टर्बोचार्जर: इंटरैक्टिव सिमुलेटर, क़दम-दर-क़दम

मॉडल क्या दिखाता है

किसी छोटी टर्बो कार में कम रफ़्तार पर एक्सेलरेटर दबाइए, तो लगभग एक सेकंड तक ख़ास कुछ नहीं होता। फिर कार ऐसे खिंचती है मानो इंजन बड़ा हो गया हो। वह ठहराव और वह धक्का, दोनों इस मॉडल के बीच वाले पुर्ज़े से आते हैं: टर्बोचार्जर, यानी एक छोटा पंखा जो इंजन के अपने धुएँ से चलता है और सिलिंडरों में अतिरिक्त हवा फूँकता है।

मॉडल 2.0 लीटर का चार-सिलिंडर पेट्रोल इंजन है, जिसमें एक टर्बो, आगे लगा एक इंटरकूलर और उन्हें जोड़ने वाली पाइपें हैं। टर्बो उसके शाफ़्ट के साथ काटा गया है, और लाल सतहें कटी हुई जगहें हैं। नारंगी बिंदु एग्ज़ॉस्ट गैस हैं। नीले बिंदु ताज़ा हवा हैं; हवा गर्म होने पर वे बैंगनी होते हैं और ठंडी होने पर फिर नीले की ओर लौटते हैं। पीले बिंदु तेल हैं। रीडआउट टर्बो शाफ़्ट की गति, बूस्ट दबाव, कंप्रेसर और इंटरकूलर के बाद हवा का तापमान, हर सिलिंडर में जाने वाली हवा और पावर बताता है। यह सब नियंत्रण की सेटिंग से, इस पेज पर आगे दिए सूत्रों से निकाला जाता है। नीचे का चार्ट पिछले आठ सेकंड दिखाता है, ताकि थ्रॉटल हिलाने पर आप टर्बो को पीछे से पकड़ते हुए देख सकें।

ये संख्याएँ एक आम छोटे टर्बो पेट्रोल इंजन के मॉडल मान हैं। ये किसी निर्माता के आँकड़ों से नहीं ली गई हैं, और अंत के पास वाला खंड बताता है कि मॉडल क्या छोड़ देता है।

इंजन को घनी हवा क्यों चाहिए

पेट्रोल इंजन खींची गई हवा की ऑक्सीजन से ईंधन जलाता है, और वह कितना ईंधन जला सकता है, यह उसी हवा से तय होता है। चार-स्ट्रोक इंजन प्रदर्शनी में हर सिलिंडर क्रैंकशाफ़्ट के हर दो चक्कर में एक बार भरता है। वह जितना आयतन भरता है, वह बोर और स्ट्रोक से तय है, इसलिए ज़्यादा हवा अंदर लाने का एक ही तरीक़ा है: हवा को पहुँचने से पहले घना कर देना।

इस मॉडल में चारों सिलिंडरों में से हर एक आधा लीटर का है और उसका 90 प्रतिशत भरता है (यही उसकी वॉल्यूमेट्रिक दक्षता है)। 25 °C और समुद्र तल के सामान्य दबाव पर बाहर की हवा का घनत्व 1.184 kg/m³ है, इसलिए अपने बल पर साँस लेने वाला सिलिंडर हर इनटेक स्ट्रोक में लेता है

0.9 × 0.0005 m³ × 1.184 kg/m³ = 533 mg हवा।

6,000 rpm पर पूरा इंजन हर सेकंड 107 ग्राम हवा लेता है। 14.7 के वायु-ईंधन अनुपात और 30 प्रतिशत ब्रेक दक्षता पर, वह हवा जितना ईंधन जला सकती है, उससे 94 kW मिलते हैं। टर्बो को 1 bar बूस्ट पर रखकर और इंटरकूलर चालू रखकर वही सिलिंडर 984 mg लेता है और इंजन 173 kW देता है। इंजन बड़ा नहीं हुआ; हवा कसकर भरी गई है।

