منذ زمن طويل وأنا أنبّه في بعض الأحاديث، سواء في هذه المدونة أو مع الأصدقاء، إلى أن قلّة قليلة فقط هي التي تعرف بوضوح، عند الحديث عن التوربو أو الضاغط، ليس فقط نوع النظام الذي يركبه مركبتها، بل أيضًا الخصائص المميزة لكل نظام، وهذا ما يساعدنا على معرفة كيفية التعامل معها والعناية بها كي لا نندم لاحقًا على أعطالها وإصلاحاتها المكلفة.

في هذا المقال الثاني المرتبط بالفئة الخاصة بـ المقالات التقنية التي افتتحها زميلي فernando الأسبوع الماضي، أريد بالتحديد أن نتناول موضوعًا أراه شيقًا للغاية، وأسعى من خلاله إلى توضيح الفرق بين التوربو والضاغط، أو الـ Supercharger (supercharged) كما يُسمى في الجانب الآخر من “المحيط“.

قبل المتابعة، أود أن نعود إلى تاريخ النظامين، لأنهما بعيدان كل البعد عن أن يكونا حديثين كما يظن البعض. فكرة تزويد المحرك بالهواء المضغوط تعود إلى عام 1896، وهو العام الذي سجّل فيه الأخوان Daimler براءة اختراع ما يبدو أنه نوع بدائي من الضواغط. ولم تظهر أول براءة اختراع لتوربو بالمعنى الصحيح إلا عام 1904، على يد Renault

كما ترى، فإن فكرة الضاغط ونظام التوربو تعود إلى زمن أبعد بكثير مما نتصور، بل إن مهندسًا يُدعى Büchi، اعتمادًا على أفكار Renault، تمكّن عام 1905 من تقديم فكرة خاصة به لما سيصبح التوربو، ووصل الأمر إلى أنه بحلول عام 1919 كانت الآلية قد تطورت كثيرًا حتى أصبحت شبيهة جدًا، بل وتكاد تكون مماثلة، للأنظمة الحالية

الضاغط وخصائصه

وبالدخول في الجانب التقني، سنبدأ بالحديث عن الضواغط، وهو نظام شبيه جدًا بالمضخات الحجمية، حيث يؤدي عنصر دوار إلى زيادة الحجم عند مدخل الضاغط، مما يُحدث ضغطًا منخفضًا يسحب الهواء من الخارج. ومع تقدم هذا الهواء المسحوب نحو مخرج الضاغط، يتناقص حجمه، فينتج عن ذلك دفع للهواء تحت ضغط.

كيف يعمل التوربو؟

من ناحية أخرى، لدينا نظام التوربو، ويعمل هذا النظام بفضل حركة ريش توربينة، وتتحقق هذه الحركة بفضل غازات العادم التي تجعلها تدور. وتنتقل هذه الحركة إلى ما يشبه الضاغط، الذي يدفع الهواء تحت ضغط إلى مدخل المحرك. ولهذا السبب لا يحافظ التوربو على ضغط ثابت كما يفعل الضاغط، بل يعتمد على الضغط الذي تحرك به غازات العادم التوربينة.

كما ترى، فإن الشرح نفسه يكشف لنا أول فرق بين التوربو والضاغط: الضاغط يوفر ضغطًا ثابتًا، بينما في التوربو يتغير الضغط “ويتطور” بحسب قوة غازات العادم. وباختصار، كلما زادت الدورات، زاد ضغط العادم، ويقدم التوربو أداءً أعلى بكثير.

ونظرًا للطابع الثابت لضغط الضاغط، توجد بعض “العيوب” في استخدامه. فعلى سبيل المثال، لو نظرنا إلى منحنى أداء محرك جوي ثم إلى منحنى آخر لمحرك زُوّد بضاغط، فسنجد الشكل نفسه، لكن المحرك المزود بالضاغط سيُظهر منحنى تكون قيمه أعلى.

ماذا يعني هذا؟ يعني ببساطة أنه إذا كان المحرك لا يعمل بشكل جيد، كأن يكون ضعيف المرونة عند الدورات المنخفضة، أو يعاني أداؤه من ضعف واضح، أو يعاني من نقص حاد في منحنى القدرة، فإن تركيب ضاغط لن يؤدي إلا إلى الإبقاء على أعطال الكتلة، أي أننا لن نتمكن إطلاقًا من إخفاء النقص، لذلك نكون أمام عطل غير مرغوب فيه، وهو تحديدًا أحد الأسباب الرئيسية لاعتماد التوربو على نطاق واسع في أوروبا.

ومن ناحية أخرى، توجد ميزة سلبية أساسية للضاغط مقارنة بنظام التوربو، ولعلها الأكثر أهمية، وهي أن الضاغط يتحرك بفضل سير مثبت مباشرة على عمود المرفق للمركبة، مما يعني عمليًا وزنًا إضافيًا يجب على المحرك تحريكه. وتجدر الإشارة إلى أن بعض الضواغط، بسبب طريقة عملها، تسخن الهواء، وهو ما يؤدي إلى تراجع الأداء.

