آشنایی با توربوشارژ برقی / E-Trubo فصل جدید در خودروهای بنزینی آینده
در دنیای امروز، خودروهای بنزینی تنفس طبیعی از نظر مصرف سوخت و آلایندگی محیط زیست، کارآمد نیستند؛ اما سیستم‌های توربوشارژ برای رفع این مشکلات، اهمیت کلیدی دارند و حالا توربوی برقی، راه نجات خودروهای احتراقی از انقراض محسوب می‌شود.
در مجموع، موتورهای احتراق داخلی، به‌تنهایی، چندان از نظر انرژی کارآمد نیستند. برعکس، موتورهای الکتریکی، بسیار بهینه و کارآمدترند. اما توربوشارژر می‌تواند این اختلاف را کاهش دهد. هرچند نه به طور کامل اما هر کمکی برای ادامه‌ی حیات سیلندرها در خودرو مفید به نظر می‌رسد!
در ابتدای بحث، دو نوع اصلی توربوشارژ که اصطلاحا 101 و 102 نام دارد را معرفی می‌کنیم:
توربوشارژر 101: توربوشارژر شامل یک توربین در سیستم اگزوز، یک کمپرسور در ورودی هوا و یک شفت متصل‌کننده بین این دو است. توربین اگزوز با جریان گازهای خروجی به چرخش درمی‌آید و این چرخش، کمپرسور را به حرکت درآورده و چگالی هوای ورودی به موتور را افزایش می‌دهد، که منجر به افزایش قدرت می‌شود. از نظر راندمان حرارتی، توربوشارژر انرژی‌ای را که به‌صورت گرما از دست می‌رفت، به انرژی مفید تبدیل می‌کند.
توربوشارژر 201: توربوشارژر الکتریکی، یک موتور برقی به شفت بین توربین و کمپرسور اضافه می‌کند تا توربوشارژر مستقل از جریان گازهای اگزوز به چرخش درآید، که مزایای زیادی دارد. مهم‌ترین آن‌ها حذف تقریباً کامل تأخیر توربو (توربو لگ)، کاهش آستانه بوست و امکان ایجاد فشار بوست بالاتر است. همچنین، دانستن سرعت شفت توربوشارژر – که البته با یک حسگر سرعت ساده هم قابل دستیابی است – به خودروساز اجازه می‌دهد توربو را با ایمنی بیشتری نزدیک به حداکثر دورش به کار ببرد.
اما موتور الکتریکی در سیستم 201 می‌تواند برعکس هم عمل کند و با ترمز کردن توربین، انرژی الکتریکی تولید کند. یک مهندس از مرسدس-AMG گفت که در برخی موارد، توربوشارژر الکتریکی می‌تواند از نظر انرژی خنثی باشد؛ یعنی انرژی بازتولیدشده توسط موتور توربوشارژر برای تأمین انرژی خودش کافی است.
فناوری مرسدس بنز و پورشه
استفاده از توربوشارژرهای الکتریکی می‌تواند به بهبود قابل‌توجه راندمان حرارتی منجر شود. مرسدس-AMG در سال ۲۰۱۷ اعلام کرد که موتور V-6 توربوشارژر الکتریکی فرمول وان آن‌ها راندمان حرارتی بیش از ۵۰ درصد داشته است، که یکی از اولین مواردی بود که یک موتور خودرو بیش از نیمی از سوخت خود را به انرژی مفید تبدیل کرد تا گرمای تلف‌شده. مانند تمام موتورهای فرمول یک، موتور AMG از یک واحد موتور-ژنراتور-حرارتی (MGU-H) استفاده می‌برد که اصطلاح دیگری برای توربوشارژر الکتریکی است. AMG بعداً اولین شرکتی بود که توربوشارژرهای الکتریکی را در خودروهای جاده‌ای با موتورهای چهار سیلندر C43 و C63 عرضه کرد.
پورشه سپس با سیستم هیبریدی جدید خود (تصویر بالا) برای 911 کررا GTS یک قدم فراتر رفت. توربوشارژر تک BorgWarner آن دارای یک موتور الکتریکی ۱۴.۷ اسب‌بخاری روی شفت خود است و به‌طور منحصربه‌فرد، بدون وست‌گیت (wastegate) طراحی شده است. معمولاً توربوشارژرها از وست‌گیت – یک سوپاپ که برای تخلیه گازهای اگزوز اضافی باز می‌شود – برای محدود کردن فشار بوست استفاده می‌کنند. اما پورشه به‌جای آن، موتور توربوشارژر را ترمز می‌کند تا فشار بوست را کنترل کند، بنابراین هیچ گاز اگزوزی هدر نمی‌رود و انرژی الکتریکی اضافی تولید می‌شود. این انرژی الکتریکی می‌تواند یا توربوشارژر را تغذیه کند یا موتور کششی ۵۳.۶ اسب‌بخاری را که بین موتور و گیربکس قرار گرفته، به کار بیندازد.