धुआँ टर्बाइन घुमाता है, शाफ़्ट कंप्रेसर घुमाता है

सिलिंडरों से निकलता धुआँ गर्म और दबाव में होता है, और बिना टर्बो वाले इंजन में यह ऊर्जा टेलपाइप से बाहर चली जाती है। यहाँ एग्ज़ॉस्ट मैनिफ़ोल्ड की चार नलियाँ उसे टर्बाइन हाउसिंग में भेजती हैं। यह ढलवाँ लोहे का घुमावदार खोल टर्बाइन व्हील के चारों ओर एक बार लिपटता है और आगे बढ़ते हुए पतला होता जाता है। पतलापन गैस को तेज़ करता है और घुमाने लगता है, और वह पहिये के 11 ब्लेडों से होकर भीतर की ओर दौड़ती है, फिर धुरी के साथ डाउनपाइप में निकल जाती है। ब्लेडों पर गैस का धक्का पहिये को घुमाता है।

उसी स्टील शाफ़्ट के दूसरे सिरे पर कंप्रेसर व्हील है, इसलिए वह ठीक उसी गति से घूमता है। फ़िल्टर से आई हवा धुरी के साथ उसमें घुसती है, और मुड़े हुए ब्लेड उसे किनारे पर बाहर फेंकते हैं। कंप्रेसर के चारों ओर का एल्यूमिनियम खोल आगे चौड़ा होता जाता है, जो उस तेज़ हवा को धीमा करके उसकी रफ़्तार को दबाव में बदल देता है। यही जोड़ी, गर्म गैस से काम निकालने वाली टर्बाइन और ठंडी हवा में काम डालने वाला कंप्रेसर, जेट इंजन भी चलाती है, बस यहाँ दोनों के बीच कोई बर्नर नहीं है; जलाने का काम इंजन के सिलिंडर करते हैं।

यह कितनी तेज़ घूमता है? सबसे बड़े निर्माताओं में से एक, Garrett, कहता है कि उसके सबसे बड़े टर्बो 63,000 rpm तक और सबसे छोटे 3,00,000 rpm से भी ज़्यादा पर घूमते हैं। मॉडल का कंप्रेसर व्हील 50 mm चौड़ा है, और 1 bar बूस्ट देने के लिए उसे लगभग 1,42,000 rpm पर घूमना पड़ता है। तब उसका किनारा चलता है

2π × 0.025 m × 1,42,300 / 60 s = 373 m/s,

जो बाहर की हवा में ध्वनि की गति से तेज़ है। स्क्रीन पर पहिये रीडआउट में दिखी गति से 2,000 गुना धीमे घूमते हैं।

तेल पर तैरता शाफ़्ट

ज़्यादातर टर्बो शाफ़्ट को सादी बुशों और तेल की परत पर टिकाते हैं, और कुछ परफ़ॉर्मेंस टर्बो इसकी जगह ख़ास बॉल बेयरिंग लगाते हैं। मॉडल में एक गुँथी हुई पाइप इंजन का तेल मुख्य गैलरी से सेंटर हाउसिंग के ऊपर तक लाती है। तेल काँसे की दो बुशों के आसपास की जगह भर देता है, जो शाफ़्ट और हाउसिंग के बीच तैरती हैं, और शाफ़्ट धातु को छुए बिना उस परत पर चलता है। कंप्रेसर के पास एक थ्रस्ट बेयरिंग शाफ़्ट की लंबाई की दिशा का धक्का सँभालता है। फिर तेल नीचे के बड़े ड्रेन से गिरकर संप में लौट जाता है, इसलिए ड्रेन होज़ मोटा है और सीधा नीचे की ओर है।

तेल गर्मी भी ढोता है। टर्बाइन वाली तरफ़ धुएँ में डूबी है जबकि कंप्रेसर वाली तरफ़ बाहर की हवा लेती है, और सेंटर हाउसिंग इन दोनों के बीच का पुल है। इसी वजह से कुछ टर्बो सेंटर हाउसिंग में कूलेंट जैकेट भी जोड़ते हैं, ताकि तेल ज़्यादा गर्म न हो।

दबाने से हवा गर्म होती है

साइकिल के टायर में हवा भरिए, तो पंप की नली गर्म हो जाती है। कंप्रेसर यही काम कहीं तेज़ी से करता है, और हवा को गर्मी बाहर देने का समय नहीं मिलता। आदर्श, बिना नुक़सान वाले कंप्रेसर के लिए निकास तापमान है

T₂ = T₁ × PR^((γ−1)/γ),

जहाँ PR दबाव अनुपात है और हवा के लिए γ = 1.4 है। बाहर के 1.013 bar के ऊपर 1 bar बूस्ट का मतलब 1.987 का दबाव अनुपात है। 298.15 K (25 °C) से शुरू करें:

