دلایل کاهش حجم موتورها چیست؟
در حال حاضر، یکی از مهمترین گرایشهای مهندسی در صنعت خودرو، حرکت به سمت موتورهای کمحجم با توربوشارژر است که بهعنوان Downsizing شناخته میشود. این تغییر نه تنها در خودروهای اقتصادی، بلکه در خودروهای لوکس و پرقدرت نیز مشاهده میشود و موضوعات مرتبط با آن، از جمله تأثیرات زیستمحیطی، جایگزینهای ممکن و منطق صنعت، مورد بررسی و تحلیل بسیاری از مهندسان و تحلیلگران قرار گرفته است. در این مقاله، به برخی از پرسشهایی که در زمینه کاهش حجم موتور از سوی مخاطبان روزنامه «دنیای خودرو» مطرح شده، پاسخ داده خواهد شد.
چرا صنعت خودرو به سمت موتورهای کمحجم و دارای توربوشارژ رفت؟
با توجه به الزامات مقرراتی و محیطزیستی در سالهای اخیر، قوانین سختگیرانهای برای مصرف سوخت و انتشار آلایندهها در بسیاری از بازارهای جهانی وضع شده است. این قوانین موجب شدهاند که سازندگان خودرو به دنبال راهکارهایی برای کاهش مصرف سوخت و انتشار CO2 باشند. در این راستا، یکی از مؤثرترین راهکارها، کاهش حجم موتور به همراه استفاده از توربوشارژر است؛ زیرا این امکان را فراهم میکند که قدرت خروجی حفظ یا حتی افزایش یابد در حالی که جابهجایی موتور کاهش مییابد. نکته مهمتر این است که Downsizing به معنای جایگزینی موتورهای بزرگتر با موتوری کوچکتر است که با کمک توربوشارژر میتواند توان و گشتاور مشابهی ارائه دهد. این تکنیک باعث میشود موتور در کارکرد روزمره در بارهای پایینتر کار کند، جایی که مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانهای کمتر است.
افزایش چگالی توان یا «Power Density»
توربوشارژر با فشردهسازی هوای ورودی، مقدار بیشتری هوا را وارد سیلندر میکند و این امر موجب میشود مقدار بیشتری سوخت بسوزد و قدرت بیشتری تولید شود. به عبارتی، یک موتور کوچک با توربو قادر است قدرت یک موتور بزرگتر بدون توربو را بهطور کامل تولید کند؛ اما با مصرف سوخت کمتر و وزن سبکتر.
کاهش وزن و هزینه تولید
کاهش اندازه موتور به معنای کاهش وزن و حجم کل خودرو است که بهبودهای بیشتری در مصرف سوخت و هندلینگ خودرو به همراه دارد. همچنین این امر امکان استانداردسازی قطعات و مهندسی تولید را فراهم میکند؛ زیرا یک خانواده موتوری کوچک میتواند در نسخههای مختلف برای خودروهای متفاوت مورد استفاده قرار گیرد.
آیا با کاهش حجم موتور، آلودگی هوا همانطور که گفته شده کاهش یافته است؟
کاهش حجم موتور با توربوشارژ و بهرهبرداری بهینه از مزایای آن میتواند منجر به کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش انتشار CO2 شود. سازمان حفاظت محیطزیست آمریکا (EPA) در مطالعات خود اعلام کرده است که استفاده از موتورهای توربوشارژ میتواند کاهش بین ۵ تا ۷ درصد در CO2 تولیدی نسبت به موتورهای بزرگتر ایجاد کند.
تفاوت بین نتایج آزمایشگاهی و دنیای واقعی
با این حال، مطالعات مهندسی نشان دادهاند که در شرایط واقعی رانندگی، این کاهش انتشار همیشه به میزان ثبتشده در استانداردهای آزمایشگاهی قابل مشاهده نیست. دلایل این امر شامل سبک رانندگی، وزن خودرو، سیستم انتقال قدرت و واقعیتهای عملکردی موتور در شرایط غیرآزمایشگاهی است.
