Volute) در حقیقت به نوع خاصی از طراحی هوزینگ توربو اشاره می کند که ضمن داشتن طراحی اندکی متفاوت، هر دو در واقع یک کار را انجام می دهند. در این نوع طراحی، ورودی گازهای خروجی اگزوز در بخش توربین توربو به دو قسمت بزرگ و کوچک تقسیم شده است تا رفتاری شبیه به سیستم توربو ترتیبی، تنها با استفاده از یک توربو (یا بیشتر) ایجاد شود.در نتیجه در این نوع توربوها، گازهای خروجی اگزوز در دو قسمت کم فشار و پرفشار توربو تخلیه شده و قادر است با توجه به دور موتور و سرعت گازهای خروجی اگزوز، با توان و سرعت مناسب تری توربین توربو را به گردش درآورد.

۴. توربو هندسه متغیر

توربوشارژر هندسه متغیر یا Variable Geometry Turbo به نوع خاصی از توربوها اطلاق می شود که در محل ورودی گازهای اگزوز آن ها، سیستمی نصب شده است که به صورت کامپیوتری و با توجه به دور موتور و فشار گازهای خروجی اگزوز، قادر به تنظیم فشار ورودی به توربین توربو است.در نتیجه این سیستم به هنگام پایین بودن دور موتور و کم بودن سرعت گازهای خروجی اگزوز، مسیر ورودی به توربین توربو را کوچک تر می کند تا سرعت افزایش یافته و توربین سریع تر به گردش درآید. با افزایش دور موتور و سرعت خروجی گازهای اگزوز، این سیستم ورودی را بزرگ تر می کند تا فشار افزایش بیشتری یافته و توربو در دورهای بالاتر سرعت گردشی خود را حفظ کند.سیستم هندسه متغیر کمک می کند تا توربو شبیه به نوع دابل ولوت یا توئین اسکرول اما به شکل بسیار حساب شده و کنترل شده تر عمل کند. در نتیجه این نوع از توربوها گران تر از نوع دابل ولوت یا توین اسکرول هستند.

۵. الکترو توربو

برای مدتی طولانی در صنعت خودرو تلاش بر آن است که بجای گازهای خروجی اگزوز، از نیرو الکتریسیته برای به حرکت درآوردن توربو استفاده شود. این موضوع نه تنها ماهیت توربوشارژر را به سوپرشارژر تغییر می دهد، بلکه از نظر فنی بسیار چالش برانگیز و دشوار است. با این وجود برخی از سیستم های توربو با موتورهای الکتریکی کمکی روانه بازار شده اما هنوز در صنعت خودرو رواج نیافته اند.سیستم توربوهایی که از نیرو الکتریسیته به عنوان سیستم کمکی بهره می گیرند، در حقیقت برای دستیابی سریع به دور بالا برای عملکرد بهتر و فرار از لگ توربو، به کمک نیرو الکتریسیته توربو را همواره در سرعت خاصی نگه داشته یا برای رساندن آن به یک دور مشخص برای لحظاتی کوتاه، توربو را به گردش در می آورند.این سیستم هم اکنون درخودروهای مسابقه ای کاربرد دارد و هنوز به صورت رایج در خودرو های تیراژ بالا به کار گرفته نمی شود.

۶. الکترو بوست (E-Boost)

از نظر نام گذاری شاید این واژه توصیف دیگری از الکترو توربوها باشد، اما در حقیقت پدیده متفاوتی است. در خودروهای هیبرید خفیف (Mild Hybrid)، معمولا از مجموعه بسیار جزئی و کوچک از باتری ها و موتورهای الکتریکی استفاده می شود که کاربرد اصلی آن ها در حقیقت به کار انداختن سیستم اقتصادی و کم مصرف تر استارت/استاپ (روشن و خاموش کردن هوشمند پیشرانه درون سوز بدون استفاده از استارتر) و افزایش توان لحظه ای خودرو به هنگام سبقت گیری ها ناگهانی است. این نوع هیبریدها حتی قادر نیستند به صورت تمام الکترکی مورد استفاده قرار بگیرند.اما در عوض موتور الکتریکی کوچک آن ها برای دور دادن ناگهانی به پیشرانه بسیار مناسب عمل می کند. در نتیجه برای فرار از تاخیر توربو به هنگام شتاب گیری اولیه، در حقیقت موتور التریکی آن ها به افزایش ناگهانی دور موتور برای دستیابی به بازه عملکرد دور موتور مورد نیاز توربو کمک می کند تا ضمن ایجاد کشش اولیه، تاخیر ابتدایی توربو را از میان بردارد. شرکت کرایسلر از این سیستم با نام E-Torque یاد می کند.

