سیستمهای توئین شارژ (Twin Charge) در خودروها: تکنولوژی، مزایا و کاربردها
صنعت خودروسازی همواره به دنبال افزایش بازدهی و قدرت موتورهای احتراق داخلی است. در این راستا، فناوریهای متعددی برای تقویت موتور به کار گرفته شدهاند که یکی از پیشرفتهترین آنها سیستم توئین شارژ (Twin Charge) است. این فناوری که ترکیبی از توربوشارژر و سوپرشارژر است، توانسته است در خودروهای مختلف به افزایش چشمگیر در توان و گشتاور موتور کمک کند، بدون افزایش چشمگیر مصرف سوخت یا آلایندگی.
سیستم توئین شارژ چیست؟
سیستم توئین شارژ به معنای استفاده همزمان از دو نوع فوقشارژر (شارژر قویکننده هوای موتور) است:
- سوپرشارژر (Supercharger): که به صورت مکانیکی و به وسیله تسمه از موتور نیرو میگیرد و در دورهای پایین موتور، فشار هوای ورودی را افزایش میدهد.
- توربوشارژر (Turbocharger): که با استفاده از انرژی گازهای خروجی اگزوز و بدون اتصال مکانیکی با موتور، هوای ورودی را در دورهای بالاتر موتور ارتقا میدهد.
در این ساختار، سوپرشارژر در دورهای پایین عملکرد موتور را بهبود میبخشد و توربوشارژر در دورهای بالا مسئول شارژ ورودی هواست. در مجموع، سیستم توئین شارژ باعث گسترده شدن بازه گشتاور و افزایش پاسخدهی بهتر موتور در تمام دورهای کاری میشود.
نحوه عملکرد سیستم توئین شارژ
برای درک عملکرد توئین شارژ، ابتدا باید تفاوت بین سوپرشارژر و توربوشارژر را بدانیم:
سوپرشارژر
سوپرشارژر مستقیماً به موتور متصل است و نیروی خود را از طریق تسمه یا چرخدندهها از موتور میگیرد. بنابراین در دورهای کم، بلافاصله هوای فشردهشده بیشتری را به موتور میرساند و باعث بهبود گشتاور در دور پایین میشود. با این حال عملکرد آن به دور موتور وابسته است و مصرف انرژی کشیده شده از موتور حدود 10 تا 15 درصد است.
توربوشارژر
توربوشارژر توسط گازهای خروجی اگزوز رانده میشود و بنابراین مصرف انرژی مستقیم از موتور ندارد. این سیستم در دورهای بالا بسیار کارآمد است چرا که فشار گازهای خروجی زیاد شده و میتواند هوای ورودی را به شدت فشرده کند. اما یکی از مشکلات اصلی آن تاخیر توربو (Turbo Lag) است که باعث میشود در دورهای پایین سرعت پاسخدهی موتور کاهش یابد.
ترکیب دو شارژر در سیستم توئین شارژ
سیستم توئین شارژ با ترکیب مزایای این دو روش، مشکل تأخیر توربو را حل کرده است:
- در دورهای پایین موتور، سوپرشارژر فعال است و باعث افزایش فوری هوای ورودی و گشتاور میشود.
- با افزایش دور موتور و رسیدن به محدودهای که توربوشارژر بتواند انرژی کافی از گازهای خروجی دریافت کند، سوپرشارژر غیرفعال یا دور کند شده و توربوشارژر وارد مدار میشود.
- در برخی خودروها، هر دو شارژر به صورت همزمان کار میکنند، ولی در دیگران مکانیزمهای کنترل شدهای برای انتقال نرمتر بین دو شارژر وجود دارد تا مصرف سوخت و استهلاک کاهش یابد.
اجزاء اصلی سیستم توئین شارژ
اجزاء کلیدی سیستم توئین شارژ عبارتند از:
- سوپرشارژر مکانیکی: معمولا به صورت روتاری یا اسکرو برای ارائه فشار ثابت در دورهای پایین استفاده میشود.
- توربوشارژر: توربین با تیغههای دقیق که از انرژی گازهای خروجی حداکثر استفاده را میکند.
- مجموعه دریچهها و شیرهای کنترل: مسئول قطع و وصل و تنظیم فشار ورودی هوا به موتور و تعویض بین سوپرشارژر و توربوشارژر.
- اینترکولر (Intercooler): برای کاهش دمای هوای فشرده شده و افزایش چگالی هوا و در نتیجه کارایی موتور.