298.15 K × 1.987^0.286 = 362.8 K, यानी लगभग 90 °C।

असली कंप्रेसर अपने काम का कुछ हिस्सा अतिरिक्त गर्मी के रूप में गँवा देता है। मॉडल 72 प्रतिशत दक्षता मानता है, जिससे तापमान की बढ़त को भाग दिया जाता है:

T₂ = 298.15 × (1 + (1.2168 − 1) / 0.72) = 387.9 K, यानी लगभग 115 °C।

यही रीडआउट की "कंप्रेसर के बाद" वाली पंक्ति है। बूस्ट की सीमा 1.5 bar तक बढ़ाइए, तो यह 148 °C पर पहुँच जाती है। यह काम करने में पावर लगती है: हर किलोग्राम हवा पर 90 kJ, यानी 6,000 rpm पर लगभग 18 kW, और यह सब टर्बाइन धुएँ से लेती है।

चार्ज को ठंडा करने से घनत्व लौटता है

गर्म हवा विरल हवा है। आदर्श गैस नियम तीनों को ρ = p / (R T) से जोड़ता है, जहाँ हवा के लिए R = 287 J/(kg·K) है। 1 bar बूस्ट पर कंप्रेसर से निकलती हवा 2,01,325 Pa और 387.9 K पर है:

ρ = 2,01,325 / (287.05 × 387.9) = 1.808 kg/m³।

दबाव लगभग दोगुना हो गया है, पर घनत्व सिर्फ़ 1.53 गुना बढ़ा है, क्योंकि फ़ायदे का बड़ा हिस्सा गर्मी में चला गया। सिलिंडरों में जाती गर्म हवा मिश्रण को नॉक के भी क़रीब ले आती है, जब ईंधन स्पार्क से पहले अपने-आप जल उठता है।

इंटरकूलर इनटेक हवा का रेडिएटर है। चार्ज चपटी ट्यूबों से गुज़रता है, जबकि कार के आगे का हवा का बहाव उनके बीच के फ़िनों पर से निकलता है। मॉडल का इंटरकूलर तापमान की बढ़त का 75 प्रतिशत हटा देता है:

T₃ = 387.9 − 0.75 × (387.9 − 298.15) = 320.6 K, यानी लगभग 47 °C।

उसी दबाव पर घनत्व अब 2,01,325 / (287.05 × 320.6) = 2.188 kg/m³ है, जो बाहर की हवा का 1.85 गुना है। नियंत्रण में इंटरकूलर बंद कीजिए, तो 4,000 rpm पर पावर बूस्ट में कोई बदलाव हुए बिना 115 kW से गिरकर 95 kW रह जाती है।

बूस्ट को एक सीमा पर रोकना

इंजन की ऊँची गति पर टर्बो की ज़रूरत से कहीं ज़्यादा धुआँ बनता है। मॉडल में 6,000 rpm और पूरे थ्रॉटल पर धुआँ कंप्रेसर को लगभग 3 के दबाव अनुपात तक चला सकता है, जो इंजन की सहन-क्षमता से बहुत आगे है। वेस्टगेट इसे रोकता है। यह टर्बाइन हाउसिंग के भीतर एक फ़्लैप है, जो सीधे निकास तक एक रास्ता खोलता है, ताकि गैस का कुछ हिस्सा टर्बाइन व्हील को छोड़कर निकल जाए। एक्चुएटर, यानी स्प्रिंग और डायफ़्राम वाला एक बंद डिब्बा, बूस्ट दबाव सीमा तक पहुँचने पर फ़्लैप को धकेलकर खोलता है। Garrett इसे ऐसे बताता है: पहले से तय स्तर पर वेस्टगेट खुलता है और एग्ज़ॉस्ट गैस को टर्बाइन के बगल से निकलने देता है।

"बूस्ट की सीमा" स्लाइडर यही तय स्तर बदलता है। 4,000 rpm पर फ़्लैप लगभग 16 प्रतिशत खुला है; 6,000 rpm पर लगभग आधा खुला है, और रीडआउट दिखाता है कि इंजन की गति बढ़ने पर भी बूस्ट 1 bar पर टिका है। सीमा शून्य कर दीजिए, तो फ़्लैप पूरा खुला रहता है; तब इंजन बिना टर्बो वाले इंजन की तरह साँस लेता है और 6,000 rpm पर लगभग 94 kW देता है।

