مهم‌ترین نوآوری‌ها در فناوری توربوشارژر طی دو دهه اخیر

حدود نیم قرن است که از توربوشارژر در خودروها استفاده می‌شود ولی نوآوری‌های چند سال اخیر این فناوری را وارد دنیای کاملاً جدیدی از کارایی و عملکرد کرده است.

هرچند پیشینهٔ توربوشارژر به بیش از یک قرن قبل بازمی‌گردد ولی طی دو دههٔ گذشته، پیشرفته و مهندسی توربو به مشکلاتی که قبلاً غیرقابل‌حل تلقی می‌شدند غلبه کرده است. بزرگ‌ترین مشکل توربوشارژر، تأخیر توربو ناشی از فشار پایین گازهای اگزوز در دورهای پایین موتور است که باعث می‌شود خودرو پاسخگویی فوری نداشته باشد. بااین‌حال، با فناوری‌هایی مثل توربوشارژرهای توئین اسکرول و هندسه متغیر، این مشکل تا حد زیادی برطرف شده است. ازاین‌رو قصد داریم در ادامه با خودروهایی آشنا شویم که سهم بزرگی در پیشرفت نوآوری‌های توربوشارژر طی دو دههٔ گذشته داشته‌اند.

میتسوبیشی نقشی اساسی در محبوبیت توربوشارژر ایفا کرد و لنسر اوو VIII یکی از پررنگ‌ترین نقش‌ها را در این زمینه داشت زیرا این اولین خودرو از یک خودروساز بزرگ بود که به توربوشارژر توئین اسکرول مجهز شد. توربوشارژرهای توئین اسکرول به دو کانال داخلی برای عبور گازهای اگزوز مجهز هستند که از این طریق گازها تقسیم شده و تداخل جریان کاهش پیدا می‌کند. درنتیجه، با این تکنولوژی نه‌تنها مشکلات ذاتی توربوشارژر مثل تأخیر توربو برطرف می‌شود بلکه امکان افزایش بوست هم فراهم خواهد شد. بدون شک توئین اسکرول یک فناوری انقلابی در توربوشارژر بود که امروز در اکثر خودروها استفاده می‌شود.

335i نسل E90 اولین خودرویی بود که از پیشرانهٔ شش سیلندر توئین توربوی ب‌ام‌و استفاده کرد. این موتور که N54 نام داشت، هرچند اساساً پروژه‌ای آزمایشی بود ولی تأثیر فوق‌العاده‌ای از خود بر جای گذاشت. در این موتور، ب‌ام‌و بجای استفاده از تکنولوژی توئین اسکرول، از دو توربوشارژر کوچک با منیفولدهای کوتاه استفاده کرد که پاسخگویی بی‌سابقه‌ای را فراهم می‌کرد به‌گونه‌ای که حداکثر گشتاور از دور تنها 1,400 rpm ارائه می‌شد. چنین چیزی برای اولین بار بود که در صنعت خودروسازی دیده می‌شد. البته ب‌ام‌و درنهایت به سمت تکنولوژی توئین اسکرول در موتورهای تک توربو مثل جایگزین N54 که در سال 2011 با نام N55 معرفی شد حرکت کرد ولی هنوز هم در موتورهای توئین توربو مثل S58 در M3 امروزی از توربوشارژرهای تک اسکرول استفاده می‌کند.

پورشه یکی از اولین خودروسازانی بود که با معرفی 911 توربو در سال 1974 سراغ توربوشارژر رفت اما چهار دهه بعد، این شرکت با معرفی توربوشارژرهای هندسه متغیر در 911 توربو نسل 997، یک بار دیگر نقطهٔ عطف مهمی را در پیشرفت این تکنولوژی رقم زد. در توربوشارژرهای هندسه متغیر یا VGT زاویهٔ پره‌های توربین بسته به دور موتور تغییر می‌کند که باعث افزایش راندمان توربوشارژر در دورهای مختلف پیشرانه می‌شود. در دورهای پایین، پره‌ها به‌گونه‌ای تنظیم می‌شوند که سرعت چرخش توربین را افزایش دهند درحالی‌که در دورهای بالاتر پره‌ها صاف می‌شوند تا جریان هوا بهینه بماند. این تکنولوژی هنوز هم در 911 نسل 992 استفاده می‌شود و تأخیر توربو را بسیار کاهش داده است.

قبل از اینکه پورشه از توربوشارژر هندسه متغیر استفاده کند، این فناوری در پیشرانه‌های دیزلی استفاده می‌شد. این تکنولوژی که توسط کامینز توسعه داده شد، اولین بار در سال 1998 در موتورهای دیزلی تجاری استفاده شد. به این دلیل تکنولوژی VGT ابتدا در موتورهای دیزلی استفاده شد که در این پیشرانه‌ها دمای گازهای خروجی اگزوز پایین‌تر است و درنتیجه ساخت توربوشارژرهای هندسه متغیر قابل‌اعتماد را در قیاس با موتورهای بنزینی آسان‌تر می‌کند. در توربوشارژر VGT کامینز از یک حلقهٔ کشویی برای افزایش فشار هوا در دورهای پایین استفاده شده بود. از این توربوشارژر اولین بار در موتور 6.7 لیتری دیزلی کامینز استفاده شد که زیر کاپوت دوج رم 3500 قرار گرفت.

