الشاحن التوربيني: نموذج تفاعلي خطوة بخطوة

ماذا يُظهر النموذج

اضغط دواسة الوقود في سيارة صغيرة ذات شاحن توربيني وهي تسير ببطء، فلن يحدث الكثير لثانية أو نحوها. ثم تندفع السيارة كأن المحرك كبر فجأة. ذلك التوقف وتلك الدفعة يأتيان كلاهما من القطعة الواقعة في وسط هذا النموذج: الشاحن التوربيني، وهو مروحة صغيرة يديرها عادم المحرك نفسه فتنفخ هواء إضافيًا في الأسطوانات.

النموذج محرك بنزين بأربع أسطوانات سعته 2.0 لتر، معه شاحن توربيني واحد ومبرّد بيني في المقدمة والأنابيب التي تصل بينهما. التوربو مقطوع على امتداد عموده، والوجوه الحمراء هي مواضع القطع. النقاط البرتقالية غازات العادم. والنقاط الزرقاء هواء نقي، تصير بنفسجية حين يسخن الهواء وتعود نحو الأزرق حين يبرد. والنقاط الصفراء زيت. تعطي القراءات سرعة عمود التوربو، وضغط الشحن، وحرارة الهواء بعد الضاغط وبعد المبرّد البيني، والهواء الذي تأخذه كل أسطوانة، والقدرة. وكل ذلك يُحسب من إعدادات لوحة التحكم بالمعادلات الواردة أسفل هذه الصفحة. ويعرض الرسم البياني تحتها آخر ثماني ثوانٍ، فترى التوربو يلحق بالخانق حين تحرّكه.

الأرقام قيم نموذجية لمحرك بنزين صغير نمطي بشاحن توربيني. لم تؤخذ من بيانات أي شركة مصنّعة، والقسم القريب من النهاية يذكر ما يتركه النموذج جانبًا.

لماذا يريد المحرك هواءً أكثف

يحرق محرك البنزين الوقود بأكسجين الهواء الذي يسحبه، والوقود الذي يستطيع حرقه محدود بذلك الهواء. في معروض المحرك رباعي الأشواط تمتلئ كل أسطوانة مرة كل دورتين لعمود المرفق. والحجم الذي تملؤه يحدده القطر والشوط، فلا سبيل لإدخال هواء أكثر إلا أن يصير الهواء أكثف قبل وصوله.

في هذا النموذج تكنس كل أسطوانة من الأربع نصف لتر وتمتلئ إلى 90 في المئة منه (وهذه كفاءتها الحجمية). كثافة الهواء الخارجي عند 25 °C وضغط مستوى سطح البحر العادي 1.184 kg/m³، فالأسطوانة التي تتنفس وحدها تأخذ

0.9 × 0.0005 m³ × 1.184 kg/m³ = 533 mg من الهواء في كل شوط سحب.

وعند 6,000 rpm يعني ذلك 107 غرامات من الهواء في الثانية للمحرك كله. وإذا احترق الوقود بنسبة هواء إلى وقود قدرها 14.7 وبكفاءة فرملية 30 في المئة، أعطى الوقود الذي يكفيه ذلك الهواء 94 kW. ومع ضبط التوربو على ضغط شحن 1 bar وتشغيل المبرّد البيني تأخذ الأسطوانة نفسها 984 mg ويعطي المحرك 173 kW. المحرك لم يكبر؛ الهواء هو الذي رُصّ أكثر.

العادم يدير التوربين، والعمود يدير الضاغط

العادم الخارج من الأسطوانات ساخن وتحت ضغط، وفي محرك بلا توربو تضيع هذه الطاقة من أنبوب العادم. أما هنا فتوصله مجاري مجمّع العادم الأربعة إلى غلاف التوربين، وهو حلزون من الحديد الزهر يلتف مرة واحدة حول عجلة التوربين ويضيق كلما تقدّم. يسرّع الضيق الغاز ويجعله يدور، فيجري إلى الداخل بين شفرات العجلة الإحدى عشرة ثم يخرج على امتداد المحور إلى أنبوب النزول. ودفع الغاز على الشفرات يدير العجلة.