पावर देर से क्यों आती है

टर्बो उतनी ही तेज़ी से रफ़्तार पकड़ सकता है जितना धुआँ उसे धकेल सके, और हल्के थ्रॉटल पर चलते समय धुआँ ज़्यादा नहीं होता। थ्रॉटल पूरा दबाइए, तो इंजन को पहले सिर्फ़ उतनी हवा मिलती है जितनी वह ख़ुद खींच सकता है। इससे थोड़ा ज़्यादा धुआँ बनता है, जो टर्बो को थोड़ा तेज़ घुमाता है, जिससे थोड़ा ज़्यादा बूस्ट मिलता है, और यह सिलसिला सीमा तक पहुँचने तक चलता है। इस इंतज़ार को टर्बो लैग कहते हैं।

मॉडल शाफ़्ट की गति को अपने लक्ष्य की ओर एक देरी के साथ बढ़ता मानता है, और धुआँ कम हो तो देरी लंबी होती है। 2,000 rpm पर 15 प्रतिशत से पूरे थ्रॉटल पर जाने पर शाफ़्ट लगभग 19,800 से 1,01,600 rpm तक चढ़ता है; 0.7 सेकंड में आधा रास्ता और 2.4 सेकंड में 90 प्रतिशत तय करता है। 3,500 rpm पर यही क़दम 90 प्रतिशत तक पहुँचने में 1.7 सेकंड लेता है। टूर का आख़िरी चरण यही परीक्षण चलाता है, और चार्ट में लाल शाफ़्ट-गति रेखा और नीली बूस्ट रेखा स्लेटी थ्रॉटल रेखा से पीछे चलती दिखती हैं।

एक दूसरा, अलग असर भी है। इंजन की कम गति पर धुआँ टर्बो को पूरे बूस्ट लायक़ तेज़ नहीं घुमा पाता, चाहे आप कितना भी इंतज़ार करें। मॉडल में 2,000 rpm पर पूरा थ्रॉटल सिर्फ़ 0.45 bar देता है, और पूरा बूस्ट लगभग 3,500 rpm के ऊपर ही आता है। इसे बूस्ट थ्रेशोल्ड कहते हैं। निर्माता दोनों से छोटे और हल्के पहियों, ट्विन-स्क्रॉल हाउसिंग, टर्बाइन में बदलने वाली वेन और हाल के वर्षों में शाफ़्ट पर लगी इलेक्ट्रिक मोटरों से निपटते हैं।

यह मॉडल असली टर्बो से कैसे अलग है

• टर्बो मोटे तौर पर पैमाने पर बना है, पर हाउसिंग की दीवारें, ब्लेडों के आकार और पाइपों के रास्ते सरल किए गए हैं।
• कंप्रेसर की दक्षता, इंटरकूलर की प्रभावशीलता और इंजन की वॉल्यूमेट्रिक दक्षता निश्चित संख्याएँ हैं। असली इंजन में ये बहाव और गति के साथ बदलती हैं, और निर्माता कंप्रेसर को एक अकेली संख्या के बजाय एक मैप से बताते हैं।
• एग्ज़ॉस्ट वाली तरफ़ एक ही सूत्र है कि टर्बाइन कितना दबाव दे सकती है, और बाक़ी वेस्टगेट ले लेता है। हर सिलिंडर के धड़कते झोंके, बैक प्रेशर और धुएँ का तापमान मॉडल में नहीं हैं।
• इंजन ईंधन को 14.7 के निश्चित वायु-ईंधन अनुपात और 30 प्रतिशत की निश्चित दक्षता पर जलाता है। असली टर्बो इंजन पूरे बूस्ट पर ज़्यादा ईंधन वाला मिश्रण चलाते हैं और नॉक से बचने के लिए स्पार्क पीछे कर देते हैं।
• फ़िल्टर, पाइपों और इंटरकूलर में दबाव का नुक़सान छोड़ दिया गया है, और वह ब्लो-ऑफ़ वाल्व भी, जो थ्रॉटल बंद होने पर दबाव बाहर निकलने देता है।