در برخی موارد، مصرف سوخت و آلایندگی موتورهای کوچک توربوشارژ بهدلیل طراحی برای توان خروجی بالا، بهویژه در شرایط شتابگیری شدید، ممکن است حتی بیشتر از موتورهای بزرگتر باشد؛ زیرا برای تولید قدرت بیشتر از حداکثر توان طراحی، استفاده از توربو باعث افزایش مصرف سوخت میشود.
انتشار آلایندههای غیر CO₂
موتورهای کوچک توربوشارژ ممکن است در برخی شرایط ذرات معلق، NOX (نیترواکسیدهای نسوخته) و آلایندههای دیگر را در سطوح متفاوتی نسبت به موتورهای بزرگتر آزاد کنند. دلیل این امر طراحیهای پیچیدهتر احتراق و فشارهای بالاتر سیکلهای کاری است که میتواند منجر به تشکیل آلایندههای مختلف شود. این موضوع بهویژه در موتورها با سیستمهای پاشش مستقیم سوخت برجستهتر است و نشان میدهد مقایسه صرفاً بر اساس حجم موتور نمیتواند بهتنهایی نشاندهنده کاهش قطعی آلودگی هوا باشد.
آیا راه دیگری جز نصب توربوشارژ برای موتورهای کمحجم وجود ندارد؟
توربوشارژ تنها راه ممکن برای بهبود کارایی موتورها نیست؛ اما در عمل یکی از مؤثرترین و رایجترین روشها محسوب میشود. در ادامه به روشهای دیگر میپردازیم:
۱) سوپرشارژر Supercharging
سوپرشارژرها نیز مشابه توربوشارژر عمل میکنند و هوا را به سیلندرها تزریق میکنند؛ اما انرژی لازم برای فشردهسازی هوا از میللنگ تأمین میشود. این روش میتواند در برخی کاربردها مزایایی داشته باشد؛ مانند پاسخدهی بهتر در دور پایین موتور. اما بهدلیل افزایش بار مکانیکی روی موتور، کارایی سوختی کمتری نسبت به توربوشارژر دارد.
۲) ارتقای بهرهوری احتراق
روشهایی مانند پاشش مستقیم سوخت با فشار بالا GDI، زمانبندی متغیر سوپاپ و چرخههای اتکینسون و میلر میتوانند به بهبود بازده سوختی موتور کمک کنند. برای مثال، فناوری MultiAir فیات باعث کاهش اتلاف انرژی و بهبود احتراق میشود که میتواند بدون نیاز به توربو تا حد زیادی مصرف سوخت را پایین بیاورد.
۳) استفاده از سیستمهای هیبریدی
ادغام موتورهای احتراق داخلی با موتورهای الکتریکی در سیستمهای هیبریدی میتواند نیاز به حجم بالای موتور را کاهش دهد؛ زیرا موتور الکتریکی در بارهای پایین کار رانندگی را برعهده میگیرد و کمک میکند که موتور احتراق داخلی در نقاط بهینه کار کند. این رویکرد در بسیاری از خودروهای امروزی دیده میشود.
۴) کاهش وزن و مدیریت بهتر انرژی
روشهای مهندسی مانند استفاده از مواد سبکتر، بهینهسازی آیرودینامیک و سیستم مدیریت انرژی میتوانند بهطور مستقل تأثیرات مثبتی بر مصرف سوخت و انتشار آلایندهها داشته باشند؛ بدون اینکه صد در صد نیاز به توربوشارژ باشد.
۵) استفاده از موتورهای الکتریکی تنها
در سطح وسیعتر، فناوریهای الکتریکی و پیلسوختی جایگزینی برای موتورهای احتراق داخلی ارائه میدهند؛ اما در حال حاضر در بخش بزرگی از بازار هنوز این فناوریها به دلایل زیر بهطور کامل جایگزین نشدهاند:
– زیرساخت شارژ گسترده نشده است؛
– هزینه تولید باتری همچنان بالا است؛
– بعضی بازارها به دلایل اقتصادی و فرهنگی دارای تقاضای بالای خودروهای احتراق داخلی هستند.