وعلى الطرف الآخر من العمود الفولاذي نفسه عجلة الضاغط، فهي تدور بالسرعة ذاتها تمامًا. يدخلها الهواء القادم من المرشح على امتداد المحور، وتقذفه الشفرات المنحنية إلى الخارج عند الحافة. ويتسع حلزون الألومنيوم المحيط بالضاغط كلما تقدّم، فيُبطئ ذلك الهواء السريع ويحوّل سرعته إلى ضغط. والفكرتان نفسهما، توربين يستخرج الشغل من الغاز الساخن وضاغط يضعه في الهواء البارد، تديران المحرك النفاث، غير أنه لا حارق بينهما هنا؛ فأسطوانات المحرك هي التي تتولى الاحتراق.

ما سرعة دورانه؟ تقول Garrett، وهي من أكبر الشركات المصنّعة، إن أكبر شواحنها تدور حتى 63,000 rpm وأصغرها بأكثر من 300,000 rpm. قطر عجلة الضاغط في النموذج 50 mm، ولتعطي ضغط شحن 1 bar عليها أن تدور بنحو 142,000 rpm. عندئذ تتحرك حافتها بسرعة

2π × 0.025 m × 142,300 / 60 s = 373 m/s،

وهي أسرع من الصوت في الهواء الخارجي. وعلى الشاشة تدور العجلات أبطأ بمقدار 2,000 مرة مما تقوله القراءات.

عمود يطفو على الزيت

تحمل معظم الشواحن التوربينية العمود على جلبات بسيطة وطبقة من الزيت، وتستخدم بعض شواحن الأداء العالي بدلًا منها محامل كريات خاصة. في النموذج يجلب خط مجدول زيت المحرك من القناة الرئيسية إلى أعلى الغلاف الأوسط. يملأ الزيت الفراغ حول جلبتين من البرونز تطفوان بين العمود والغلاف، ويركب العمود تلك الطبقة دون أن يلمس معدنًا. ويتلقى محمل دفع بجانب الضاغط القوة على امتداد العمود. ثم يسقط الزيت من فتحة التصريف الكبيرة في الأسفل ويعود إلى حوض الزيت، ولهذا خرطوم التصريف عريض ويتجه إلى الأسفل مباشرة.

والزيت يحمل الحرارة أيضًا. فجانب التوربين مغمور في غازات العادم بينما يتنفس جانب الضاغط الهواء الخارجي، والغلاف الأوسط جسر بينهما. وللسبب نفسه تضيف بعض الشواحن إلى الغلاف الأوسط قميصًا لسائل التبريد، يحمي الزيت من فرط السخونة.

ضغط الهواء يسخّنه

انفخ إطار دراجة فتسخن أسطوانة المنفاخ. والضاغط يفعل الشيء نفسه بسرعة أكبر بكثير، فلا يجد الهواء وقتًا ليتخلص من الحرارة. في ضاغط مثالي بلا خسائر تكون حرارة المخرج

T₂ = T₁ × PR^((γ−1)/γ)،

حيث PR نسبة الضغط وγ تساوي 1.4 للهواء. ضغط شحن 1 bar فوق 1.013 bar في الخارج يعني نسبة ضغط 1.987. وبدءًا من 298.15 K (25 °C):

298.15 K × 1.987^0.286 = 362.8 K، أي نحو 90 °C.

الضاغط الحقيقي يهدر جزءًا من شغله حرارةً إضافية. يستخدم النموذج كفاءة 72 في المئة، يُقسم عليها ارتفاع الحرارة:

T₂ = 298.15 × (1 + (1.2168 − 1) / 0.72) = 387.9 K، أي نحو 115 °C.

هذا هو سطر «بعد الضاغط» في القراءات. ارفع حد ضغط الشحن إلى 1.5 bar فيصعد إلى 148 °C. وأداء هذا الشغل يحتاج قدرة: 90 kJ لكل كيلوغرام من الهواء، أي نحو 18 kW عند 6,000 rpm، يأخذها التوربين كلها من العادم.

تبريد الشحنة يعيد الكثافة

الهواء الساخن هواء خفيف. يربط قانون الغاز المثالي بين الثلاثة بالعلاقة ρ = p / (R T)، حيث R = 287 J/(kg·K) للهواء. عند ضغط شحن 1 bar يغادر الهواء الضاغط عند 201,325 Pa و387.9 K:

ρ = 201,325 / (287.05 × 387.9) = 1.808 kg/m³.