जहाज़ के इंजनों से छोटी पेट्रोल कारों तक

स्विस इंजीनियर आल्फ़्रेड ब्यूकी (Alfred Büchi) के 1905 के पेटेंट को आम तौर पर टर्बोचार्जिंग की शुरुआत माना जाता है। ब्राउन बोवेरी (Brown Boveri) ने बड़े इंजनों के लिए अपना पहला टर्बोचार्जर, VT402, जून 1924 में पूरा किया, और 1926 में पानी में उतारे गए जर्मन यात्री जहाज़ प्रॉयसन (Preussen) और हान्सेश्टाट डान्त्सिग (Hansestadt Danzig) टर्बोचार्ज्ड इंजनों वाले पहले जहाज़ थे, जो ब्यूकी की देखरेख में बने। फिर विमान आए: 1930 के दशक के आख़िर से बोइंग B-17 जनरल इलेक्ट्रिक (General Electric) के टर्बो के साथ उड़ा, जिनसे ऊँचाई की विरल हवा में भी उसके इंजनों की पावर बनी रहती थी। कारों में टर्बो लैग और भारी आकार ने इन्हें लंबे समय तक रोके रखा। आज छोटे इंजन से ज़्यादा पावर पाने का टर्बो एक आम तरीक़ा है, जिसे इंजीनियर डाउनसाइज़िंग कहते हैं।

एक बार से हवा ठीक दोगुनी क्यों नहीं होती

बूस्ट मीटर आम तौर पर वायुमंडलीय दबाव से ऊपर का दबाव बताता है, जबकि गैस का नियम निर्वात से मापा गया निरपेक्ष दबाव इस्तेमाल करता है। आसान उदाहरण के लिए वायुमंडल का निरपेक्ष दबाव 1 bar और इनटेक तापमान स्थिर मानें। तब 1 bar बूस्ट का मतलब 2 bar निरपेक्ष दबाव है। ρ = p / (R T) के अनुसार निरपेक्ष दबाव दोगुना होने पर घनत्व भी दोगुना होता है, इसलिए उसी सिलिंडर में हवा का द्रव्यमान दोगुना आ सकता है। लेकिन हर अतिरिक्त बार हवा को दोगुना नहीं करता: 2 bar निरपेक्ष दबाव में एक बार और जोड़ने पर अनुपात 3 / 2 होता है।

तापमान परिणाम बदल देता है। मान लें कि दबाव दोगुना करते समय हवा 300 K से 400 K तक गर्म होती है। ये समझाने के लिए धारणाएँ हैं, मॉडल की दूसरी सेटिंग नहीं। घनत्व का अनुपात 2 × 300 / 400 = 1.50 हो जाता है। उसी दबाव पर हवा को 330 K तक ठंडा करने से अनुपात 2 × 300 / 330 = 1.82 होता है। इस गणना में कूलर ने दबाव नहीं बढ़ाया; उपलब्ध आयतन में ज़्यादा द्रव्यमान समाने दिया है। यहाँ केल्विन ज़रूरी है। सेल्सियस के तापमानों को भाग देना गलत होगा, क्योंकि उसका पैमाना परम शून्य से शुरू नहीं होता।

प्रदर्शनी में गोल किए गए 1 bar के बजाय वायुमंडलीय दबाव 1.013 bar है। इसलिए 1 bar बूस्ट पर दबाव अनुपात 2 से थोड़ा कम होता है, और तापमान व घनत्व इस उदाहरण से कुछ अलग होते हैं। असली इंटरकूलर में दबाव की हानि भी होती है, और बंद फ़िल्टर कंप्रेसर के प्रवेश का दबाव घटाता है। Garrett की कंप्रेसर-मैप मार्गदर्शिका वास्तविक दबाव अनुपात निकालते समय प्रवेश और निकास की हानि जोड़ती है। सिर्फ़ डैशबोर्ड के अंक से कंप्रेसर की मेहनत पता नहीं चलती।

पावर को लेकर भी ऐसी गलतफ़हमी होती है। अतिरिक्त ऑक्सीजन अधिक ईंधन जलाने देती है; वह ईंधन का विकल्प नहीं है। प्रदर्शनी में मिश्रण और दक्षता स्थिर होने के कारण हवा का द्रव्यमान जिस अनुपात में बढ़ता है, गणना की पावर भी उसी अनुपात में बढ़ती है। असली नियंत्रक टॉर्क सीमित कर सकता है, इग्निशन देर से कर सकता है या मिश्रण बदल सकता है। बराबर बूस्ट वाले दो इंजनों के इनटेक तापमान, क्षमता और पावर अलग हो सकते हैं। बूस्ट उपयोगी जानकारी है, लेकिन हॉर्सपावर या यांत्रिक सुरक्षा का सीधा माप नहीं।

