امين آزاد
شايد هيچ گاه مهندساني چون اتو و ديزل كه پايه گذاران موتورهاي كنوني درون سوز بودند فكر نمي كردند كه تا سال ها اختراعشان پاشنه آشيل صنعت خودرو خواهد بود و با ابتكارشان بيش از ۵۰۰ ميليون خودرو ساخته شود، اما عده اي معتقدند كه موتورهاي درون سوز بايد راهي موزه شوند و در آن سوي ميدان خودروسازان هنوز مقاومت مي كنند. آنها معتقدند هنوز براي وداع زود است، اما پيروان سينه چاك محيط زيست مي گويند موتورهاي پيل سوختي و هيبريدي بايد جايگزين موتورهاي درون سوز شوند.
صداي آخرين نفس هاي موتورهاي درون سوز شنيده مي شود، اما صبر كنيد! شايد هنوز راهي براي نجات وجود داشته باشد.
شوك الكتريكي براي يك مريض اورژانسي
از سوي سازمانهاي حفاظت از محيط زيست و دولت هايي كه تحت بحران انرژي به ستوه آمده اند، فشار سنگيني به مهندسان مراكز تحقيقاتي جهان وارد مي شود كه يا موتورهاي درون سوز را به موزه بفرستيد و يا اين موتورها را اصلاح اساسي كنيد. آخرين بررسي ها نشان مي دهد فناوري هاي جديد در زمينه موتورهاي بنزيني، نظير كوچك سازي، موتورهاي با تزريق مستقيم (GDI) و سيستم سوپاپ هاي كاملاً متغير، راه هايي براي ادامه حيات موتورهاي احتراق داخلي در بحران سوخت و آلايندگي خودروها در ۱۰ سال آينده است.
آلايندگي و مصرف سوخت خودروها به دليل محدوديت هاي زيست محيطي، ظرف ۱۰ سال آينده بايد به ميزان قابل توجهي بهبود يابد. فناوري هاي جديد در زمينه موتورهاي بنزيني، نظير كوچك سازي موتورها هم اكنون در حال توسعه هستند. در مورد موتورهاي ديزل نيز بخش هايي كه انتظار مي رود توسعه يابند، شامل انژكتورهاي پيزوالكتريك، فيلترهاي ذرات معلق و سيستم كاتاليست ها هستند.
اما آيا اين راه ها همان شوك الكتريكي معروف خواهد بود؟ در اين باره پرفسور پيشينگر مدير مركز تحقيقات موتور آلمان مي گويد: «چند سال پيش همه پيش بيني مي كردند كه تا امروز موتورهاي پيل سوختي جايگزين موتورهاي درون سوز خواهند شد، اما اين امر تحقق پيدا نكرد. امروزه تا جايي كه قابل پيش بيني است و تا حدود ۱۵ تا ۲۰ سال آينده (بيشتر از اين زمان قابل پيش بيني نيست) بايد گفت كه موتورهاي درون سوز حرف اول را خواهند زد، چرا كه اين موتورها بازده و عملكرد مناسبي دارند و از لحاظ هزينه توليدي نيز مقرون به صرفه هستند. از سوي ديگر اين موتورها از پتانسيل بالايي براي بهتر شدن برخوردارند. در نتيجه بايد گفت كه بسياري از نتايجي كه با استفاده از موتورهاي پيل سوختي به دست مي آيد، در صورت توسعه دادن موتورهاي درون سوز نيز قابل دسترسي است و از آن جا كه اين موتورها توجيه اقتصادي نيز دارند، حداقل در افق ۲۰ ساله حرف نخست را در صنعت خودرو خواهند زد.
اين سخنان شايد براي دلخوشي كافي باشد اما اولين موتورهاي برون سوز پيل سوختي از امسال به طور آزمايشي وارد بازار شده اند و طي ده سال آينده اگر بحران انرژي به همين روش پيش رود و قوانين زيست محيطي سخت تر شوند، موتورهاي برون سوز پيل سوختي دشمن شماره يك حيات موتورهاي درون سوز خواهند شد.
با سخت تر شدن قوانين زيست محيطي بايد آلودگي به مرز صفر برسد و اين عامل، تحقيقات هزينه بري را طلب مي كند كه سبب افزايش قيمت موتورهاي درون سوز خواهد شد.