- واحد کنترل موتور (ECU): که زمانبندی و میزان فعالیت هر شارژر را بر اساس شرایط موتور و رانندگی مدیریت میکند.
مزایای سیستم توئین شارژ
استفاده از سیستم توئین شارژ به دلایل متعدد فنی و عملکردی دارای مزایا قابل توجهی است:
بهبود پاسخدهی موتور
ترکیب سوپرشارژر و توربوشارژر سبب میشود موتور در دورهای پایین بدون تأخیر توربو، شتاب اولیه خوبی داشته باشد و در دورهای بالا نیز قدرت بسیار بیشتری تولید کند.
افزایش گستره گشتاور
گشتاور خروجی موتور در دورهای پایین تا دورهای بالا هموارتر توزیع میشود، که باعث شده رانندگی در سرعتهای مختلف و در شرایط بارگذاری گوناگون بهتر و نرمتر انجام شود.
کاهش تاخیر توربو
به دلیل فعالیت سوپرشارژر در دورهای پایین، معضل دیر پاسخ دادن توربوشارژر تا حد زیادی کاهش مییابد و این موضوع احساس راننده را بهبود میبخشد.
بهبود مصرف سوخت و کاهش آلایندگی
سیستم توئین شارژ با بهینه سازی ورود هوا و سوخت، میتواند در عین افزایش قدرت موتور، مصرف سوخت را در سطح مناسبی نگه دارد و آلایندگی را کاهش دهد.
کاهش حجم موتور با حفظ قدرت بالا
به کمک شارژ قوی هوا، امکان طراحی موتورهای کوچکتر با خروجی قدرت بالا فراهم میشود که منجر به کاهش وزن خودرو و بهبود هندلینگ میگردد.
معایب و چالشهای سیستم توئین شارژ
البته هر تکنولوژی مزایا و معایب خود را دارد، در سیستم توئین شارژ نیز موارد زیر دیده میشود:
- پیچیدگی طراحی و ساخت: هماهنگی و کنترل دو شارژر مختلف نیازمند سیستمهای الکترونیکی و مکانیکی پیشرفته است که هزینه ساخت را افزایش میدهد.
- هزینه نگهداری بالاتر: وجود دو سیستم مختلف شارژر باعث افزایش احتمال خرابی و هزینه سرویسهای دورهای میشود.
- افزایش وزن خودرو: افزودن اجزاء بیشتر مانند سوپرشارژر، توربوشارژر، اینترکولرها و شیرهای کنترل وزن نهایی موتور را افزایش میدهد.
- پیچیدگی در مدیریت گرمایی: فشار دادن هوا به دو مرحله باعث ایجاد حرارت زیادی در سیستم میشود که نیازمند خنککنندگی دقیق است.
مثالهای معروف استفاده از سیستم توئین شارژ
فولکسواگن G-Lader
یکی از اولین مثالهای سیستم توئین شارژ را میتوان در موتورهای فولکسواگن گلف G60 (دهه 1990) مشاهده کرد که مجهز به شارژر G-Lader (نوعی سوپرشارژر تیغهای) و توربو بودند. این طراحی موجب افزایش کارایی موتور 1.8 لیتری شد.
موتور VW 1.4 TSI
یکی از نمونههای مدرن و مشهور سیستم توئین شارژ، موتور 1.4 لیتری TSI شرکت فولکسواگن است که در برخی مدلها از جمله گلف GT و آئودی A1 استفاده شده است. این موتور توانایی تولید حدود 180 تا 200 اسببخار قدرت را دارد در حالی که مصرف سوخت بسیار بهینهای دارد.
Nissan March SR (نمونه ژاپنی)
شرکت نیسان در نسلهای خاصی از هاچبکهای کوچک خود از سیستم توئین شارژ بهره برده است. این سیستم به خصوص برای خودروهای شهری طراحی شده که جایی برای موتورهای بزرگتر وجود ندارد، اما نیاز به عملکرد بهتر احساس میشود.
جزئیات فنی و عملکرد در شرایط مختلف
مدیریت عملکرد در دورهای پایین
در هنگام دور موتور پایین (مثلا 1000 تا 2500 دور در دقیقه)، سوپرشارژر به صورت فعال عمل میکند و گاز ورودی به موتور را فشردهتر کرده و مستقیم وارد منیفولد ورودی میکند. این کار باعث افزایش گشتاور اولیه میشود و تاخیر توربو را حذف میکند.