تضاعف الضغط تقريبًا، لكن الكثافة لم ترتفع إلا 1.53 مرة، لأن جزءًا كبيرًا من المكسب ذهب حرارة. والهواء الساخن الداخل إلى الأسطوانات يقرّب الخليط أيضًا من الطَّرق، حين يشتعل الوقود من تلقاء نفسه قبل الشرارة.

المبرّد البيني مشعّ حراري لهواء السحب. تمر الشحنة في أنابيب مسطحة بينما يهب تيار الهواء في مقدمة السيارة عبر الزعانف بينها. ويزيل المبرّد البيني في النموذج 75 في المئة من ارتفاع الحرارة:

T₃ = 387.9 − 0.75 × (387.9 − 298.15) = 320.6 K، أي نحو 47 °C.

وبالضغط نفسه تصير الكثافة الآن 201,325 / (287.05 × 320.6) = 2.188 kg/m³، أي 1.85 مرة كثافة الهواء الخارجي. أطفئ المبرّد البيني في لوحة التحكم فتنخفض القدرة عند 4,000 rpm من 115 kW إلى 95 kW دون أي تغيّر في ضغط الشحن.

إبقاء ضغط الشحن عند حد

عند سرعات المحرك العالية يكون العادم أكثر بكثير مما يحتاجه التوربو. في النموذج، عند 6,000 rpm والخانق مفتوح كليًا، يستطيع العادم أن يدفع الضاغط إلى نسبة ضغط تقارب 3، وهذا أبعد كثيرًا مما صُمم المحرك لتحمّله. صمام تصريف العادم يمنع ذلك. إنه بوابة داخل غلاف التوربين تفتح ممرًا مباشرًا إلى المخرج، فيتجاوز جزء من الغاز عجلة التوربين. ويدفع مشغّلٌ، وهو علبة محكمة فيها نابض وغشاء، البوابة لتنفتح حين يبلغ ضغط الشحن الحد. وتصفه Garrett هكذا: عند مستوى محدد مسبقًا ينفتح صمام التصريف ويدع غاز العادم يتجاوز التوربين.

منزلق «حد ضغط الشحن» يحرّك هذا المستوى المحدد. عند 4,000 rpm تنفتح البوابة نحو 16 في المئة، وعند 6,000 rpm تنفتح إلى النصف تقريبًا، وتُظهر القراءات ضغط الشحن ثابتًا عند 1 bar بينما ترتفع سرعة المحرك. اجعل الحد صفرًا فتبقى البوابة مفتوحة على اتساعها؛ عندئذ يتنفس المحرك كمحرك بلا توربو ويعطي نحو 94 kW عند 6,000 rpm.

لماذا تتأخر القدرة

لا يتسارع التوربو إلا بقدر ما يستطيع العادم دفعه، وحين تسير بخانق مفتوح قليلًا لا يكون العادم كثيرًا. افتح الخانق كليًا فلا ينال المحرك أولًا إلا الهواء الذي يستطيع سحبه بنفسه. يعطي ذلك عادمًا أكثر قليلًا، فيدير التوربو أسرع قليلًا، فيعطي ضغط شحن أكثر قليلًا، وهكذا حتى يبلغ الحد. هذا الانتظار يسمى تأخّر التوربو.

يعامل النموذج سرعة العمود كأنها ترتفع نحو هدفها بتأخّر يطول كلما قلّ العادم. عند 2,000 rpm، ومن خانق مفتوح 15 في المئة إلى الفتح الكامل، يصعد العمود من نحو 19,800 إلى 101,600 rpm؛ فيقطع نصف الطريق بعد 0.7 ثانية ويبلغ 90 في المئة بعد 2.4 ثانية. وعند 3,500 rpm تستغرق الخطوة نفسها 1.7 ثانية لتبلغ 90 في المئة. تُجري آخر خطوة في الجولة هذا الاختبار، ويُظهر الرسم الخط الأحمر لسرعة العمود والخط الأزرق لضغط الشحن متأخرين عن الخط الرمادي للخانق.