گام اول براي نجات
اولين راهي كه مراكز اروپايي براي مقابله با بحران هاي ناشي از آلودگي هوا و انرژي پيگيري مي كنند، اصلاح سيستم سوخت رساني و محفظه احتراق موتورهاي ديزلي و بنزيني است و به همين دليل در خودروهاي سواري روش جديد تزريق مستقيم سوخت به كمك كاتاليست پيگيري مي شود. روش GDI در اين ميان يكي از موفق ترين راه ها بوده است.درباره استفاده از موتورهاي تزريق مستقيم سوخت دكتر پيشينگر معتقد است: «به نظر من توجه گسترده اي به موتورهاي تزريق مستقيم سوخت شده است و به طور مشخص اگر اين سيستم در كنار توربو شارژر قرار گيرد، بسيار مورد استقبال قرار خواهد گرفت. امروزه در اروپا مي بينيم كه بنزين در رقابت با ديزل قرار گرفته است. بسياري از شركت هاي خودروسازي در حال توسعه موتورهاي بنزيني با توربو شارژر به همراه سيستم تزريق مستقيم هستند كه اين موتورها از لحاظ قدرت و مصرف سوخت كارايي بالايي دارند.»
گام دوم براي نجات
اصلاح موتورهاي ديزلي و افزايش استفاده آن در خودروهاي سواري از ديگر راه هاي افزايش عمر موتورهاي درون سوز است.
بنابر مطالعات انجام شده به طور متوسط استفاده از موتورهاي ديزلي به جاي بنزيني ۳۰ درصد صرفه جويي در پي دارد.خودروهاي ديزلي بين ۲۰ تا ۶۵ درصد سوخت كمتري مصرف مي كنند، امروزه در خودروهاي سواري ديزلي، صرف چهار ليتر به ازاي هر ۱۰۰ كيلومتر معمول است ولي در خودروهاي سواري بنزيني مصرف شش ليتر در هر ۱۰۰ كيلومتر ايده آل ترين حالت است.
برخلاف تصور عموم كه خودروهاي ديزلي دودزا هستند، با استفاده از گازوئيل كم گوگرد اين سوخت بسيار پاكتر از بنزين است.در حالي كه در اين خودروها ميزان CO2 به اندازه ۲۴ درصد و CO به ميزان ۳۰ درصد با استفاده از موتورها كاهش مي يابد، اما هنوز هم تردد خودروي سواري ديزلي در ايران ممنوع است.
بازده حرارتي موتورهاي بنزيني در حدود ۲۶ درصد است. حال آن كه اين بازده در موتورهاي ديزلي جديد ۴۲ درصد گزارش شده است. موتورهاي ديزلي ۲۰ درصد افزايش گشتاور و ۲۵ درصد افت قدرت موتور نسبت به موتورهاي مشابه بنزيني دارند.
در اين ميان شركت هاي مختلف به فكر افزايش تكنولوژي ديزلي كردن خودروها هستند؛ به گونه اي كه حتي شركت جنرال موتور كه تمايل چنداني به استفاده از اين روش نداشت به اين سمت كشيده شده است. با گسترش مصرف سوخت خودروهاي بنزيني، شركت جنرال موتورز برنامه جديدي را براي گسترش خودروهاي ديزلي اجرا كرده است.
موتورهاي ديزلي تنها در عرض چند سال راه درازي را طي كرده اند. در حالي كه در سال ۱۹۹۰ تنها ۱۵ درصد از خريداران اتومبيل در اروپاي غربي نسبت به خريد خودروهاي ديزلي تمايل داشتند. اين ميزان در سال ۲۰۰۴ به ۴۳ درصد رسيده است.
گروه خودروسازي جنرال موتورز با هدف پاسخگويي به نياز روزافزون مشتريان برنامه جديدي براي ارايه خودروهاي ديزلي با سوخت پاك و عملكرد مناسب فراهم كرده است. آخرين گروه از خودروهاي ديزلي در حدود ۱۰ مدل با موتورهايي بين ۳/۱ تا ۳ ليتر ظرفيت و با قدرت ۷۰ تا ۱۸۴ اسب بخار را شامل مي شود.
در اين ميان موتورهاي ۹/۱ ليتري معمولي از مطلوبيت بيشتري در ميان مصرف كنندگان برخوردارند و در حال حاضر اين موتورها در خودروهاي آسترا، وكترا، سيگنوم و زفيراي شركت اپل و كاديلاك BLS و ساب و ۳-۹ و ۵-۹ مورد استفاده قرار مي گيرند.
تمام مدل هاي اپل، ساب و كاديلاك با موتورهاي ۹/۱ ليتري از فيلترهاي محافظ ديزلي برخوردارند كه اين سيستم هوشمند احتياجي به افزودني هاي سوخت ندارد و در نتيجه از ويژگي هاي مثبتي نسبت به نقاط ضعف مدل هاي قبلي سود مي برد.
