ما هو "تأخر استجابة التوربو" (Turbo lag)؟

Antonio Roncero @roncero_antonio 1 June 2020 5 min.

باستثناء حالات نادرة (المحركات الصغيرة ذات السعة والقدرة المنخفضة)، أصبح المضخم التوربيني اليوم معياراً شبه ثابت لزيادة أداء محركات الاحتراق، سواء محركات البنزين أو محركات الديزل.

وإذا سبق لك أن قدت سيارة بمحرك توربو، فمن المؤكد أنك لاحظت في مواقف معينة تأخيراً طفيفاً بين لحظة الضغط على دواسة الوقود لطلب المزيد من القدرة ولحظة فعاليتها. هذا التأثير هو ما يُعرف بـ “تأخر استجابة التوربو” (Turbo lag).

لفهم ماهية “تأخر استجابة التوربو” بشكل أفضل، من المفيد معرفة المبادئ الأساسية لنظام الشحن الفائق للمحرك باستخدام المضخم التوربيني.

كيف يعمل المضخم التوربيني

المضخم التوربيني هو أحد الأنواع الموجودة لتزويد المحرك بالشحن الفائق أو لإجبار الهواء على الدخول إلى حجرة السحب. يتكون من ضاغط وتوربين (ومن اتحاد الكلمتين جاءت تسميته)، مرتبطين بعمود واحد، يدوران داخل غلاف.

تتولى غازات العادم الناتجة عن المحرك أثناء تشغيله تحريك التوربين، الذي يدير بدوره الضاغط. ويتولى هذا الأخير ضغط هواء السحب حتى ضغط أقصى محدد بـ صمام التفريغ. يدخل الهواء المضغوط إلى حجرة الاحتراق، فيرتفع الأداء.

لماذا يحدث تأخر استجابة التوربو؟

يحدث التأخر في الاستجابة المميز لبعض المحركات ذات المضخم التوربيني عندما يجب على غازات العادم التغلب على قصور الذاتي الذي يظهره التوربين عندما يكون متوقفاً أو يدور بسرعات دورانية منخفضة. تذكر أنه لكي يدور الضاغط بسرعة تسمح له بضغط هواء السحب، يجب أن يدور التوربين بسرعة كافية.

إذا كان تدفق غازات العادم ضعيفاً، كما يحدث عند التسارع من سرعات دورانية منخفضة، فسيصعب عليه التغلب على قصور ذاتي التوربين وتحريكه. وبالمثل، إذا كان المضخم التوربيني كبيراً جداً بهدف توليد ضغط شحن فائق أعلى، فسيكون التوربين أكبر، وسيكون تحريكه أصعب.

في الماضي، وعندما لم تكن المحركات تتمتع بالتعقيد الإلكتروني الذي تتمتع به اليوم، كان من الشائع في محركات السيارات الرياضية استخدام مضخمات توربينية كبيرة لتحقيق زيادات كبيرة في القدرة. كانت هذه المضخمات تولّد ضغطاً كبيراً، وبالتالي تجعل المحرك يعطي قدرة أكبر بكثير، عندما تدور بسرعات دورانية عالية.

لكن عند السرعات الدورانية المنخفضة، عندما يكون تدفق غازات العادم ضعيفاً، كانت تتأخر في بدء العمل، مما كان يجبر السائق على التنبؤ مسبقاً عند التسارع، ويتسبب في ظهور كامل القدرة فجأة تقريباً.

كيف يُعالج تأخر استجابة التوربو

من المنطقي إذن، لمكافحة “تأخر استجابة التوربو”، استخدام مضخمات توربينية صغيرة، يكون فيها تحريك التوربين أقل جهداً ما أمكن، أو مواد خفيفة في تصنيعه.

المشكلة هي أن المضخم التوربيني الصغير يحد من قدرة نظام الشحن الفائق على تحسين الأداء. ومن ناحية أخرى، فإن درجات الحرارة العالية وسرعات الدوران التي يبلغها المضخم التوربيني (تصل إلى 300.000 دورة في الدقيقة) تفرض اللجوء إلى مواد خاصة، مثل التيتانيوم أو السيراميك.

ومع ذلك، توجد تقنيات مختلفة سمحت بتقليل تأخر استجابة المحركات المزودة بالتوربو. وأكثرها شيوعاً ما يلي:

المضخم التوربيني ذو الهندسة المتغيرة. ريش التوربين ليست ثابتة، بل يمكن أن تتغير لتعديل الزاوية التي تصطدم بها غازات العادم، بحيث يتسارع التوربين بسرعة أكبر.
المضخم التوربيني ذو المدخلين Twin-Scroll. لا ينبغي الخلط بين تقنية Twin-Scroll، أو التوربو ذي المدخلين، والشحن الفائق المزدوج. في التوربو Twin-Scroll تُستخدم مدخلان مختلفان لتوجيه غازات العادم نحو التوربين، مما يفصل بين الأسطوانات التي توفر الضغط وتلك التي قد تسبب خفضه عن طريق “إعادة سحب” غازات العادم.
الشحن الفائق المزدوج. بهذه التقنية يمكن استخدام مضخم توربيني أصغر لتحقيق استجابة فورية عند السرعات المنخفضة، ومضخم أكبر لتوفير مزيد من الضغط وتحقيق قدرة أكبر عندما يدور المحرك بسرعات عالية. يمكن أن تستخدم هذه الأنظمة مضخمين توربينيين (أو أكثر) بأحجام مختلفة. كما تُستخدم مزايا نوع آخر من الشحن الفائق، مثل الضواغط الحجمية أو الضواغط الكهربائية، التي توفر استجابة سريعة عند السرعات المنخفضة، مجتمعةً مع مضخم توربيني تقليدي.

“Bang-bang”: مانع التأخر (Anti-lag) لسيارات السباق القديمة

قبل كل هذه الأنظمة، كان على السائقين في سيارات السباق القديمة، التي كانت تستخدم مضخمات توربينية ضخمة لتحقيق قيم قدرة كبيرة، مواجهة تأخيرات هائلة في استجابة دواسة الوقود. ولذلك طوّر المهندسون نظام مانع التأخر الذي عُرف سريعاً باسم “Bang-bang”، نسبةً إلى صوته المميز.

كان يتمثل في تأخير الإشعال حتى يقفز شرارة شمعة الإشعال متأخرة قليلاً، من أجل تأخير الاحتراق قليلاً، بحيث يتولد بهذه الطريقة ضغط أكبر في غازات العادم نتيجة لهواء السحب الذي يدخل الأسطوانات. حل ذكي وسهل تقنياً في التنفيذ، لكنه غير ممكن في سيارة للطرق العامة، بسبب الاستهلاك المرتفع ومشكلات الموثوقية التي كان سيسببها للمحرك.