बड़े पहिए को बस और तेज़ क्यों नहीं घुमा सकते

ऊपर की किनारे की गति वाली गणना शाफ़्ट के आरपीएम को ब्लेड की नोक की वास्तविक चाल से जोड़ती है। मॉडल के 50 mm व्यास वाले पहिए पर 1,00,000 rpm से लगभग 262 m/s मिलता है। 2,50,000 rpm पर यही गणना लगभग 654 m/s देती है। ये छोटे टर्बो की संभावित गति सीमा के ज्यामितीय उदाहरण हैं, इस पहिए के स्वीकृत संचालन बिंदु नहीं। असली पहिया कितना सह सकता है, यह सामग्री, ब्लेड का आकार और निर्माता की सीमा तय करते हैं। रंगीन कण और जानबूझकर धीमा घुमाव इन तनावों को नहीं दिखा सकते।

त्रिज्या स्थिर हो तो ब्लेड के किसी हिस्से को वृत्त में चलाने के लिए आवश्यक त्वरण कोणीय गति के वर्ग के साथ बढ़ता है। इसलिए गति दोगुनी करने पर अभिकेंद्रीय त्वरण चार गुना चाहिए। समान आरपीएम पर बड़ी त्रिज्या नोक की चाल भी बढ़ाती है। इसलिए बड़ा औद्योगिक टर्बो छोटे कार टर्बो से बहुत धीरे घूमकर भी कम उपयोगी काम करे, यह ज़रूरी नहीं। MIT की कक्षा अपकेंद्रीय तनाव को कंप्रेसर गति की सीमा बताती है। पहिए का आकार बताए बिना ऊँचे आरपीएम बताना इंजीनियरिंग समस्या का बड़ा हिस्सा छोड़ देता है।

कंप्रेसर मैप एक और सीमा दिखाता है। Garrett क्षैतिज अक्ष पर द्रव्यमान प्रवाह और ऊर्ध्वाधर अक्ष पर निरपेक्ष दबाव अनुपात रखता है। वक्र शाफ़्ट की गति बताते हैं, और दक्षता के द्वीप वे क्षेत्र दिखाते हैं जहाँ कम काम गर्मी बनकर व्यर्थ जाता है। कम प्रवाह वाली ओर सर्ज का मतलब अस्थिर प्रवाह है, सिर्फ़ कम आउटपुट नहीं। अधिक प्रवाह की सीमा पर चोकिंग और घटती दक्षता उपयोगी संचालन रोकती हैं; ज़्यादा दबाव माँगने से ओवरस्पीड हो सकती है। बड़ा कंप्रेसर अपने आप बेहतर नहीं होता: आवश्यक गति सीमा में इंजन के संचालन बिंदु उसके मैप से मेल खाने चाहिए।

थ्रॉटल अचानक बंद करने पर संचालन बिंदु सर्ज की ओर जा सकता है, क्योंकि इंजन हवा लेना कम कर देता है जबकि पहिया घूमता रहता है। असली प्रणालियाँ इसे कम करने के लिए कंप्रेसर बायपास या ब्लो-ऑफ़ वाल्व लगाती हैं। यह एग्ज़ॉस्ट वेस्टगेट से अलग है। प्रदर्शनी में वह वाल्व और कंप्रेसर मैप नहीं हैं, इसलिए सर्ज की आवाज़ का अनुमान या बदले हुए टर्बो की उपयुक्तता की जाँच नहीं हो सकती। इसका थ्रॉटल परीक्षण बूस्ट की देरी दिखाता है, असली इनटेक की हर अस्थिरता नहीं।