یک مهندس پورشه به Motor1 گفت که استفاده از یک توربوشارژر بزرگ و محدود کردن سرعت توربین با موتور، دمای گازهای اگزوز و در نتیجه دمای هوای ورودی به موتور را کاهش می‌دهد. این امر نیاز به غنی‌سازی سوخت – که اغلب برای کاهش دمای احتراق استفاده می‌شود – را حذف می‌کند، روشی که اکنون با مقررات یورو ۷ ممنوع شده است. استفاده پورشه از توربوشارژر الکتریکی راندمان حرارتی و سوختی موتور و کارایی کلی خودرو را افزایش می‌دهد.
فناوری فراری و مکلارن
به‌طور کلی، حرکت به سمت الکتریکی شدن به نظر می‌رسد ادامه طبیعی توربوشارژر باشد. اگر هدف توربوشارژر افزایش کارایی است، چرا به سراغ راه‌حلی نرویم که این هدف را تقویت کند؟ خب، توربوشارژرهای الکتریکی گران، پیچیده و سنگین هستند. فراری از توربوشارژرهای الکتریکی برای هایپرکار F80 خود استفاده می‌کند، اما رقیب نزدیکش، مکلارن، در مدل W1 آینده خود از توربوهای معمولی استفاده می‌کند. مهندسان مکلارن به Motor1 گفتند که نمی‌خواستند وزن اضافی توربوهای الکتریکی را تحمل کنند و ترجیح می‌دادند انرژی الکتریکی خودرو را صرف موتور کششی کنند.
فرمول یک و مخالفت با توربوشارژ برقی
به‌طور پارادوکسیکال، فناوری‌ای که در فرمول یک توسعه یافته، به‌زودی در این ورزش کنار گذاشته خواهد شد. برای جذب تأمین‌کنندگان موتور بیشتر، F1 فرمول موتور خود را برای سال آینده تغییر می‌دهد تا MGU-H را کنار بگذارد، زیرا آن را بیش از حد، غیرمرتبط با خودروهای جاده‌ای می‌داند؛ درست در زمانی که خودروهای جاده‌ای این فناوری را در بر می‌گیرند.
در فرمول یک همچنین بخش الکتریکی سیستم، قدرت هیبریدی خود را افزایش می‌دهد تا به تقسیم تقریباً 50/50 بین قدرت موتور احتراقی و موتور الکتریکی برسد. و البته، F1 با ورود آئودی، فورد و جنرال موتورز پایه تأمین‌کنندگان موتور خود را گسترش می‌دهد. فرمول یک ورزش و کسب‌و‌کار است، نه صرفاً زمین آزمایشی برای فناوری.
به هر حال، توربوشارژر در روح خود، برای به هدر ندادن انرژی است. موتور احتراق داخلی مقدار زیادی گاز اگزوز تولید می‌کند که کاملاً زاید است. چرا از آن چیزی مفید نسازیم؟ و چرا در این فرآیند، انرژی الکتریکی اضافی تولید نکنیم؟
مهندسی در بهترین حالت، پتانسیل آنچه در اختیارتان است را به حداکثر می‌رساند. فعلا توربوشارژ برقی فقط در خودروهای اسپرت رده‌بالا توجیه می‌شود. ایده مهندسی تحسین‌برانگیز در توربوشارژرهای الکتریکی وجود دارد که مناسب عاشقان فناوری است. آیا به حداکثر رساندن پتانسیل چیزی نیست که همه‌ی ما باید برایش تلاش کنیم؟
افزودن وزن و پیچیدگی همیشه باعث دشوار برای خودروسازان است. هر فناوری عجیب و گران‌قیمت، باید ارزش اقتصادی خود را توجیه کند.
توربو برقی و مکانیکی، هر دو کارایی و عملکرد را بهبود می‌دهند، اما نه به اندازه تقویت موتور احتراق داخلی با یک سیستم هیبرید معمولی. آیا توربوشارژر الکتریکی هم در همین دسته قرار می‌گیرد؟ شاید یک خودروساز بگوید بله، اما چرا غول‌های مهندسی‌ای مانند مرسدس، پورشه و فراری آن را پذیرفته‌اند؟