نگاهي به بهبود‌هاي پيشرانه‌ احتراق داخلي در دهه گذشته

شركت‌هاي خودروسازي سيستم‌هاي قواي محركه‌ي پيشرفته و مختلفي در محصولات خود بكار مي‌برند؛ ولي هنوز هم پيشرانه‌هاي احتراق داخلي كنار گذاشته نشده‌اند. با حركت به‌سوي كوچك‌تر كردن توربوشارژرها، بسياري از مهندسان از روش‌هاي جديدي براي كارآمدتر و قدرتمندتر كردن پيشرانه‌ها استفاده مي‌كنند. در اين مقاله، ۴ مورد از روش‌هاي نويني را كه در پيشرانه‌هاي احتراق داخلي به كار گرفته مي‌شوند، معرفي مي‌كنيم.

مزدا Skyactiv-X

مزدا اعلام كرده است كه در كنار سيستم‌هاي هيبريدي و برقي، از سال ۲۰۱۹ اولين پيشرانه‌ي اشتعال تراكمي بنزين را در محصولات خود استفاده خواهد كرد. در پيشرانه‌هاي بنزيني فعلي، تركيب هوا و بنزين با جرقه‌اي كه شمع ايجاد مي‌كند، مشتعل مي‌شود. پيشرانه‌هاي اسكاي‌اكتيو-ايكس، مي‌توانند مانند پيشرانه‌هاي ديزلي عمل كنند و هم مي‌توانند با متراكم كردن تركيب هوا و بنزين، اشتعال لازم را به وجود آوردند.

اين روش منجر به عملكرد پيشرانه در درجه‌ي حرارت پايين‌تري مي‌شود و همچنين ميزان انرژي كمتري هدر مي‌رود. تركيب رقيق‌ترِ بنزين و هوا، مصرف سوخت و آلايندگي را كاهش مي‌دهد.

اينفينيتي VC-T

اگرچه پيشرانه‌هاي توربوشارژ كامپكت در انواع آزمايش‌ها خروجي قابل توجهي گزارش كردند؛ اما اشكالي در اين زمينه وجود دارد: براي عدم اشتعال مخلوط سوخت و هوا پس از افزايش ناگهاني پدال گاز، بايد نسبت تراكم كمي در پيشرانه داشته باشيم. با اين حال در دور موتور پايين كه سيستم توربو هواي زيادي وارد سيلندرها نمي‌كند، نسبت تراكم كم منجر به كاهش عملكرد پيشرانه خواهد شد.

پيشرانه‌ي اينفينيتي VC-T توانايي تغيير نسبت تراكم دارد تا در دور موتورهاي بالا عملكرد حفظ شود و همچنين در دور موتور پايين مصرف سوختِ بهتر حاصل شود. در اين پيشرانه نسبت تراكم همراه با دور موتور تغيير مي‌كند.

زماني كه پيشرانه‌ با سرعت و دور موتور معمولي در حال كار كردن باشد، بهترين حالت كارايي، با نسبت تراكم ۱۴ به ۱ فعال مي‌شود؛ در اين حالت، خطرِ ناك زدن (Knock) به پايين‌ترين حد خود مي‌رسد. اما در صورت افزايش دور موتور، توربوشارژر مقدار زيادي هوا به داخل سيلندرها مي‌فرستند كه خطرِ پديده‌ي ناك را افزايش مي‌دهد. به همين دليل برخي خودروها مانند سوبارو WRX با نسبت تراكم پايين كار مي‌كنند.

پيشرانه VC-T اينفينيتي قادر است در دور موتورهاي بالا نسبت تراكم را پايين نگه دارد و خطر اشتعال قبل از جرقه‌زني شمع‌ها را كاهش دهد. عملكرد اين سيستم مبتني بر استفاده از يك بازوي محرك است كه زاويه‌ي مولتي لينكِ (Multi-link) اطراف ميل‌سوپاپ را دست‌كاري مي‌كند. اين كار باعث مي‌شود نقطه‌ي پاييني ضربه پيستون بدون حركت ميل‌لنگ يا سرسيلندر حركت كند و بالا يا پايين‌تر برود.

طبق ادعاي مديران اينفينيتي، اين فناوري مصرف سوخت را تا ۲۷ درصد بهبود مي‌دهد؛ وزن اين پيشرانه در مقايسه با پيشرانه‌هاي ۴ سيلندرِ فعلي اينفينيتي، فقط ۱۰ كيلوگرم بيشتر است.

پيشرانه‌ي بدون ميل‌سوپاپ كوروس

در بيشتر پيشرانه‌ها، بادامك‌هاي ميل‌سوپاپ، انگشتي سوپاپ را حركت مي‌دهند كه باعث باز  و بسته شدن سوپاپ‌ها مي‌شود. در اين فرآيند، سوپاپ‌ها بايد هميشه مقداري باز يا مقداري بسته باشند تا سيستم كار كند؛ به همين دليل سيستم هميشه نمي‌تواند بازدهي مطلوب داشته باشد.