وثمة أثر ثانٍ منفصل. عند سرعة محرك منخفضة لا يستطيع العادم أن يدير التوربو بسرعة تكفي لضغط الشحن الكامل مهما انتظرت. في النموذج يعطي الخانق المفتوح كليًا عند 2,000 rpm ضغطًا قدره 0.45 bar فقط، ولا يصل ضغط الشحن الكامل إلا فوق نحو 3,500 rpm. هذه هي عتبة الشحن. ويواجه المصنّعون الأثرين بعجلات أصغر وأخف، وأغلفة ثنائية الحلزون، وريش متغيرة في التوربين، ومؤخرًا بمحركات كهربائية على العمود.

كيف يختلف هذا النموذج عن توربو حقيقي

• رُسم التوربو بمقياس قريب من الحقيقة، لكن جدران الأغلفة وأشكال الشفرات ومسارات الأنابيب مبسطة.
• كفاءة الضاغط وفعالية المبرّد البيني والكفاءة الحجمية للمحرك أرقام ثابتة. وفي المحرك الحقيقي تتغير مع التدفق والسرعة، ويصف المصنّعون الضواغط بخريطة لا بقيمة واحدة.
• جانب العادم معادلة واحدة لمقدار الضغط الذي يستطيع التوربين أن يعطيه، ويأخذ صمام التصريف الباقي. لم تُنمذج نبضات كل أسطوانة ولا الضغط الخلفي ولا حرارة العادم.
• يحرق المحرك وقوده بنسبة هواء إلى وقود ثابتة قدرها 14.7 وبكفاءة ثابتة قدرها 30 في المئة. أما محركات التوربو الحقيقية فتعمل بخليط أغنى عند ضغط الشحن الكامل وتؤخر الشرارة تجنبًا للطَّرق.
• أُهملت خسائر الضغط في المرشح والأنابيب والمبرّد البيني، وكذلك صمام التنفيس الذي يُطلق الضغط حين يُغلق الخانق.

من محركات السفن إلى سيارات البنزين الصغيرة

تُعدّ براءة اختراع المهندس السويسري ألفريد بوخي (Alfred Büchi) عام 1905 عادةً بداية الشحن التوربيني. وأتمّت شركة براون بوفيري (Brown Boveri) أول شاحن توربيني لها للمحركات الكبيرة، VT402، في يونيو 1924، وكانت السفينتان الألمانيتان بروسن (Preussen) وهانزه شتات دانتسيغ (Hansestadt Danzig)، اللتان أُنزلتا إلى الماء عام 1926، أول سفن بمحركات مشحونة توربينيًا، وقد بُنيتا تحت إشراف بوخي. ثم جاءت الطائرات: فمنذ أواخر عقد 1930 طارت بوينغ B-17 بشواحن توربينية من جنرال إلكتريك (General Electric)، حفظت قدرة محركاتها في الهواء الخفيف على الارتفاعات العالية. وفي السيارات أعاقها تأخّر التوربو وحجمها زمنًا طويلًا. واليوم صار التوربو طريقة شائعة لاستخراج قدرة أكبر من محرك أصغر، وهو ما يسميه المهندسون تصغير المحرك.

لماذا لا يضاعف بار واحد كمية الهواء بالضبط؟

يقيس عداد ضغط الشحن عادة الزيادة فوق ضغط الجو، بينما يستخدم قانون الغاز الضغط المطلق المحسوب ابتداء من الفراغ. لنفترض، لتبسيط المثال، أن ضغط الجو المطلق 1 bar وأن حرارة هواء السحب ثابتة. عندئذ تعني زيادة ضغط الشحن بمقدار 1 bar ضغطا مطلقا قدره 2 bar. وفقا للعلاقة ρ = p / (R T)، تؤدي مضاعفة الضغط المطلق إلى مضاعفة الكثافة، فيحتوي الحجم نفسه من الأسطوانة على ضعف كتلة الهواء. لكن إضافة بار لا تضاعف الهواء دائما؛ فإذا بدأنا من ضغط مطلق 2 bar وأضفنا بارا آخر تصبح النسبة 3 / 2.