وهذا الأمر الأخير لا يُفترض أن يكون عائقًا، لأن كلا النظامين يعانيان من هذا العيب من هذه الناحية. ولهذا السبب يُلجأ إلى استخدام المبرد الوسيط (intercooler)، الذي لا يفعل شيئًا سوى تبريد الهواء قدر الإمكان قبل دخوله إلى مدخل المحرك. وبفضل ذلك يمكن تقليل حجمه، وهذا يعني دخول مزيد من الأكسجين إلى المحرك. ومن باب المعلومة، لا يضر أن أذكر أن هناك أكسجينًا أكثر في لتر من الهواء عند 20 درجة مئوية مما في لتر من الهواء عند 60 درجة مئوية.

أما إذا انتقلنا إلى التوربو، فسنجد نظامًا، كما قلنا سابقًا، يعتمد على الضغط الذي تصل به غازات العادم، أي أنه كلما زاد الضغط تحسن الأداء. ويترجم هذا في النهاية إلى منحنى قدرة أكثر حدة، مع نطاق دورات مذهل سواء عند الدورات المتوسطة أو العالية، لذلك إذا كان المحرك يعاني من نقص في هذا النطاق، فإن القدرة الإضافية للتوربو ستقلله بشكل كبير، بل قد تجعله يختفي تمامًا.

ونظرًا لطريقة عمله، يعاني هذا النظام من أحد عيوبه المتمثل في التأخر في الاستجابة (lag). ويحدث هذا أساسًا بسبب الوقت الذي يمر من لحظة بدء غازات العادم في تحريك التوربينة حتى يصبح حركتها فعالة، وهو وقت يقدر اليوم بأجزاء من الثانية، لكنه في البدايات كان قد يصل إلى ثانية أو ثانية وأجزاء.

الـ LAG، ذلك التأخر المفهوم بشكل خاطئ

توجد اليوم عدة طرق لحل مشكلة التأخر، فمثلاً أرخص هذه الطرق هي استخدام توربينات أخف وزنًا وأصغر حجمًا، أو تركيب توربينين صغيرين بدلًا من توربينة كبيرة واحدة كما في أنظمة Twin-Turbo.

وقد سمعت عنه كثيرًا في المركبات الحديثة، والحل الذي اعتُمد اليوم هو تبني توربينات ذات هندسة متغيرة، ومعنى ذلك أنه عند الضغط المنخفض تضع التوربينة ريشها عموديًا تمامًا على تدفق الهواء، وبذلك لا تتحرك التوربينة في وقت أبكر فحسب، بل تتحرك بقوة أكبر بكثير.

وأخيرًا، تعاني أنظمة التوربو، أو التوربو المزدوج، أو التوربو ذي الهندسة المتغيرة، من مشكلة زيادة الضغط، ولهذا السبب يُركب صمام تفريغ صغير، وتشغيله بسيط جدًا، أي أنه عندما يولد التوربو ضغطًا أعلى من اللازم يفتح الصمام ويترك الضغط الزائد يخرج، وهو ضغط غير ضروري وقد يسبب مشكلات للمحرك في الحالات القصوى.

الضاغط أو التوربو، أعداء متكاملون

كما ترى، فإننا أمام نظامين مختلفين تمامًا ومتكاملين، بمعنى أنه، كما فعلت Volkswagen مع تلك المحركات التي اضطرت في النهاية إلى سحبها من السوق، فإن الضاغط يمنح محركنا قدرة عالية عند الدورات المنخفضة، بينما يقدم التوربو أداءً أكبر بكثير عند النطاق المتوسط أو المرتفع.

ولأذكر معلومة إضافية: هذه العلامة التجارية لم تكن Volkswagen الأولى على الإطلاق في تركيب نظامي الضاغط والتوربو في محركاتها، وهي كتل سحبتها لاحقًا على ما يبدو بسبب مشكلات الإصلاح، إذ كانت معقدة للغاية وتكاليف إصلاحها باهظة. بل إن أحد أوائل المركبات التي استخدمت هذين النظامين كان Lancia Delta S4 من سيارات الراليات (الموديل الظاهر في الصورة)، الذي سابق في زمنه ضمن مجموعة Grupo B الأسطورية.

وشخصيًا، أتيحت لي فرصة قيادة الكثير من المركبات المختلفة، كما أنت على الأرجح، وأفضل المحرك الجوي أو المحرك المزود بضاغط، لأن منحنى القدرة فيه أكثر خطية وانتظامًا، وليست فيه قفزات قدرة وعزم حادة كما في أنظمة التوربو. ومع ذلك، فبسبب الحِمل الناتج عن تحريك الضاغط، فإن هذا النوع من الأنظمة يكون عادةً أكثر استهلاكًا للوقود، ومن هنا ميلي إلى المحركات الجوية.