از سوي ديگر با استفاده از سيستم نوين استفاده شده در اين موتورها با وجود نصب فيلتر، تغييري در ميزان مصرف سوخت به وجود نيامده و اين ميزان افزايش نخواهد يافت.
سيستم پاك كننده در كنار يك دودگير در نزديكي موتور و يك سيستم پاك كننده ديگر در زير خودرو با هدف كاهش ساير آلاينده ها مانند مونواكسيد كربن (CO)، هيدروكربن ها (HC) و ذرات دوده به فعاليت مي پردازد.
در زمينه اطلاعات فني موتورهاي ۹/۱ ليتري ديزلي لازم به ذكر است كه هر سه موتور ۱۰۰ ، ۱۲۰ و ۱۵۰ اسب بخار ۴ سيلندر بوده و در حالي 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
قوانين اروپايي روي آلاينده هاي خطرناك اگزوز كه در سال ۲۰۰۰ نسبتاً سختگيرانه به اجرا درآمد، در سال ۲۰۰۵ سختگيرانه تر شد. محدوديت هاي استاندارد آلايندگي EURO IV براي آلاينده هاي HCو NOX و ذرات معلق حدود ۵۰ درصد سطح كنوني اين گازهاي مضر است. (استاندارد آلايندگي اروپا در سال ۲۰۰۴ مطابق با استاندارد EURO III است). مرحله بعدي در استانداردهاي اروپايي كه EURO V ناميده مي شود احتمالاً با تمركز روي ذرات معلق، به بهينه سازي بيشتري نياز دارد.
از سوي ديگر در استاندارد آمريكاييTIR2 كاهش مرحله به مرحله NMOG (گازهاي اورگانيك غيرمتان) و كاهش متوسط NOX ناشي از ناوگان اتوبوسراني از سال ۲۰۰۴ تا ۲۰۰۷ مدنظر است. از سال ۲۰۰۳ به بعد در كاليفرنيا بايد حداقل ۱۰ درصد فروش هر سازنده خودرو، خودروهايي با آلايندگي صفر يا معادل آن باشد. نگراني در مورد اثر گازهاي گلخانه اي، خودروسازان اروپايي را وادار كرده است كه تا سال ۲۰۰۸ خودروهايي توليد كنند كه متوسط CO2 منتشره از آنها زير۱۴۰ gr/km باشد. يعني كاهش مصرف سوخت بايد به ميزان بيش از ۲۵ درصد در مقايسه با سطح تعيين شده در سال ۱۹۹۵ باشد. همچنين كاهش بيشتر به سطح۱۲۰ gr/km تا سال ۲۰۱۲ نيز در سال ۲۰۰۳ تحت بحث و بررسي قرار گرفت.
از طرفي همزمان با طرح مباحث آلايندگي، مشتريان نيازمند ايمني و آسايش بيشتري نسبت به سابق خواهند بود كه اين مساله تنها با افزايش وزن خودرو ميسر خواهد شد و واضح است كه اين موضوع با مصرف كمتر انرژي منافات دارد. همچنين ضمن حفظ حداقل عملكرد خودرو، در عين حال نبايد هزينه مالكيت خودرو افزايش يابد. با توجه به افزايش فشارهاي زيست محيطي به غير از دو راه گفته شده براي افزايش طول عمر موتورهاي درون سوز چند روش ديگر نيز مورد توجه است.
هدف اصلي در توسعه موتورهاي اشتعال جرقه اي، بهبود مصرف سوخت و در نتيجه كاهش انتشار گاز CO2 است. از ديدگاه ترموديناميكي، دستيابي به راندمان بيشتر، با عملكرد موتور در بارهاي زياد و كاهش در افت تبادل گاز و حرارت در بارهاي جزئي ممكن است.
راه حل هاي فني براي اين منظور عبارتند از: كوچك سازي سايز موتورها و استفاده از سوپر شارژ، فناوري سوپاپ هاي كاملاً متغير.
كوچك سازي
يك استراتژي براي بهبود قابل توجه در مصرف سوخت، كاهش حجم جابه جايي موتور با حفظ شكل منحني گشتاور است. با افزايش فشار تغذيه تا ۵/۲ بار و كاهش نسبت تراكم در بارهاي زياد مي توان به اين هدف دست يافت. مصرف سوخت ويژه در بارهاي جزئي در حدود ۵/۲ درصد بهبود يافته است.
