فن آوری موتورهای آینده در خودروهای سواری




آلایندگی و مصرف سوخت خودروها بدلیل محدودیتهای زیست محیطی، ظرف ۱۰ سال آینده بایستی به میزان قابل توجهی بهبود یابد. آلایندگی و مصرف سوخت خودروها بدلیل محدودیتهای زیست محیطی، ظرف ۱۰ سال آینده بایستی به میزان قابل توجهی بهبود یابد. فن آوریهای جدید در زمینه موتورهای بنزینی، نظیر کوچک سازی موتورها به لحاظ اندازه (Downsizing) با استفاده از تقویت بالای آنها (High Boosted)، موتورهای با تزریق مستقیم (GDI) و سیستم سوپاپهای کاملاً متغیر (Fully Variable Valve Train) هم اکنون در حال توسعه می باشند. در مورد موتورهای دیزل نیز بخشهایی که انتظار می رورد توسعه یابند، شامل انژکتورهای پیزو الکتریک، فیلترهای ذرات معلق و سیستم کاتالیستهای DeNOx می باشند. در این یادداشت ابتدا به بررسی الزامات استانداردهای آلایندگی پرداخته و پس از آن تمهیداتی که جهت دستیابی به این استانداردها در موتورهای بنزینی و دیزل بکار گرفته شده است را معرفی می نماییم. در بخش اول موتورهای بنزینی را مورد بحث و بررسی قرار خواهیم داد. الزامات استانداردهای آلایندگی در آینده: قوانین اروپایی روی آلاینده های خطرناک اگزوز که در سال ۲۰۰۰ نسبتاً سختگیرانه به اجرا در آمد بار دیگر در سال ۲۰۰۵ سختگیرانه تر خواهد شد. محدودیتهای استاندارد آلایندگی EURO IV برای آلاینده های HC و NOX و ذرات معلق حدود ۵۰% سطح کنونی این گازهای مضر می باشد (استاندارد آلایندگی اروپا در سال ۲۰۰۴ مطابق با استاندارد EURO III است). مرحله بعد در استانداردهای اروپایی کهEURO V نامیده میشود احتمالاً با تمرکز روی ذرات معلق، به بهینه سازی بیشتری نیاز دارد. از سوی دیگر در استاندارد آمریکایی TIER ۲ کاهش مرحله به مرحله NMOG (گازهای اورگانیک غیر متان) و کاهش متوسط NOX ناشی از ناوگان اتوبوسرانی از سال ۲۰۰۴ تا ۲۰۰۷ مد نظر است . از سال ۲۰۰۳ به بعد در کالیفرنیا میبایستی حداقل ۱۰% فروش هر سازنده اتومبیل، خودروهایی با آلایندگی صفر یا معادل آن باشد. نگرانی در مورد اثر گازهای گلخانه ای، خودروسازان اروپایی را وادار کرده است که تا سال ۲۰۰۸ خودروهایی تولید نمایند که متوسط CO۲ منتشره از آنها زیر ۱۴۰ gr/Km باشد. یعنی کاهش مصرف سوخت بایستی به میزان بیش از ۲۵% در مقایسه با سطح تعیین شده در سال ۱۹۹۵ باشد. همچنین کاهش بیشتر به سطح ۱۲۰ 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 که این مساله تنها با افزایش وزن خودرو میسر خواهد شد و واضح است که این موضوع با مصرف کمتر انرژی منافات دارد. همچنین ضمن حفظ حداقل عملکرد خودرو، در عین حال نباید هزینه مالکیت خودرو افزایش یابد. فن آوری آینده در موتورهای بنزینی: هدف اصلی در توسعه موتورهای اشتعال جرقه ای، بهبود مصرف سوخت و در نتـیجه کاهش انتشار گاز CO۲ میباشد. از دیدگاه ترمودینامیکی، دستیابی به راندمان بیشتر، با عملکرد موتور در بارهای زیاد و کاهش در افت تبادل گاز و حرارت در بارهای جزیی ممکن میباشد. راه حلهای فنی برای این منظور عبارتند از :کوچک سازی سایز موتورها و استفاده از سوپر شارژ، فن آوری سوپاپهای کاملاً متغیر و پاشش مستقیم. کوچک سازی(DOWNSIZING ) یک استراتژی برای بهبود قابل توجه در مصرف سوخت، کاهش حجم جابجایی موتور با حفظ شکل منحنی گشتاور میباشد.با افزایش فشار تغذیه تا ۲.