موتورهای درون سوز

شاید هیچ گاه مهندسانی چون اتو و دیزل كه پایه گذاران موتورهای كنونی درون سوز بودند فكر نمی كردند كه تا سال ها اختراعشان پاشنه آشیل صنعت خودرو خواهد بود و با ابتكارشان بیش از ۵۰۰ میلیون خودرو ساخته شود، اما عده ای معتقدند كه موتورهای درون سوز باید راهی موزه شوند و در آن سوی میدان خودروسازان هنوز مقاومت می كنند. آنها معتقدند هنوز برای وداع زود است، اما پیروان سینه چاك محیط زیست می گویند موتورهای پیل سوختی و هیبریدی باید جایگزین موتورهای درون سوز شوند.صدای آخرین نفس های موتورهای درون سوز شنیده می شود، اما صبر كنید! شاید هنوز راهی برای نجات وجود داشته باشد.
●شوك الكتریكی برای یك مریض اورژانسی
از سوی سازمانهای حفاظت از محیط زیست و دولت هایی كه تحت بحران انرژی به ستوه آمده اند، فشار سنگینی به مهندسان مراكز تحقیقاتی جهان وارد می شود كه یا موتورهای درون سوز را به موزه بفرستید و یا این موتورها را اصلاح اساسی كنید. آخرین بررسی ها نشان می دهد فناوری های جدید در زمینه موتورهای بنزینی، نظیر كوچك سازی، موتورهای با تزریق مستقیم (GDI) و سیستم سوپاپ های كاملاً متغیر، راه هایی برای ادامه حیات موتورهای احتراق داخلی در بحران سوخت و آلایندگی خودروها در ۱۰ سال آینده است.
آلایندگی و مصرف سوخت خودروها به دلیل محدودیت های زیست محیطی، ظرف ۱۰ سال آینده باید به میزان قابل توجهی بهبود یابد. فناوری های جدید در زمینه موتورهای بنزینی، نظیر كوچك سازی موتورها هم اكنون در حال توسعه هستند. در مورد موتورهای دیزل نیز بخش هایی كه انتظار می رود توسعه یابند، شامل انژكتورهای پیزوالكتریك، فیلترهای ذرات معلق و سیستم كاتالیست ها هستند.
اما آیا این راه ها همان شوك الكتریكی معروف خواهد بود؟ در این باره پرفسور پیشینگر مدیر مركز تحقیقات موتور آلمان می گوید: «چند سال پیش همه پیش بینی می كردند كه تا امروز موتورهای پیل سوختی جایگزین موتورهای درون سوز خواهند شد، اما این امر تحقق پیدا نكرد. امروزه تا جایی كه قابل پیش بینی است و تا حدود ۱۵ تا ۲۰ سال آینده (بیشتر از این زمان قابل پیش بینی نیست) باید گفت كه موتورهای درون سوز حرف اول را خواهند زد، چرا كه این موتورها بازده و عملكرد مناسبی دارند و از لحاظ هزینه تولیدی نیز مقرون به صرفه هستند. از سوی دیگر این موتورها از پتانسیل بالایی برای بهتر شدن برخوردارند. در نتیجه باید گفت كه بسیاری از نتایجی كه با استفاده از موتورهای پیل سوختی به دست می آید، در صورت توسعه دادن موتورهای درون سوز نیز قابل دسترسی است و از آن جا كه این موتورها توجیه اقتصادی نیز دارند، حداقل در افق ۲۰ ساله حرف نخست را در صنعت خودرو خواهند زد.
این سخنان شاید برای دلخوشی كافی باشد اما اولین موتورهای برون سوز پیل سوختی از امسال به طور آزمایشی وارد بازار شده اند و طی ده سال آینده اگر بحران انرژی به همین روش پیش رود و قوانین زیست محیطی سخت تر شوند، موتورهای برون سوز پیل سوختی دشمن شماره یك حیات موتورهای درون سوز خواهند شد.
با سخت تر شدن قوانین زیست محیطی باید آلودگی به مرز صفر برسد و این عامل، تحقیقات هزینه بری را طلب می كند كه سبب افزایش قیمت موتورهای درون سوز خواهد شد.