एग्ज़ॉस्ट स्पंद अलग करना या टर्बाइन का प्रवेश बदलना

ट्विन-स्क्रॉल टर्बाइन में भी एक ही टर्बाइन पहिया होता है। हाउसिंग में अलग एग्ज़ॉस्ट रास्ते होते हैं, और विभाजित मैनिफ़ोल्ड चुने हुए सिलिंडर समूहों का प्रवाह पहिए तक अलग रखता है। इससे उपयोगी स्पंद बचते हैं और सिलिंडरों का आपसी दखल घटता है। BorgWarner के उत्पादन वाले छह-सिलिंडर प्रयोग का तकनीकी विवरण बताता है कि अलग रास्ते कम गति की प्रतिक्रिया क्यों सुधारते हैं। ट्विन-स्क्रॉल का मतलब ट्विन-टर्बो नहीं है। मैनिफ़ोल्ड के अनुरूप रास्ते अलग रखे बिना सिर्फ़ हाउसिंग में दीवार जोड़ने से पूरा विन्यास नहीं बनता।

वैरिएबल ज्योमेट्री दूसरी जगह बदलाव करती है। टर्बाइन के आसपास चलने वाली गाइड वेन प्रवेश का प्रभावी रास्ता बदलती हैं। Garrett के अनुसार डीज़ल VGT की वेन कम इंजन गति पर बंद होकर टर्बाइन की पावर और बूस्ट बढ़ाती हैं, फिर ऊँची गति पर खुलकर अधिक एग्ज़ॉस्ट निकालती और ओवरस्पीड रोकती हैं। पहिया खुद बड़ा या छोटा नहीं होता। नियंत्रक स्थिर हाउसिंग से अधिक प्रवाह स्थितियों के अनुसार टर्बाइन ढाल सकता है, लेकिन ऐक्चुएटर की जटिलता और गर्म एग्ज़ॉस्ट का वातावरण सँभालना पड़ता है।

कोई भी डिज़ाइन रोटर तेज़ करने की ऊर्जा की ज़रूरत नहीं मिटाता। स्पंदों का बेहतर इस्तेमाल या उचित प्रवेश प्रतिक्रिया घटा सकता है, लेकिन कमजोर एग्ज़ॉस्ट उपलब्ध ऊर्जा सीमित रखता है। छोटी टर्बाइन कम गति में मदद कर सकती है और ऊँचे प्रवाह पर बाधा बन सकती है। बड़ी टर्बाइन बाधा घटा सकती है, पर तेज़ करना कठिन हो सकता है। चुनाव इंजन और उसके काम पर निर्भर है, डिज़ाइनों की किसी सार्वभौमिक रैंकिंग पर नहीं। प्रदर्शनी में ये वैकल्पिक हाउसिंग नहीं चुन सकते; दिखाई गई टर्बाइन ऊपर बताया स्थिर ज्योमेट्री और वेस्टगेट वाला उदाहरण है।

छोटा इंजन कब ईंधन बचाता है

डाउनसाइज़िंग में बड़े इंजन की जगह छोटा इंजन लगता है, जो अधिक पावर चाहिए तभी बूस्ट लेता है। सामान्य ड्राइविंग में अक्सर अधिकतम पावर का छोटा हिस्सा ही चाहिए होता है। छोटे इंजन में घर्षण कम हो सकता है और समान सड़क माँग पर कम थ्रॉटलिंग के साथ चल सकता है। घटे विस्थापन से खोने वाला प्रदर्शन टर्बो लौटाता है। यह समान काम करने वाली पूरी इंजन प्रणालियों की तुलना है, यह दावा नहीं कि किसी भी इंजन पर टर्बो लगाने से अपने आप ईंधन बचता है।

EPA की Automotive Trends रिपोर्ट टर्बो को दूसरी इंजन तकनीकों के साथ वर्गीकृत करके प्रदर्शन और दक्षता पर उनके संयुक्त असर बताती है। ऐसे बेड़े के आँकड़े तकनीक का प्रसार और पूरे वाहन बताते हैं; वे सिर्फ़ टर्बो से सुनिश्चित बचत अलग नहीं करते। वाहन का भार, गियर अनुपात, सड़क भार और कैलिब्रेशन सब परिणाम बदलते हैं। निष्पक्ष तुलना में समान स्तर के वाहन एक ही ड्राइविंग चक्र पर चाहिए। इस प्रदर्शनी की पावर से कोई एक बचत प्रतिशत नहीं निकाला जा सकता, क्योंकि इसमें वाहन या ड्राइविंग चक्र का मॉडल नहीं है।