تغییر به توربوشارژر در دورهای بالا
زمانی که سرعت چرخش موتور بالاتر میرود و گازهای خروجی اگزوز فشار و دمای لازم را ایجاد میکنند، توربوشارژر وارد مدار میشود. در این حالت شیرهای رلهای عملکرد سوپرشارژر را کاهش میدهند یا آن را کاملاً قطع میکنند تا مصرف انرژی روی موتور کاهش یافته و از توربو استفاده بهینه شود. این تغییر به نرمترین شکل ممکن مدیریت میگردد تا راننده تغییر محسوس نیابد.
نقش اینترکولر در سیستم توئین شارژ
چون فشردهسازی هوا باعث افزایش دمای هوا میشود، در این سیستم معمولاً دو اینترکولر استفاده میشود:
- اینترکولر سوپرشارژر: برای کاهش دمای هوای فشرده شده توسط سوپرشارژر
- اینترکولر توربوشارژر: معمولاً بزرگتر و پیچیدهتر برای خنک کردن هوای ورودی از توربو
این امر سبب میشود چگالی هوا بالاتر رفته و عملکرد موتور بهتر شود.
مقایسه سیستم توئین شارژ با دیگر روشهای شارژ هوا
| ویژگی | سوپرشارژر تنها | توربوشارژر تنها | سیستم توئین شارژ |
|---|---|---|---|
| پاسخدهی در دور پایین | خوب | ضعیف (دیرکرد توربو) | بسیار خوب (به لطف سوپرشارژر) |
| قدرت در دور بالا | محدود | بسیار خوب | بسیار خوب |
| مصرف انرژی از موتور | بالا (تا 15%) | کم (تقریباً صفر) | متوسط (بسته به حالت کاری) |
| پیچیدگی سیستم | کم | متوسط | بالا |
| هزینه تولید و تعمیرات | کمتر | متوسط | بیشتر |
جمعبندی و آینده سیستمهای توئین شارژ
سیستمهای توئین شارژ یکی از پیشرفتهترین تکنولوژیهای افزایش قدرت موتورهای کوچک و متوسط هستند که توانستهاند معایب هر یک از شارژرهای منفرد را جبران کنند. این سیستمها برای خودروهای شهری و اسپرتی که به بهینهسازی مصرف سوخت و قدرت توأمان نیاز دارند ایدهآلاند.
با پیشرفت فناوریهای الکترونیک و طراحیهای مدرن، پیشبینی میشود که سیستمهای توئین شارژ در آینده با وزن کمتر، راندمان بالاتر و هزینه ساخت کمتر، در خودروهای بیشتری استفاده شود. همچنین ترکیب این سیستمها با فناوریهای هیبریدی و برقی میتواند به تحول چشمگیری در عملکرد موتور خودروها منجر شود.
پرسشهای متداول (FAQ)
آیا سیستم توئین شارژ در همه خودروها قابل استفاده است؟
خیر. این سیستم بیشتر در خودروهای با موتور کوچک تا متوسط و جایی که نیاز به افزایش قدرت و گشتاور در هر محدوده دور موتور وجود دارد استفاده میشود. طراحی و پیادهسازی آن در موتورهای بزرگتر پیچیدهتر و هزینهبرتر است.
تفاوت سیستم توئین شارژ با سیستم بایتوربو چیست؟
در سیستم بایتوربو دو توربوشارژر با اندازههای مختلف یا مشابه به کار میروند اما هر دو بر اساس انرژی اگزوز کار میکنند. در سیستم توئین شارژ، ترکیب توربو و سوپرشارژر است که باعث پاسخدهی بهتر در دور پایین میشود.
آیا سیستم توئین شارژ باعث افزایش مصرف سوخت میشود؟
اگرچه سوپرشارژر مقداری انرژی از موتور میکشد، در مجموع با بهینه سازی هوا و سوخت رسانی و افزایش بازده موتور، مصرف سوخت در شرایط رانندگی واقعی میتواند بهبود یابد.
آیا این سیستم نیاز به نگهداری خاصی دارد؟
بله، به دلیل وجود دو سیستم شارژر و اجزاء کنترلی پیچیده، نیازمند بررسیها و سرویسهای دورهای دقیقتر نسبت به سیستمهای شارژر معمولی است.
در نهایت، سیستم توئین شارژ نمادی از تلاش مهندسان برای بهبود همزمان قدرت، کارایی و پاسخدهی موتورهای خودرو است که میتواند تحولی در صنعت خودروسازی ایجاد کند.