درخشش توربوشارژرهای برقی؛ انقلابی در قدرت و بهره‌وری موتور
توربوشارژرهای برقی با افزایش بهره‌وری حرارتی و تولید برق از گازهای خروجی، تحولی در مهندسی موتور ایجاد کرده‌اند، هرچند با چالش‌هایی مثل هزینه و پیچیدگی همراه‌اند.
توربوشارژرهای برقی با افزایش بهره‌وری حرارتی و تولید برق از گازهای خروجی، تحولی در مهندسی موتور ایجاد کرده‌اند، هرچند با چالش‌هایی مثل هزینه و پیچیدگی همراه‌اند.
وظیفه توربوشارژر چیست؟
در اصل، هدف توربوشارژر افزایش بهره‌وری حرارتی است. نسخه برقی این فناوری نه تنها این کار را انجام می‌دهد، بلکه توانایی‌های بیشتری هم دارد، به همین دلیل من علاقه زیادی به آن دارم.
بهره‌وری حرارتی چیست؟
بهره‌وری حرارتی معیاری است برای سنجش اینکه چه میزان از انرژی بالقوه سوخت به تولید قدرت اختصاص می‌یابد و چه مقدار آن به شکل گرمای هدررفته از بین می‌رود. به بیان ساده، موتورهای احتراق داخلی خودروها خیلی کارآمد نیستند. مثلاً تویوتا در اواخر دهه ۲۰۱۰ زمانی سر و صدا به پا کرد که موفق شد به بهره‌وری حرارتی ۴۰ درصد در موتور چهار سیلندر Dynamic Force برسد؛ یعنی ۶۰ درصد انرژی همچنان به هدر می‌رفت.
برتری‌های موتورهای برقی در بهره‌وری انرژی
همین موضوع یکی از دلایل جذابیت خودروهای برقی، فراتر از تولید صفر آلایندگی محلی است. بهره‌وری حرارتی در موتورهای برقی مطرح نیست، چون آن‌ها مستقیماً از یک منبع حرارتی تغذیه نمی‌شوند. ولی از نظر بهره‌وری الکتریکی—یعنی نسبت انرژی مصرفی تا خروجی مفید—موتور خودروهای برقی طبق گزارش رنو بین ۷۵ تا ۹۰ درصد بهره‌وری دارند. به طور خلاصه، موتورهای احتراق داخلی (به‌ویژه به‌تنهایی) چندان بهره‌ور نیستند. موتورهای برقی بسیار کارآمدند. توربوشارژر می‌تواند این شکاف را کاهش دهد؛ البته این شکاف هنوز بزرگ است، اما هر مقدار کمکی ارزشمند است.
توربوشارژر چیست و چگونه کار می‌کند؟
توربوشارژر شامل یک توربین در سیستم اگزوز، یک کمپرسور در ورودی هوا و یک شفت بین آن‌هاست. جریان گازهای خروجی توربین را می‌چرخاند و این باعث چرخش کمپرسور می‌شود که هوای فشرده بیشتری را وارد موتور می‌کند و قدرت را افزایش می‌دهد. از نظر بهره‌وری حرارتی، این فرآیند انرژی‌ای که در غیر این صورت به صورت گرما هدر می‌رفت را به کار مفید تبدیل می‌کند.
توربوشارژر برقی چیست؟
توربوشارژر برقی، یک موتور الکتریکی روی شفت بین توربین و کمپرسور اضافه می‌کند. این یعنی می‌توان بدون نیاز به جریان گاز اگزوز، توربو را به حرکت درآورد. مزایای آن شامل حذف تأخیر توربو، کاهش آستانه بوست، و امکان افزایش فشار بوست است. دانستن سرعت شفت هم به سازنده کمک می‌کند تا توربو را با ایمنی بیشتر نزدیک به حداکثر سرعتش کار دهد.
تولید انرژی برگشتی توسط توربوشارژر برقی
موتور برقی می‌تواند برعکس هم عمل کند؛ یعنی با ترمز گرفتن از توربین، انرژی الکتریکی تولید کند. یک مهندس از مرسدس-AMG به من گفت در بعضی موارد، توربوشارژر برقی می‌تواند از نظر انرژی خنثی باشد؛ انرژی بازیافتی از خود توربو برای تأمین انرژی مورد نیاز آن کافی است.