تغير الحرارة النتيجة. تخيل أن الانضغاط يرفع حرارة الهواء من 300 K إلى 400 K مع مضاعفة ضغطه المطلق. هذه افتراضات توضيحية وليست مجموعة أخرى من إعدادات النموذج. تصبح نسبة الكثافة 2 × 300 / 400 = 1.50. وإذا بردنا الشحنة إلى 330 K عند الضغط نفسه تصبح النسبة 2 × 300 / 330 = 1.82. لم يضف المبرّد ضغطا في هذا الحساب، بل سمح بوضع كتلة أكبر في الحجم المتاح. يجب استخدام كلفن؛ قسمة درجات الحرارة المئوية تعطي نتيجة خاطئة لأن ذلك المقياس لا يبدأ من الصفر المطلق.

يستخدم المعروض ضغطا جويا 1.013 bar بدلا من القيمة المقربة 1 bar. لذلك يقابل ضغط شحن 1 bar نسبة ضغوط أقل قليلا من 2، وتختلف قراءات الحرارة والكثافة بعض الشيء عن هذا المثال. يسبب المبرّد البيني الحقيقي أيضا فقدا في الضغط، ويخفض المرشح المسدود ضغط مدخل الضاغط. يتضمن دليل Garrett لخرائط الضاغط خسائر المدخل والمخرج عند حساب نسبة الضغط الفعلية. لا يكفي رقم لوحة العدادات وحده لمعرفة مقدار الجهد الذي يبذله الضاغط.

هناك سوء فهم مشابه بشأن القدرة. يسمح الأكسجين الإضافي بحرق وقود أكثر، لكنه لا يحل محل الوقود. مع ثبات الخليط والكفاءة في المعروض، تنتج الزيادة النسبية في كتلة الهواء زيادة نسبية في القدرة المحسوبة. وقد يحد المتحكم الحقيقي من العزم أو يؤخر الإشعال أو يغير الخليط. يمكن لمحركين يعرضان ضغط الشحن نفسه أن يختلفا في حرارة السحب والسعة والقدرة. ضغط الشحن معلومة مفيدة، لكنه ليس قياسا مباشرا للقدرة الحصانية أو السلامة الميكانيكية.

لماذا لا يمكن زيادة سرعة العجلة الكبيرة بلا حدود؟

يربط حساب سرعة المحيط السابق بين قراءة سرعة العمود والسرعة الفعلية عند طرف الريشة. لعجلة النموذج التي يبلغ قطرها 50 mm، تعطي سرعة 100,000 rpm نحو 262 m/s. وعند 250,000 rpm يعطي الحساب نفسه نحو 654 m/s. هذه أمثلة هندسية ضمن مجال محتمل لتوربو صغير، وليست نقاط تشغيل معتمدة لهذه العجلة. تعتمد قدرة العجلة الحقيقية على الصمود على المادة وشكل الريش وحد السرعة الذي يضعه الصانع. لا تظهر الجسيمات الملونة والدوران المبطأ عمدا تلك الإجهادات.

عند ثبات نصف القطر، يزداد التسارع اللازم لإبقاء جزء من الريشة في حركة دائرية مع مربع السرعة الزاوية. لذلك تتطلب مضاعفة السرعة أربعة أمثال التسارع المركزي. كما يزيد نصف القطر الأكبر سرعة الطرف عند عدد الدورات نفسه. لهذا قد يدور التوربو الصناعي الكبير أبطأ كثيرا من توربو سيارة صغير دون أن يؤدي عملا مفيدا أقل. تتناول محاضرة MIT إجهادات الطرد المركزي بوصفها قيدا لسرعة الضاغط؛ وذكر سرعة عالية دون حجم العجلة يغفل جزءا كبيرا من المسألة الهندسية.

تضيف خريطة الضاغط قيدا آخر. تضع Garrett التدفق الكتلي على المحور الأفقي ونسبة الضغط المطلق على الرأسي. تمثل المنحنيات سرعة العمود، وتشير جزر الكفاءة إلى مناطق يضيع فيها قدر أقل من شغل العمود كحرارة. عند جانب التدفق المنخفض، يعني الاندفاع غير المستقر أو surge حالة عدم استقرار في الجريان، لا مجرد قدرة منخفضة. وعند حد التدفق المرتفع، يحد اختناق الجريان وانخفاض الكفاءة من التشغيل المفيد، وقد يؤدي طلب ضغط أكبر إلى تجاوز السرعة. الضاغط الأكبر ليس أفضل تلقائيا؛ يجب أن تلائم نقاط تشغيل المحرك خريطته عبر مجال السرعة المطلوب كله.