یکی دیگر از نوآوری‌های مهم توربوشارژر را هم ب‌ام‌و به خودروهای جاده‌ای ارائه کرد. موتور 4.4 لیتری هشت سیلندر N63 ب‌ام‌و اولین پیشرانهٔ تولیدی بود که از طراحی موسوم به Hot Vee استفاده کرد. در این طراحی، توربوشارژرها برخلاف موتورهای معمولی که در بیرون موتور نصب می‌شوند، در داخل موتور یعنی بین سیلندرها جای می‌گیرند. بدین ترتیب، در موتورهای هات وی می‌توان از منیفولدهای اگزوز کوتاه‌تری استفاده کرد که توربوشارژرها را کارآمدتر می‌کند. به لطف این ویژگی، موتور N63 حداکثر گشتاور خود را از دور 1,750 rpm ارائه می‌کرد. این موتور اولین بار در ب‌ام‌و X6 معرفی شد و سپس نسخهٔ قوی‌تر آن با نام S63 در سینهٔ M5 نسل F10 قرار گرفت.

مهندسان ولوو برای برطرف کردن مشکل تأخیر توربو راه‌حل منحصربه‌فردی را به کار بردند که پاور پالس نام داشت. در این تکنولوژی، هوای فشرده از یک مخزن مجزای تحت‌فشار مستقیماً به منیفولد اگزوز فرستاده می‌شود تا به چرخاندن توربین در هنگام پایین بودن فشار گازهای اگزوز کمک کند. از این طریق، توربوشارژر پاسخگویی فوری خواهد داشت. این نوآوری جالب اولین بار در ولوو XC90 و S90 سال 2016 ارائه شد. بااین‌حال، ولوو تنها خودروسازی است که از این تکنولوژی استفاده می‌کند.

پیشرانهٔ 2 لیتری EA888 فولکس‌واگن یکی از پیشرفته‌ترین موتورهای چهار سیلندر توربوشارژ جهان محسوب می‌شود. سومین نسل این موتور که با نام Evo3 اولین بار در گلف GTI نسل هفتم استفاده شد، از نوآوری بزرگی در منیفولد اگزوز بهره می‌برد. فولکس‌واگن در این موتور طراحی منیفولد اگزوز کوتاه موتور N54 ب‌ام‌و را به سطح جدیدی ارتقاء داد. در موتور Evo3 منیفولد اگزوز مستقیماً در سرسیلندر ادغام شده و یکی از کوتاه‌ترین منیفولدها را در پیشرانه‌های توربو پدید آورد. در این موتور همچنین برای سرسیلندر و منیفولد اگزوز سیستم یکپارچه خنک‌کننده با آب طراحی شده بود که راندمان را افزایش و مصرف سوخت را تا 20 درصد کاهش می‌داد.

مرسدس هم با معرفی سیستم الکتریکی 48 ولتی، در نوآوری‌های توربو سهمی را به خود اختصاص داد. در E53 AMG از سیستم هیبریدی خفیف 48 ولتی برای تأمین انرژی یک توربوشارژر برقی استفاده شد. در ابتدا این موتور به یک سوپرشارژر برقی مجهز بود که ارتباطی با توربوشارژر نداشت و به‌طور مستقل عمل می‌کرد ولی در نسخه‌های بعدی، یک موتور برقی روی شافت بین توربین و کمپرسور نصب شد که توربوشارژر را هنگام پایین بودن فشار گازهای اگزوز به چرخش درمی‌آورد. این نیروی کمکی برقی باعث افزایش فوری بوست توربو می‌شد و تأخیر توربو را از بین می‌برد.

هرچند فراری بیشتر به خاطر پیشرانه‌های V8 و V12 شهرت دارد ولی موتور V6 جدید این شرکت که در 296 GTB معرفی شد هم یک شاهکار محسوب می‌شود. این موتور زاویهٔ 120 درجه دارد که به پیشرانه‌های تخت نزدیک است. این زاویهٔ باز عمداً طراحی شده تا فضای لازم برای طراحی Hot Vee فراهم شود یعنی طراحی‌ای که پیش‌ازاین فقط در پیشرانه‌های بزرگ‌تر V8 استفاده می‌شد.

در سال 2024 سرانجام اولین پورشه 911 هیبریدی تاریخ معرفی شد. قوای محرکهٔ این خودرو از یک پیشرانهٔ 3.6 لیتری شش سیلندر تخت کاملاً جدید با یک توربوشارژر تشکیل شده که فاقد وست‌گیت است. این توربوشارژر جدید آن‌قدر کارآمد است که برخلاف نسخهٔ قبلی 911 کاررا GTS نیازی به دو توربوشارژر نیست. روی این توربوشارژر مثل مرسدس E53 یک موتور الکتریکی نصب شده که به چرخش سریع توربوشارژ کمک می‌کند اما نوآوری پورشه این است که وست‌گیت توربوشارژر را حذف کرده و از گازهای مازاد اگزوز که در توربوهای عادی از طریق وست‌گیت به هدر می‌رود برای تولید برق و شارژ باطری استفاده کرده است.