●گام اول برای نجات
اولین راهی كه مراكز اروپایی برای مقابله با بحران های ناشی از آلودگی هوا و انرژی پیگیری می كنند، اصلاح سیستم سوخت رسانی و محفظه احتراق موتورهای دیزلی و بنزینی است و به همین دلیل در خودروهای سواری روش جدید تزریق مستقیم سوخت به كمك كاتالیست پیگیری می شود. روش GDI در این میان یكی از موفق ترین راه ها بوده است.درباره استفاده از موتورهای تزریق مستقیم سوخت دكتر پیشینگر معتقد است: «به نظر من توجه گسترده ای به موتورهای تزریق مستقیم سوخت شده است و به طور مشخص اگر این سیستم در كنار توربو شارژر قرار گیرد، بسیار مورد استقبال قرار خواهد گرفت. امروزه در اروپا می بینیم كه بنزین در رقابت با دیزل قرار گرفته است. بسیاری از شركت های خودروسازی در حال توسعه موتورهای بنزینی با توربو شارژر به همراه سیستم تزریق مستقیم هستند كه این موتورها از لحاظ قدرت و مصرف سوخت كارایی بالایی دارند.»
●گام دوم برای نجات
اصلاح موتورهای دیزلی و افزایش استفاده آن در خودروهای سواری از دیگر راه های افزایش عمر موتورهای درون سوز است.
بنابر مطالعات انجام شده به طور متوسط استفاده از موتورهای دیزلی به جای بنزینی ۳۰ درصد صرفه جویی در پی دارد.خودروهای دیزلی بین ۲۰ تا ۶۵ درصد سوخت كمتری مصرف می كنند، امروزه در خودروهای سواری دیزلی، صرف چهار لیتر به ازای هر ۱۰۰ كیلومتر معمول است ولی در خودروهای سواری بنزینی مصرف شش لیتر در هر ۱۰۰ كیلومتر ایده آل ترین حالت است.
برخلاف تصور عموم كه خودروهای دیزلی دودزا هستند، با استفاده از گازوئیل كم گوگرد این سوخت بسیار پاكتر از بنزین است.در حالی كه در این خودروها میزان CO۲ به اندازه ۲۴ درصد و CO به میزان ۳۰ درصد با استفاده از موتورها كاهش می یابد، اما هنوز هم تردد خودروی سواری دیزلی در ایران ممنوع است.
بازده حرارتی موتورهای بنزینی در حدود ۲۶ درصد است. حال آن كه این بازده در موتورهای دیزلی جدید ۴۲ درصد گزارش شده است. موتورهای دیزلی ۲۰ درصد افزایش گشتاور و ۲۵ درصد افت قدرت موتور نسبت به موتورهای مشابه بنزینی دارند.
در این میان شركت های مختلف به فكر افزایش تكنولوژی دیزلی كردن خودروها هستند؛ به گونه ای كه حتی شركت جنرال موتور كه تمایل چندانی به استفاده از این روش نداشت به این سمت كشیده شده است. با گسترش مصرف سوخت خودروهای بنزینی، شركت جنرال موتورز برنامه جدیدی را برای گسترش خودروهای دیزلی اجرا كرده است.
موتورهای دیزلی تنها در عرض چند سال راه درازی را طی كرده اند. در حالی كه در سال ۱۹۹۰ تنها ۱۵ درصد از خریداران اتومبیل در اروپای غربی نسبت به خرید خودروهای دیزلی تمایل داشتند. این میزان در سال ۲۰۰۴ به ۴۳ درصد رسیده است.
گروه خودروسازی جنرال موتورز با هدف پاسخگویی به نیاز روزافزون مشتریان برنامه جدیدی برای ارایه خودروهای دیزلی با سوخت پاك و عملكرد مناسب فراهم كرده است. آخرین گروه از خودروهای دیزلی در حدود ۱۰ مدل با موتورهایی بین ۳/۱ تا ۳ لیتر ظرفیت و با قدرت ۷۰ تا ۱۸۴ اسب بخار را شامل می شود.
در این میان موتورهای ۹/۱ لیتری معمولی از مطلوبیت بیشتری در میان مصرف كنندگان برخوردارند و در حال حاضر این موتورها در خودروهای آسترا، وكترا، سیگنوم و زفیرای شركت اپل و كادیلاك BLS و ساب و ۳-۹ و ۵-۹ مورد استفاده قرار می گیرند.تمام مدل های اپل، ساب و كادیلاك با موتورهای ۹/۱ لیتری از فیلترهای محافظ دیزلی برخوردارند كه این سیستم هوشمند احتیاجی به افزودنی های سوخت ندارد و در نتیجه از ویژگی های مثبتی نسبت به نقاط ضعف مدل های قبلی سود می برد.
از سوی دیگر با استفاده از سیستم نوین استفاده شده در این موتورها با وجود نصب فیلتر، تغییری در میزان مصرف سوخت به وجود نیامده و این میزان افزایش نخواهد یافت.