۵ بار و کاهش نسبت تراکم در بارهای زیاد می توان به این هدف دست یافت. در شکل شماره یک، منحنی های گشتاور و مصرف سوخت دو موتور یکی موتور ۳ لیتری با تنفس طبیعی و دیگری موتور ۱.۵ لیتری با سوپر شارژ بالا، با یکدیگر مقایسه شده است. سوپر شارژهای مکانیکی با راندمان بالا دستیابی به گشتاورهای لحظه ای و بالا را فراهم می نماید. استفاده از سوپرشارژ منجر به پدیده ناک یا ضربه در بارهای زیاد می گردد. برای احتراز از این موضوع یک سیستم نسبت تراکم متغیر ابداع شده است تا با کاهش نسبت تراکم، دستیابی به فرایند احتراق بدون ناک را در بارهای زیاد ممکن سازد؛ در حالیکه قادر است در بارهای جزیی، تراکم بهینه را حفظ نماید. سیستم سوپاپ بندی کاملاً متغیر: با سیستم سوپاپ بندی کاملاً متغیر می توان روشهای مدیریت سیلندر و سوپاپها را معرفی نمود. همانطور که در شکل دو نشان داده شده است، در حال حاضر سوپاپهایی ساخته شده اند که قادرند با استفاده از نیروی الکترومغناطیسی و یک بازو مابین فنرهای مکانیکی، هرگونه پروفیل باز و بسته شدنی را برای سوپاپها ایجاد نمایند. با کنترل جریان الکتریکی، بازو میتواند در موقعیت انتهایی خود نگه داشته شود بنابراین سوپاپ مطابق با نیاز میتواند باز یا بسته نگه داشته شود. از آنجائیکه زمانبندی سوپاپها میتواند بصورت آزادانه تنظیم شود، جرم هوای ورودی و گازهای باقیمانده را میتوان با سوپاپها تعیین نمود. بدین وسیله میتوان از افت دریچه گاز اجتناب کرد و میزان تشکیل NOX را در بارهای جزئی کاهش داد. از انجاییکه در این روش زمان بندی هر سوپاپ برای هر سیلندر را می توان بصورت جداگانه تنظیم نمود، بنابراین فعال یا غیر فعال کردن هر سیلندر با این روش میسر میگردد(Cylinder Cut Off) . پاشش مستقیم: ابداع سیستمهای جدید تزریق با فشار بالا و پیشرفت در سیستم کاتالیستهای DeNOx منجر به اولین تولید انبوه موتورهای پاشش مستقیم بنزینی با شارژطبقه ای (stratified charge direct injection gasoline engine) شده که کاهش مصرف سوخت بین ۱۰% تا ۱۵% را به ارمغان آورده است. همانطور که شکل سه نشان میدهد،برای دستیابی به بهترین مصرف سوخت، این موتورها در بارهای جزئی و مخلوط هوا و سوخت بسیار رقیق با نسبتی تا ۳ کار میکنند. در بارهای زیاد یا بار کامل به منظور تامین ماکزیمم قدرت خروجی، مخلوط هوا و سوخت بصورت همگن وارد محفظه احتراق می گردد. جهت پایداری فرایند احتراق و اجتناب از تشکیل SOOT (دوده) در بار های جزئی، حالت مخلوط هوا و سوخت با حرکت کنترل شده هوای ورودی تامین می گردد. با طراحی نشان داده شده در سمت راست بالای شکل سه، مخلوط با حرکت پیچشی رو به جلو (Forward Air Tumble) در فاصله هوایی شمع پایدار میگردد. شایان ذکر است که پایداری فرآیند احتراق در موتورهای GDI، بدلیل نسبت هوا به سوخت بالا(رقیق سوز بودن)، از چالشهای اساسی این نوع موتورها می باشد. در این حالت از یک انژکتور نوع چرخشی(Swirl Type) استفاده می شود. نسل بعدی سیستمهای پاشش مستقیم که در شکل پائین سمت راست نمایش داده شده است، عملکردی شبیه به فرآیند احتراق درموتورهای دیزل خواهند داشت؛ یعنی پاشش توام با فرایند احتراق. از آنجائیکه کاتالیستهای سه راهه تنها در شرایط استوکیومتریک عمل می کنند، یک سیستم کاتالیستی DeNOxبایستی به مجموعه افزوده گردد تا کاهش آلاینده ها را در فرآیند شارژ طبقه ای، مطمئن سازد. به همین دلیل سوخت مورد استفاده نیز باید عاری از گوگرد باشد.