۷. توربو و سوپر موازی

یکی از بزرگ ترین مزایای سیستم سوپرشارژر در مقایسه با سیستم سوپرشارژر عدم وجود پدیده لگ در سیستم سوپرشارژر است، چراکه این سیستم نیرو دورانی خود را مستقیما از میل لنگ پیشرانه دریافت می کند و در نتیجه با افزایش دور موتور، دور سوپرشارژر نیز افزایش می یابد.به همین دلیل با استفاده از یک یا چند سیستم سوپرشارژر به صورت موازی و همزمان با یک یا چند سیستم توربوشارژر، پدیده تاخیر توربو از میان برداشته می شود، چرا که هنگام بروز پدیده تاخیر توربو، سوپرشارژر موجود در مدار این پدیده را تا زمان رسیدن دور توربو به بازه کاری مناسب جبران می کند.

مهم ترین ضعف این سیستم افزایش قیمت تولید پیشرانه است، چرا که از قطعات گران قیمتی چون سوپرشارژ به صورت همزمان با توربوشارژر بهره می گیرد. البته افزایش ابعاد و وزن نهایی پیشرانه در این سیستم را نیز نباید از یاد برد. به همین دلیل این ساختار بیشتر در خودروهای مسابقه ای و تنظیمات شخصی غیر شرکتی (غیر فابریک) کاربرد دارد و هیچ خودرویی از کارخانه خودروساز با این ساختار تولید نمی شود.

۸. ناس (NOS/اکسید نیتروژن)

یکی دیگر از روش های کسب سریع و آنی دور موتور و قدرت، استفاده از کپسول های آماده نیتروژن اسید (نیتروژن مونوکسید) است. این کپسول ها حاوی گاز نیتروژن اکسید هستند که در دنیای خودرو با نام عامیانه ناس (NOS) شناخته می شوند.

گاز نیتروژن اکسید به دلیل داشتن ترکیب خنثی مولکول نیتروژن در کنار مولکول اکسیژن هنگام استفاده، رفتاری شبیه به عملکرد سیستم های پرخوران دارد چرا که با افزایش تعداد مولکول اکسیژن ورودی به پیشرانه، میزان خلوص اکسیژن ورودی در مدار احتراق داخلی را افزایش داده و توان و گشتاور پیشرانه را بالاتر می برند. در نتیجه یکی دیگر از تاثیرات جانبی استفاده از این کپسول ها افزایش سریع دور موتور است. به همین دلیل استفاده همزمان از ناس در دورهای پایین در کنار سیستم توربو به صورت موقت، می تواند پدیده تاخیر توربو را به هنگام شتاب گیری ناگهانی از میان ببرد.

دو ضعف اصلی این سیستم اول محدود بودن حجم این کپسول ها و در نتیجه تاثیر موقتی آن ها در دستیابی موتور به دورهای بالاتر در مدت زمان کمتر و ضعف دیگر، بروز احتمالی آسیب های بسیار جدی در استفاده بلند مدت از این گاز در پیشرانه های معمولی خودروهایی است که مناسب این گاز طراحی و تنظیم نشده اند. البته قیمت قابل توجه هر بار پرکردن این کپسول ها را نیز نباید از یاد برد.به همین دلیل است که سیستم ناس بیشتر در خودروهای مسابقه ای با کاربرد موقت و کوتاه مدت (نظیر خودروهای مسابقات درگ یا خودروهای مسابقه ای ارتقا یافته خیابانی) به کار گرفته می شود و نه در خودروهای معمولی.

نتیجه گیری

سیستم توربو با همه ضعف هایی که به همراه دارد، امروزه رایج ترین نوع پرخوران (Force Induction) در پیشرانه های تولید انبوه مخصوصا در خودروهای اقتصادی است؛ اما با مزایای بیشتری که سیستم های پرخوران سوپرشارژر به همراه دارند، این سیستم ها معمولا در خودروهای اسپرت عملکرد محور کاربرد بیشتری نسبت به نمونه های توربو دارند.

علائم و نشانه های خرابی توربوشارژر