سیستم پاك كننده در كنار یك دودگیر در نزدیكی موتور و یك سیستم پاك كننده دیگر در زیر خودرو با هدف كاهش سایر آلاینده ها مانند مونواكسید كربن (CO)، هیدروكربن ها (HC) و ذرات دوده به فعالیت می پردازد.
در زمینه اطلاعات فنی موتورهای ۹/۱ لیتری دیزلی لازم به ذكر است كه هر سه موتور ۱۰۰ ، ۱۲۰ و ۱۵۰ اسب بخار ۴ سیلندر بوده و در حالی كه دو موتور اول ۸ سوپاپ دارند در موتور ۹/۱ CDIT با قدرت ۱۵۰ اسب بخار از ۱۶ سوپاپ استفاده شده است.
●چند گام به جلو
قوانین اروپایی روی آلاینده های خطرناك اگزوز كه در سال ۲۰۰۰ نسبتاً سختگیرانه به اجرا درآمد، در سال ۲۰۰۵ سختگیرانه تر شد. محدودیت های استاندارد آلایندگی EURO IV برای آلاینده های HCو NOX و ذرات معلق حدود ۵۰ درصد سطح كنونی این گازهای مضر است. (استاندارد آلایندگی اروپا در سال ۲۰۰۴ مطابق با استاندارد EURO III است). مرحله بعدی در استانداردهای اروپایی كه EURO V نامیده می شود احتمالاً با تمركز روی ذرات معلق، به بهینه سازی بیشتری نیاز دارد.
از سوی دیگر در استاندارد آمریكاییTIR۲ كاهش مرحله به مرحله NMOG (گازهای اورگانیك غیرمتان) و كاهش متوسط NOX ناشی از ناوگان اتوبوسرانی از سال ۲۰۰۴ تا ۲۰۰۷ مدنظر است. از سال ۲۰۰۳ به بعد در كالیفرنیا باید حداقل ۱۰ درصد فروش هر سازنده خودرو، خودروهایی با آلایندگی صفر یا معادل آن باشد. نگرانی در مورد اثر گازهای گلخانه ای، خودروسازان اروپایی را وادار كرده است كه تا سال ۲۰۰۸ خودروهایی تولید كنند كه متوسط CO۲ منتشره از آنها زیر۱۴۰ gr/km باشد. یعنی كاهش مصرف سوخت باید به میزان بیش از ۲۵ درصد در مقایسه با سطح تعیین شده در سال ۱۹۹۵ باشد. همچنین كاهش بیشتر به سطح۱۲۰ gr/km تا سال ۲۰۱۲ نیز در سال ۲۰۰۳ تحت بحث و بررسی قرار گرفت.
از طرفی همزمان با طرح مباحث آلایندگی، مشتریان نیازمند ایمنی و آسایش بیشتری نسبت به سابق خواهند بود كه این مساله تنها با افزایش وزن خودرو میسر خواهد شد و واضح است كه این موضوع با مصرف كمتر انرژی منافات دارد. همچنین ضمن حفظ حداقل عملكرد خودرو، در عین حال نباید هزینه مالكیت خودرو افزایش یابد. با توجه به افزایش فشارهای زیست محیطی به غیر از دو راه گفته شده برای افزایش طول عمر موتورهای درون سوز چند روش دیگر نیز مورد توجه است.
هدف اصلی در توسعه موتورهای اشتعال جرقه ای، بهبود مصرف سوخت و در نتیجه كاهش انتشار گاز CO۲ است. از دیدگاه ترمودینامیكی، دستیابی به راندمان بیشتر، با عملكرد موتور در بارهای زیاد و كاهش در افت تبادل گاز و حرارت در بارهای جزئی ممكن است.
راه حل های فنی برای این منظور عبارتند از: كوچك سازی سایز موتورها و استفاده از سوپر شارژ، فناوری سوپاپ های كاملاً متغیر.
●كوچك سازی
یك استراتژی برای بهبود قابل توجه در مصرف سوخت، كاهش حجم جابه جایی موتور با حفظ شكل منحنی گشتاور است. با افزایش فشار تغذیه تا ۵/۲ بار و كاهش نسبت تراكم در بارهای زیاد می توان به این هدف دست یافت. مصرف سوخت ویژه در بارهای جزئی در حدود ۵/۲ درصد بهبود یافته است.