كوينيگزگ يكي از شركت‌هايي است كه با شركت فري‌ولو (FreeValve) همكاري مي‌كند تا پيشرانه‌هاي بدون ميل‌سوپاپ را توسعه دهد. محرك‌هاي پنوماتيك-هيدروليك-برقي در پيشرانه‌ي كمَ‌فِري، كنترل بيشتري بر سوپاپ‌هاي ورودي و خروجي دارند و مصرف سوخت را  ۱۲ تا ۱۷ درصد كاهش مي‌دهند.

اين فناوري به شركت‌هاي خودروسازي اجازه مي‌دهد قدرت بيشتري از يك پيشرانه‌ي كوچك بگيرند كه با استانداردهاي آلايندگي اروپا و چين نيز همخواني دارد.

پيشرانه‌ي كوروس Q3 با حجم ۱.۶ ليتر و مجهز به توربوشارژ، ۲۳۰ اسب بخار و ۳۲۰ نيوتن‌متر گشتاور توليد مي‌كند. طبق گفته‌ي مسئولين كوروس، در مقايسه با پيشرانه‌هاي ميل‌سوپاپ‌دار با همين مشخصات، اين پيشرانه ۴۷ درصد توان بيشتر و ۱۵ درصد كاهش در مصرف سوخت به همراه دارد.

تغييرات كلي در پيشرانه‌هاي احتراق داخلي

 مدل جديد آئودي A4، سبك‌تر و آيروديناميك‌تر شده است؛ ولي فقط اين دو مورد در كاهش مصرف سوخت آن مؤثر نبودند. اين خودرو يك پيشرانه ۴ سيلندرِ ۲ ليتري دارد كه با استفاده از روش جديد احتراق داخلي، كارآمدترين پيشرانه‌ي جهان در اين كلاس شده است.

طبق اعلام رسمي آئودي، روش جديد احتراق داخلي به چرخه ميلر شباهت‌هايي دارد. در چرخه‌ي ميلر، سوپاپ ورودي در زمان تراكم باز مي‌ماند و باعث مي‌شود فشارِ تراكم به‌جاي ديواره‌ي سيلندر، به سوپرشارژر وارد شود كه حدوداً ۱۵ درصد بازدهي بهتري به دست مي‌دهد.

آئودي با كاهش زاويه لنگ از ۲۰۰ به ۱۴۰ درجه، مقدار زمان ورودي (مكش) را كمتر كرده است؛ با اين حال به لطف فشار بوست بيشتر، پيشرانه باز هم به مقدار مطلوب از تركيب هوا و بنزين مي‌رسد. در روش جديد، سوپاپ ورودي زودتر بسته مي‌شود تا دستيابي به نسبت تراكم بالا مطلوب را ممكن كند. در نتيجه، پيشرانه‌ي توربوشارژ ۴ سيلندر، با مصرف ۵ ليتر بنزين در ۱۰۰ كيلومتر، ۱۹۰ اسب بخار قدرت و ۳۲۰ نيوتن‌متر گشتاور توليد مي‌كند.

تويوتا نيز روشي در پيشرانه‌ي ياريس به كار برده است كه بر اساس سرعت و دور موتور، پيشرانه بين چرخه‌هاي اتكينسون و اوتو سويچ مي‌كند. در سرعت معمولي، ECU  دستور رفتن به حالت چرخه اتكينسون را مي‌دهد. در چرخه‌ي اتكينسون، سوپاپ ورودي تا لحظه‌اي كه پيستون ۲۰ تا ۳۰ درصد به بالا حركت كرده است، باز مي‌ماند. در اين فرآيند توان، قرباني كارايي كلي مي‌شود.

با سرعت گرفتن بيشتر و بالا رفتن دور موتور، سيستم به چرخه اوتو سويچ مي‌كند. چرخه اوتو همان سيستمي است كه در بيشتر پيشرانه‌هاي احتراق داخلي جرقه‌اي استفاده مي‌شود. اين پيشرانه نسبت تراكم بالاي ۱۳.۵:۱ دارد و سيستم خنك‌كننده بهتر نيز كمك مي‌كند تا حرارت پايين‌تر بماند و از ناك زدن با اين نسبت تراكم بالا جلوگيري شود.

در ياريس جديد با اين پيشرانه در مقايسه با مدل‌هاي قبلي، ۲۷ اسب بخار قدرت و ۱۵ نيوتن‌متر گشتاور بيشتر شده و مصرف سوخت نيز ۱۲ درصد كاهش يافته است.

تغييرات جزئي در پيشرانه‌هاي احتراق داخلي

امروزه حتي پيشرانه‌هاي معمولي هم تغييراتي داشته‌اند تا مصرف سوخت را به حداقل مقدار ممكن برسانند. مرسدس بنز و آئودي در پيشرانه‌هاي ديزل خود از روشي ويژه براي كاهش سايش در سيلندر استفاده مي‌كنند. حتي پيشرانه‌هاي ۳ سيلندر فورد  روش غير فعال‌سازي سيلندر را به كار گرفته‌اند تا در صورت عدم نياز به توان بالا، با غير فعال‌ كردن برخي از سيلندرها از مصرف بيش از حد سوخت جلوگيري شود.

البته اگر طرفدار پيشرانه‌هاي احتراق داخلي نيستيد، مدل‌هاي بسياري از موتورهاي برقي روزبه‌روز در حال توسعه هستند و البته خودروهاي هيدروژني نيز هميشه حرفي براي گفتن دارند.