دستاوردهای چشمگیر بهره‌وری با توربوشارژرهای برقی
مرسدس-AMG در سال ۲۰۱۷ اعلام کرد که موتور V-6 فرمول یک این شرکت با توربو برقی، از مرز بهره‌وری حرارتی ۵۰ درصد عبور کرده است؛ یکی از نخستین دفعاتی که یک موتور خودرو بیش از نیمی از سوخت خود را به قدرت مفید تبدیل می‌کرد. این موتور از سامانه MGU-H بهره می‌برد که در اصل همان توربوشارژر برقی است. مرسدس بعداً این فناوری را در خودروهای خیابانی C43 و C63 نیز به‌کار گرفت.
نوآوری پورشه در مدل هیبریدی 911 GTS
پورشه در سیستم هیبریدی جدید خود برای مدل 911 Carrera GTS گام بعدی را برداشت. این سیستم از یک توربوشارژر BorgWarner با یک موتور ۱۴.۷ اسب بخاری استفاده می‌کند و دریچه تخلیه ندارد. به جای تخلیه گاز اضافی، موتور الکتریکی توربو را ترمز می‌کند تا فشار را کنترل کند و هم‌زمان انرژی الکتریکی بیشتری تولید می‌شود. این انرژی می‌تواند توربو یا موتور محرک ۵۳.۶ اسب بخاری خودرو را تغذیه کند.
مزایای حرارتی و مصرف سوخت در سیستم پورشه
یک مهندس پورشه به Motor1 گفت که استفاده از توربو بزرگ و محدود کردن سرعت توربین با موتور باعث کاهش دمای گازهای خروجی می‌شود و در نتیجه، هوای ورودی به موتور نیز خنک‌تر می‌شود. این موضوع نیاز به غنی‌سازی سوخت را که برای کاهش دمای احتراق استفاده می‌شد و حالا طبق استاندارد یورو ۷ ممنوع شده، از بین می‌برد.
ملاحظات وزنی و پیچیدگی فنی در توربوی برقی
به طور کلی، حرکت به سمت سیستم برقی، گسترش طبیعی برای توربوشارژینگ به شمار می‌رود. اما این فناوری هزینه‌بر، پیچیده و سنگین است. فراری در خودروی F80 خود از این سیستم بهره می‌برد، ولی رقیبش مک‌لارن در مدل W1 همچنان از توربوهای معمولی استفاده می‌کند. مهندسان مک‌لارن گفتند که نمی‌خواهند وزن اضافی توربوهای برقی را تحمل کنند و ترجیح می‌دهند انرژی برق خودرو را صرف موتور محرک کنند.
تصمیم‌گیری بین بهره‌وری و سادگی مهندسی
افزایش وزن و پیچیدگی همیشه تصمیم سختی برای خودروسازان است. پیچیدگی باید توجیه فنی و عملکردی داشته باشد. مک‌لارن در مورد استفاده بهتر از انرژی الکتریکی نیز نکاتی دارد. در گذشته من درباره فناوری‌های جالب موتورهای احتراق داخلی مانند اشتعال با کنترل جرقه مزدا یا تراکم متغیر نیسان نوشتم که بهره‌وری را بالا می‌برند، اما نه به اندازه یک سیستم هیبریدی. آیا توربوشارژر برقی در همین دسته قرار می‌گیرد؟ اگر بله، چرا مرسدس، پورشه و فراری آن را پذیرفته‌اند؟
پایان عمر توربوی برقی در فرمول یک؟
نکته طنز ماجرا این است که فناوری‌ای که در فرمول یک توسعه یافت، به‌زودی در همین مسابقات کنار گذاشته خواهد شد. برای جذب تولیدکنندگان موتور جدید، فرمول یک قصد دارد از سال آینده استفاده از MGU-H را حذف کند، زیرا آن را پرهزینه و نامربوط به خودروهای جاده‌ای می‌داند، درست زمانی که خودروسازان بیشتری به سراغ آن رفته‌اند.
نتیجه‌گیری؛ بهره‌برداری از انرژی پنهان
توربوشارژینگ اساساً به معنی استفاده نکردن از انرژی باقی‌مانده نیست. یک موتور احتراق داخلی حجم زیادی از گازهای خروجی بی‌مصرف تولید می‌کند. چرا این انرژی هدررفته به چیزی مفید تبدیل نشود؟ چرا هم‌زمان برق تولید نکنیم؟ مهندسی در بهترین حالت خود، استفاده حداکثری از منابع موجود را هدف می‌گیرد. این به معنای بد بودن خودروهایی که توربوشارژر برقی ندارند نیست، اما این فناوری شاید فقط در خودروهای عملکرد بالا توجیه اقتصادی و فنی داشته باشد. با این حال، ایده‌ی فنی نهفته در آن الهام‌بخش است. آیا تلاش برای استفاده از حداکثر پتانسیل، هدفی نیست که همه باید دنبال کنیم؟