يمكن أن يحرك إغلاق الخانق فجأة نقطة التشغيل نحو عدم الاستقرار، لأن المحرك يتوقف عن استقبال كمية كبيرة من الهواء بينما لا تزال العجلة تدور. تستخدم الأنظمة الحقيقية صمام تجاوز أو تنفيس للضاغط لتخفيف ذلك. وهو مختلف عن صمام تجاوز غازات العادم. يحذف المعروض هذا الصمام ولا يضم خريطة ضاغط، فلا يستطيع توقع أصوات عدم الاستقرار أو إثبات ملاءمة توربو بديل. يوضح اختبار الخانق تأخر ضغط الشحن، وليس كل حالات عدم الاستقرار في نظام سحب حقيقي.

فصل نبضات العادم أو تغيير مدخل التوربين

يظل للتوربين ثنائي المجرى عجلة توربين واحدة. يحتوي غلافه على مسارات عادم منفصلة، ويحافظ مشعب مقسم على فصل مجموعات مختارة من الأسطوانات حتى تصل الغازات إلى العجلة. يحفظ الفصل نبضات العادم المفيدة ويقلل تداخل الأسطوانات. يشرح وصف BorgWarner التقني لتطبيق إنتاجي ذي ست أسطوانات سبب تحسن الاستجابة عند السرعات المنخفضة. ثنائي المجرى لا يعني وجود شاحنين توربينيين. وإضافة حاجز داخل الغلاف دون إبقاء مسارات المشعب المقابلة منفصلة لا تعيد تكوين المنظومة كاملة.

تعالج الهندسة المتغيرة جزءا آخر من المشكلة. تغير ريش توجيه متحركة حول التوربين مساحة ممر الدخول الفعالة. تصف Garrett ريش VGT الديزل بأنها تغلق عند سرعة المحرك المنخفضة لزيادة قدرة التوربين وضغط الشحن، ثم تفتح عند السرعات العالية لتمرير عادم أكثر وتجنب تجاوز السرعة. لا تكبر العجلة نفسها ولا تصغر. يستطيع المتحكم مواءمة التوربين مع مجال تدفق أوسع من الغلاف الثابت، لكن تعقيد المشغل وبيئة العادم الساخن يظلان بحاجة إلى معالجة.

لا يلغي أي التصميمين الحاجة إلى طاقة لتسريع الدوار. يمكن للاستفادة الأفضل من النبضات أو المدخل الأنسب تقصير الاستجابة، لكن العادم الضعيف يظل يحد الطاقة المتاحة. قد يساعد التوربين الأصغر في الاستجابة المنخفضة ويصبح عائقا عند التدفق العالي. وقد يقلل الأكبر هذا العائق مع صعوبة أكبر في تسريعه. يعتمد الاختيار على المحرك ومهمته، لا على ترتيب مطلق للتصميمات. لا يمكن اختيار هذه الأغلفة البديلة في المعروض؛ التوربين المرئي هو المثال ذو الهندسة الثابتة وصمام تجاوز العادم الموضح سابقا.

متى يوفر تصغير المحرك الوقود؟

يعني تصغير المحرك استبدال محرك كبير بآخر أصغر يستخدم الشحن عند طلب قدرة عالية. تأتي الفكرة من أن كثيرا من القيادة العادية يحتاج إلى جزء فقط من القدرة القصوى. قد تكون خسائر احتكاك المحرك الأصغر أقل، وقد يعمل بخنق أقل عند الطلب نفسه على الطريق. يعوض التوربو الأداء الذي كان سيضيع مع تقليل السعة. إنها مقارنة بين منظومات محركات كاملة تؤدي العمل نفسه، وليست ادعاء بأن تركيب توربو لأي محرك يوفر الوقود تلقائيا.