ऊँचे बूस्ट की सीमाएँ भी हैं। इनटेक का ऊँचा दबाव और तापमान पेट्रोल इंजन के अधजले मिश्रण को सामान्य लौ पहुँचने से पहले खुद जला सकते हैं। इससे पैदा तेज़ दबाव-दोलन नॉकिंग हैं, नियोजित स्पार्क इग्निशन नहीं। चार्ज ठंडा करना, पर्याप्त नॉक-प्रतिरोध वाला ईंधन और उचित इग्निशन समय मदद करते हैं। संपीड़न अनुपात भी महत्त्वपूर्ण है, लेकिन वह सिलिंडर आयतनों का ज्यामितीय अनुपात है, कंप्रेसर का दबाव अनुपात नहीं। दोनों अलग प्रक्रियाएँ बताते हैं और उन्हें जोड़ना नहीं चाहिए। मॉडल दक्षता और मिश्रण स्थिर रखता है और नॉक नहीं निकालता, इसलिए बढ़ती पावर असली कार का बूस्ट बढ़ाने की अनुमति नहीं है।

बेल्ट से चलने वाला सुपरचार्जर क्रैंकशाफ़्ट से कंप्रेसर का काम लेता है और एग्ज़ॉस्ट टर्बाइन तेज़ होने का इंतज़ार किए बिना प्रतिक्रिया दे सकता है। लेकिन यह शाफ़्ट माँग इंजन की पावर लेती है। बिजली-सहायता वाला टर्बो टर्बाइन-कंप्रेसर की साझा शाफ़्ट पर मोटर का टॉर्क जोड़ता है। BorgWarner के eTurbo दस्तावेज़ अतिरिक्त टर्बाइन ऊर्जा से जनरेटर चलना भी बताते हैं। उसका अलग eBooster उत्पाद सामान्य टर्बो को मदद देने वाला इलेक्ट्रिक कंप्रेसर है; वह टर्बो शाफ़्ट पर मोटर लगाने वाला वही उपकरण नहीं। बैटरी ऊर्जा, विद्युत हानि और गर्मी निकालना भी हिसाब का हिस्सा हैं। कोई उपकरण मुफ़्त संपीड़ित हवा नहीं बनाता।

स्क्रीन पर तीन तुलनाएँ

कूलिंग की तुलना के लिए इंजन 4,000 rpm, थ्रॉटल पूरा और बूस्ट सीमा 1 bar रखें। पावर लिखने से पहले शाफ़्ट और बूस्ट रेखाएँ स्थिर होने दें। केवल इंटरकूलर बदलें। मॉडल कूलिंग के साथ लगभग 115 kW और बिना उसके 95 kW देता है। बूस्ट के साथ इंजन में जाती गर्मी और प्रति सिलिंडर हवा भी तुलना करें। यह लगभग समान दबाव पर घनत्व जाँचता है, इंजन का आकार नहीं बदलता।

प्रतिक्रिया तुलना के लिए 2,000 rpm रखें और 15% थ्रॉटल पर स्थिर होने दें। फिर पूरा खोलकर पिछले 8 s का चार्ट देखें। पहले थ्रॉटल रेखा चलती है, फिर रोटर के अनुसार बूस्ट आता है। उसी शुरुआती थ्रॉटल पर 3,500 rpm में दोहराएँ। कई सेटिंग बदलने के तुरंत बाद रेखाएँ न तुलना करें, क्योंकि शुरुआती शाफ़्ट गति अलग होगी। मॉडल का सरल देरी नियम परीक्षण दोहराने देता है, पर यह उत्पादन इंजन के त्वरण का मापा हुआ परीक्षण नहीं है।

वेस्टगेट तुलना में पूरा थ्रॉटल और वही बूस्ट सीमा रखते हुए गति 4,000 rpm से 6,000 rpm बढ़ाएँ। वेस्टगेट अधिक खुलता है, लेकिन स्थिर बूस्ट सीमित रहता है। अधिक खुलने का मतलब टर्बो का काम रुकना नहीं: एग्ज़ॉस्ट पहिया चलाता रहता है, पर बड़ा हिस्सा उसे बायपास करता है। अंत में बूस्ट सीमा शून्य करें और स्थिर होने पर पावर तुलना करें। ये प्रयोग कूलिंग, क्षणिक प्रतिक्रिया और बूस्ट नियंत्रण अलग करते हैं; ईंधन खपत, नॉक या दूसरी टर्बाइन का अनुकरण करने का दावा नहीं करते।