چرا راه دیگری جز کاهش حجم موتور نیست؟
۱- مقررات جهانی و واقعیتهای بازار؛
بسیاری از دولتها در سراسر دنیا مقررات سختگیرانهای برای انتشار آلایندهها و مصرف سوخت وضع کردهاند. این مقررات بهگونهای طراحی شدهاند که سازندگان خودرو را بهسمت کاهش مصرف سوخت و انتشار نیرو میبرند. در چنین شرایطی، Downsizing یکی از مقرونبهصرفهترین راهکارها برای رسیدن به اهداف قانونی است؛ زیرا میتواند بدون نیاز به تغییرات بنیادی در زنجیره تأمین، بهبود قابل ملاحظهای در کارایی ایجاد کند.
۲- هزینه و پیچیدگی جایگزینها
اگرچه روشهایی نظیر هیبریدسازی، پیلسوختی یا الکتریکی کردن کامل خودروها وجود دارد، اما این روشها در درجه نخست هزینه توسعه و تولید بسیار بالاتری دارند و همچنین نیازمند زیرساختهای کامل جهانی هستند.
در عین حال، خودروها در عمر خود با برخی چالشها از جمله دوام باتری مواجه هستند و موارد یادشده بهطور کلی سبب شدهاند در کوتاهمدت نتوانند بهاندازه Downsizing کارآمد باشند.
تقاضای مصرفکننده
در بسیاری از بازارها، مصرفکننده هنوز خواهان قدرت و تجربه رانندگی مشابه با موتورهای بزرگ است؛ Downsizing با استفاده از توربوشارژ سعی میکند این خواسته را برآورده کند؛ در حالی که مصرف سوخت را بهینه میکند.
آیا در طراحی و تولید موتورهای بنزینی همچنان باید کاهش حجم مد نظر خودروسازان باشد؟
پاسخ کوتاه این است: بله؛ در کوتاه تا میانمدت این روند ادامه خواهد یافت؛ اما همراه با تکامل فناوری. حرکت به سمت موتورهای کوچکتر و بهکارگیری روشهای ترکیبی (ترکیب Downsizing، توربوشارژ، سیستمهای هیبریدی و مکانیزمهای نوین احتراق) بهعنوان راه اصلی بهینهسازی ICE تا زمانی که پایان کامل دوران موتورهای احتراق داخلی فرا برسد، ادامه مییابد. ناگفته نماند که در آینده و اکنون نیز مدلهای هیبریدی و پلاگین-هیبریدی در حال توسعه هستند و از پیشرانههای پرخوران توربوشارژ بهره خواهند گرفت.
نقش توربوشارژ در آینده
توربوشارژ هنوز یکی از مؤثرترین روشها برای استفاده بهینه از موتورهای بنزینی است؛ زیرا در اکثر گونههای خودرو قابل اعمال است. یعنی ساختار پیچیده اما قابل اعتمادی دارد که میتواند همراه با تکنیکهای پیشرفتهتر مانند توربوشارژ الکتریکی یا توربو دو مرحلهای بهبود یابد.
رقابت با فناوریهای نوین
در حالی که خودروهای هیبریدی و الکتریکی بخش بزرگی از بازار را به خود اختصاص دادهاند، هنوز سراسری شدن این فناوریها زمانبر است. بنابراین موتورهای کمحجم توربو تا زمانی که شبکه و زیرساخت خودروهای الکتریکی تکامل یابد، هزینههای ساخت و نگهداری کاهش یابد و تقاضای جهانی بهصورت کامل تغییر پیدا کند، بخشی از بازار را تشکیل خواهند داد.