سيستم سوپاپ بندي كاملاً متغير
با سيستم سوپاپ بندي كاملاً متغير مي توان روش هاي مديريت سيلندر و سوپاپ ها را معرفي كرد. در حال حاضر سوپاپ هايي ساخته شده اند كه قادرند با استفاده از نيروي الكترومغناطيسي و يك بازو مابين فنرهاي مكانيكي، هرگونه پروفيل باز و بسته شدني را براي سوپاپ ها ايجاد كند. با كنترل جريان الكتريكي، بازو مي تواند در موقعيت انتهايي خود نگه داشته شود، بنابراين سوپاپ مطابق با نياز مي تواند باز يا بسته نگه داشته شود.
از آنجايي كه زمانبندي سوپاپ ها مي تواند به صورت آزادانه تنظيم شود، جرم هواي ورودي و گازهاي باقيمانده را مي توان با سوپاپ ها تعيين كرد.اندازه گيري مصرف سوخت نمونه هاي ساخته شده بر اساس اين تكنيك، كاهش مصرف سوخت تا ۱۵ درصد و در صورت به كارگيري فرايند غيرفعال سازي سيلندرها تا ۲۰ درصد را نشان مي دهد.
موتور دورگه
موتور هيبريدي از روش هاي تركيبي است كه يك موتور درون سوز را با يك موتور الكتريكي تركيب كرده است.
اولين خودروي دورگه كه از سوي شركت تويوتا در سال ۱۹۹۸ ارايه شد، يك راه حل مناسب براي كاهش مصرف خودروهاي بنزيني تا حدود ۵۰ درصد است كه مشكل مصرف زياد بنزين را به وسيله توليد اين گونه خودروها مي توان بهبود داد.
دورگه كردن خودروها در جهان به سه روش موازي، رديفي و تركيبي انجام مي شود كه روش سري، موتور احتراق داخلي فقط كار توليد برق را انجام مي دهد و موتور برقي خودرو را حركت مي دهد. در روش موازي موتور احتراق داخلي به صورت مستقل كار مي كند و موتور برقي نيز به صورت مستقل كار مي كند و اين عملكرد از طريق يك ECU كنترل مي شود. در روش تركيبي نيز دوگونه موازي و رديفي با هم به صورت تركيب شده استفاده مي شوند كه اين روش بيشترين قابليت را دارد و تنها مشكل اين طرح پيچيدگي فوق العاده آن است.
درباره گسترش موتورهاي هيبريدي پروفسور پيشينگر معتقد است هيچ كس انتظار نداشت كه تعداد خودروهاي هيبريدي با چنين سرعتي افزايش پيدا كند. امروزه شاهد هستيم كه در حدود ۷۰۰ هزار خودرو هيبريدي در سراسر جهان به فروش رسيده و اين تعدادي است كه براي اين موتورها يك رويا به شمار مي رفت.
امروز كاملاً مشخص شده است كه خودروهاي هيبريدي منافع عظيمي به همراه دارند و اين امر با تحقيقات گسترده به اثبات رسيده است. در حقيقت قديمي ترين هيبريد متعلق به سال ۱۹۰۸ است كه در حدود ۱۰۰ سال از عمر آن مي گذرد و مدت درازي طول كشيد تا اين سيستم تجاري و مزاياي آن مشخص شود.
بايد به اين مطلب اشاره كرد كه بزرگترين مزيت اين گونه موتورها اين است كه مي توان انرژي مورد استفاده را در توقف ها و سراشيبي بازيابي كرد و به جاي هدر رفتن انرژي، آن را مجدداً در رانندگي به كار گرفت. اما از سوي ديگر تكنولوژي اين موتورها بسيار پرهزينه است و بايد به نحوي شرايطي را فراهم كرد كه مصرف كنندگان توان خريد اين خودروها را داشته باشند.
به نظر من كليد اين مساله در كنار كاهش هزينه هاي توليد اين موتورها، ايجاد جنبه هاي جذاب براي جذب مصرف كنندگان است كه حاضر شوند هزينه بيشتري براي خريد اين خودروها پرداخت كنند و تا به حال كشورهاي ژاپن و آمريكا در عرضه اين خودروها بسيار موفق عمل كرده اند. اعتقاد دارم كه آينده به خودروهاي هيبريدي تعلق دارد، اما درصد رشد تقاضا براي اين خودرو قابل پيش بيني نيست؛ چرا كه به طور مثال در اروپا بيش از ۵۰ درصد به خريد موتورهاي ديزلي علاقه نشان مي دهند؛ در حالي كه اين موتورها در آمريكا اصلاً مورد استقبال قرار نگرفته اند. به هر حال براي پيش بيني آينده موتورهاي هيبريدي هنوز براي قضاوت كمي زود است.