●سیستم سوپاپ بندی كاملاً متغیر
با سیستم سوپاپ بندی كاملاً متغیر می توان روش های مدیریت سیلندر و سوپاپ ها را معرفی كرد. در حال حاضر سوپاپ هایی ساخته شده اند كه قادرند با استفاده از نیروی الكترومغناطیسی و یك بازو مابین فنرهای مكانیكی، هرگونه پروفیل باز و بسته شدنی را برای سوپاپ ها ایجاد كند. با كنترل جریان الكتریكی، بازو می تواند در موقعیت انتهایی خود نگه داشته شود، بنابراین سوپاپ مطابق با نیاز می تواند باز یا بسته نگه داشته شود.
از آنجایی كه زمانبندی سوپاپ ها می تواند به صورت آزادانه تنظیم شود، جرم هوای ورودی و گازهای باقیمانده را می توان با سوپاپ ها تعیین كرد.اندازه گیری مصرف سوخت نمونه های ساخته شده بر اساس این تكنیك، كاهش مصرف سوخت تا ۱۵ درصد و در صورت به كارگیری فرایند غیرفعال سازی سیلندرها تا ۲۰ درصد را نشان می دهد.
●موتور دورگه
موتور هیبریدی از روش های تركیبی است كه یك موتور درون سوز را با یك موتور الكتریكی تركیب كرده است.
اولین خودروی دورگه كه از سوی شركت تویوتا در سال ۱۹۹۸ ارایه شد، یك راه حل مناسب برای كاهش مصرف خودروهای بنزینی تا حدود ۵۰ درصد است كه مشكل مصرف زیاد بنزین را به وسیله تولید این گونه خودروها می توان بهبود داد.
دورگه كردن خودروها در جهان به سه روش موازی، ردیفی و تركیبی انجام می شود كه روش سری، موتور احتراق داخلی فقط كار تولید برق را انجام می دهد و موتور برقی خودرو را حركت می دهد. در روش موازی موتور احتراق داخلی به صورت مستقل كار می كند و موتور برقی نیز به صورت مستقل كار می كند و این عملكرد از طریق یك ECU كنترل می شود. در روش تركیبی نیز دوگونه موازی و ردیفی با هم به صورت تركیب شده استفاده می شوند كه این روش بیشترین قابلیت را دارد و تنها مشكل این طرح پیچیدگی فوق العاده آن است.
درباره گسترش موتورهای هیبریدی پروفسور پیشینگر معتقد است هیچ كس انتظار نداشت كه تعداد خودروهای هیبریدی با چنین سرعتی افزایش پیدا كند. امروزه شاهد هستیم كه در حدود ۷۰۰ هزار خودرو هیبریدی در سراسر جهان به فروش رسیده و این تعدادی است كه برای این موتورها یك رویا به شمار می رفت.
امروز كاملاً مشخص شده است كه خودروهای هیبریدی منافع عظیمی به همراه دارند و این امر با تحقیقات گسترده به اثبات رسیده است. در حقیقت قدیمی ترین هیبرید متعلق به سال ۱۹۰۸ است كه در حدود ۱۰۰ سال از عمر آن می گذرد و مدت درازی طول كشید تا این سیستم تجاری و مزایای آن مشخص شود.
باید به این مطلب اشاره كرد كه بزرگترین مزیت این گونه موتورها این است كه می توان انرژی مورد استفاده را در توقف ها و سراشیبی بازیابی كرد و به جای هدر رفتن انرژی، آن را مجدداً در رانندگی به كار گرفت. اما از سوی دیگر تكنولوژی این موتورها بسیار پرهزینه است و باید به نحوی شرایطی را فراهم كرد كه مصرف كنندگان توان خرید این خودروها را داشته باشند.
به نظر من كلید این مساله در كنار كاهش هزینه های تولید این موتورها، ایجاد جنبه های جذاب برای جذب مصرف كنندگان است كه حاضر شوند هزینه بیشتری برای خرید این خودروها پرداخت كنند و تا به حال كشورهای ژاپن و آمریكا در عرضه این خودروها بسیار موفق عمل كرده اند. اعتقاد دارم كه آینده به خودروهای هیبریدی تعلق دارد، اما درصد رشد تقاضا برای این خودرو قابل پیش بینی نیست؛ چرا كه به طور مثال در اروپا بیش از ۵۰ درصد به خرید موتورهای دیزلی علاقه نشان می دهند؛ در حالی كه این موتورها در آمریكا اصلاً مورد استقبال قرار نگرفته اند. به هر حال برای پیش بینی آینده موتورهای هیبریدی هنوز برای قضاوت كمی زود است.

منبع : روزنامه همشهری