يصنف تقرير Automotive Trends الصادر عن EPA الشحن مع تقنيات المحركات الأخرى ويناقش تأثيراتها المشتركة في الأداء والكفاءة. تصف بيانات الأسطول هذه انتشار التقنية والمركبات الكاملة؛ ولا تعزل وفرا مضمونا سببه التوربو وحده. تؤثر كتلة المركبة ونسب النقل ومقاومة الطريق والمعايرة جميعا في النتيجة. لذلك تتطلب المقارنة العادلة مركبات متكافئة على دورة قيادة واحدة. لا يمكن استنتاج نسبة واحدة لوفر الوقود من قراءة القدرة هنا، إذ لا يحسب المعروض مركبة أو دورة قيادة.

للشحن المرتفع حدود أيضا. قد يجعل ارتفاع ضغط السحب وحرارته الخليط غير المحترق في محرك البنزين يشتعل ذاتيا قبل أن تستهلكه جبهة اللهب الطبيعية. تسمى تذبذبات الضغط السريعة الناتجة طرقا، وليست الإشعال المقصود بالشرارة. يساعد تبريد الشحنة، كما يساعد وقود ذو مقاومة كافية للطرق وتوقيت إشعال مناسب. تهم نسبة الانضغاط أيضا، لكنها نسبة هندسية لأحجام الأسطوانة وليست نسبة ضغط الضاغط. تصف النسبتان عمليتين مختلفتين ولا ينبغي جمعهما. يثبت النموذج الكفاءة والخليط ولا يحسب الطرق؛ فارتفاع رقم القدرة ليس إذنا لرفع حد ضغط شحن سيارة حقيقية.

يستمد الشاحن الميكانيكي المدفوع بسير شغل الضاغط من عمود المرفق، فيستطيع الاستجابة دون انتظار تسارع توربين العادم. لكن هذا الطلب على العمود يستهلك قدرة المحرك. يضيف التوربو المدعوم كهربائيا عزم محرك كهربائي إلى العمود المشترك للتوربين والضاغط. وتصف وثائق BorgWarner eTurbo أيضا عمله كمولد باستخدام طاقة التوربين الفائضة. أما منتجها المنفصل eBooster فهو ضاغط كهربائي يكمل التوربو التقليدي، وليس الجهاز نفسه الذي يضع محركا على عمود التوربو. تظل طاقة البطارية والخسائر الكهربائية والتخلص من الحرارة جزءا من الميزانية. لا ينتج أي منها هواء مضغوطا مجانا.

ثلاث مقارنات على الشاشة

لمقارنة التبريد، ثبت سرعة المحرك عند 4,000 rpm وافتح الخانق بالكامل واضبط «حد ضغط الشحن» على 1 bar. انتظر استقرار منحنيي سرعة العمود والضغط قبل تسجيل القدرة. غير إعداد المبرّد البيني فقط. يعطي النموذج نحو 115 kW مع التبريد و95 kW بدونه. قارن أيضا حرارة الهواء الداخل إلى المحرك والهواء لكل أسطوانة. هذا اختبار للكثافة عند ضغط يكاد لا يتغير، وليس تغييرا في حجم المحرك.

لمقارنة الاستجابة، اضبط 2,000 rpm ودع النظام يستقر عند خانق 15%. افتحه بالكامل وراقب مخطط آخر 8 s. يتحرك منحنى الخانق أولا، ثم يتبع ضغط الشحن استجابة الدوار. كرر عند 3,500 rpm وبفتحة البداية نفسها. لا تقارن المنحنيات بعد تغيير عدة إعدادات مباشرة، لأن سرعات العمود الابتدائية ستختلف. يجعل قانون التأخر البسيط الاختبار قابلا للتكرار، لكنه ليس قياس تسارع لمحرك إنتاجي.

لمقارنة صمام تجاوز العادم، حافظ على الخانق الكامل وحد الضغط نفسه وارفع المحرك من 4,000 rpm إلى 6,000 rpm. تزداد فتحة الصمام بينما يظل الضغط المستقر محدودا. لا يعني الفتح الأكبر أن التوربو توقف عن العمل؛ يظل العادم يدير العجلة لكن نسبة أكبر تتجاوزها. أخيرا اضبط حد الضغط على الصفر وقارن القدرة بعد الاستقرار. تميز هذه التجارب التبريد والاستجابة العابرة والتحكم في الضغط دون الادعاء بمحاكاة استهلاك الوقود أو الطرق أو تصميمات توربين بديلة.