در دنیای خودروهای امروزی، پیشرانه‌های بنزینی و دیزلی جایگاه ویژه‌ای دارند و هریک سهم درخورتوجهی از صنعت خودروسازی را دراختیار دارند. یکی از سؤالات اصلی و البته داغ صنعت خودروسازی این است که تفاوت اصلی این دو پیشرانه چیست و هریک چه مزایا و معایبی دارند؟ برای پاسخ‌گویی به این پرسش‌ها ابتدا به تاریخچه‌ی ابداع پیشرانه‌های مذکور باید نگاهی بیندازیم.
تاریخچه
پیش از ابداع پیشرانه‌ی دیزلی، مهندس آلمانی، نیکولاس آگوست اتو، در سال ۱۸۷۶ پیشرانه‌ی درون‌سوز بنزینی را ابداع کرد. این پیشرانه‌ی چهارزمانه براساس چرخه‌ی اتو ابداع شده بود که امروزه نیز اساس عملکرد اکثر پیشرانه‌های درون‌سوز است. نمونه‌های اولیه‌ی پیشرانه‌ی درون‌سوز، درست مشابه موتورهای بخار بازدهی کمی داشتند؛ به‌طوری‌که فقط حدود ۱۰درصد از انرژی سوخت صرف به‌حرکت‌درآوردن وسیله‌ی نقلیه می‌شد و بقیه‌ی انرژی به‌صورت گرمای بی‌استفاده هدر می‌رفت.
در سال ۱۸۷۸، رودولف دیزل، مهندس و مخترع آلمانی، به دبیرستان پلی‌تکنیک آلمان راه یافت که مشابه کالج مهندسی در سایر نقاط دنیا بود. با ورود او به این مدرسه، دیزل با بازده بسیار اندک موتورهای بخار و پیشرانه‌های بنزینی آشنا شد. این اطلاعات برای دیزل آزاردهنده بود و درنهایت، او را برآن داشت تا به فکر اختراع پیشرانه‌ای نوین با بازده بیشتر بیفتد. او با صرف زمان زیاد، درنهایت در سال ۱۸۹۲ موفق به ابداع پیشرانه‌ای احتراقی شد که در آن به‌جای سوخت بنزین، از گازوئیل استفاده می‌شد. پیشرانه‌ی ابداعی دیزل بازده بیشتری داشت و درمقایسهبا پیشرانه‌های دیگر قدرت بیشتری تولید می‌کرد. بااین‌حال، به‌دلیل استفاده از سوخت گازوئیل در آن، آلودگی‌اش بیشتر بود و باتوجهبه طراحی و فشار کاری زیاد، سروصدای گوش‌خراشی تولید می‌کرد.
این مشکلات باعث شد رفته‌رفته پیشرانه‌ی دیزلی به‌عنوان قوای محرک خودروهای سنگین و کشتی‌های بزرگ و اتوبوس‌های شهری شناخته شود. باوجوداین امروزه باتوجهبه پیشرفت‌های حاصل، معضلات قبلی پیشرانه‌های دیزلی برطرف شده و حالا استفاده از آن‌ها در برخی از لوکس‌ترین خودروهای تولیدی شرکت‌های بزرگ نظیر مرسدس بنز را شاهد هستیم.
نحوه‌ی عملکرد
پیشرانه‌های بنزینی و دیزلی ازلحاظ تئوری عملکرد بسیار مشابهی دارند. هر دو از پیشرانه‌های درون‌سوز هستند که انرژی شیمیایی سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. انرژی ناشی از احتراق، پیستون‌ها را در مسیری خطی درون سیلندرها جابه‌جا می‌کند. انتهای پیستون‌ها به میل‌لنگ متصل است و حرکت رفت‌وبرگشتی آن‌ها سبب ایجاد حرکت چرخشی در میل‌لنگ می‌شود. درنهایت، حرکت دَوَرانی میل‌لنگ ازطریق مکانیزم‌های دیگر به چرخ‌های خودرو انتقال می‌یابد.
در هر دو پیشرانه، انرژی شیمیایی سوخت ازطریق انفجارهای کوچک و کنترل‌شده در محفظه‌ی سیلندر آزاد می‌شود؛ اما تفاوت اساسی دو پیشرانه نحوه‌ی ایجاد احتراق در محفظه‌ی سیلندر است. به‌طور خلاصه، در پیشرانه‌ی بنزینی سوخت و هوا در محفظه‌ی سیلندر مخلوط و به‌وسیله‌ی پیستون متراکم می‌شوند و درنهایت در بالاترین نقطه از مسیر حرکت پیستون، به‌واسطه‌ی جرقه‌ی شمع احتراق ایجاد می‌شود. بااین‌حال در پیشرانه‌ی دیزلی، ابتدا هوا متراکم می‌شود. سپس، سوخت درون محفظه‌ی سیلندر تزریق و به‌دلیل دمای زیاد هوای فشرده‌شده، مخلوط سوخت و هوا خودبه‌خود شعله‌ور می‌شود.
نسبت تراکم در پیشرانه‌های بنزینی به‌طور معمول ۹ به ۱ است؛ اما این نسبت در پیشرانه‌های دیزلی به ۲۰ به ۱ می‌رسد. این نسبت‌ها بیانگر نسبت حجم محفظه‌ی احتراق در بزرگ‌ترین گنجایش به کوچک‌ترین گنجایش است. این اعداد نشان می‌دهد در پیشرانه‌های دیزلی هوا تا حد زیادی متراکم می‌شود و فشار آن افزایش می‌یابد و درنتیجه، دمای هوا تا اندازه‌ای افزایش می‌یابد که بتواند سبب اشتعال خودبه‌خودی گازوئیل شود. تفاوت دیگر پیشرانه‌های دیزلی و بنزینی در میزان مکش هوا به داخل سیلندر است. در پیشرانه‌ی بنزینی در هر بار مکش باتوجهبه وضعیت دریچه‌ی گاز، حجم متفاوتی هوا وارد سیلندر می‌شود؛ اما در پیشرانه‌ی دیزلی همواره حجم هوای ورودی ثابت است و تنها ازطریق دریچه‌ای بازو‌بسته‌شونده کنترل می‌شود.
اجزای پیشرانه
در پیشرانه‌ی دیزلی بیشترِ اجزا با پیشرانه‌های بنزینی مشترک است و به‌طور دقیق عملکردی مشابه پیشرانه‌های بنزینی دارند. بااین‌حال باتوجهبه شرایط کاری متفاوت پیشرانه‌های دیزلی و فشارهای بسیار بیشتر، اجزای این نوع پیشرانه‌ها طوری طراحی و ساخته می‌شوند که بتوانند این وضعیت را تاب بیاورند. برای نمونه، دیواره‌های بلوک سیلندر پیشرانه‌ی دیزلی بسیار ضخیم‌تر از نمونه‌ی بنزینی است و برای تقویت آن از شبکه‌های مشبک بیشتری استفاده شده است. اگرچه تقویت دیواره‌ها و اجزا می‌تواند سبب افزایش وزن پیشرانه‌های دیزلی شود، مزیت این امر کاهش سروصدای پیشرانه است؛ چراکه این دیواره‌های ضخیم مانع از خروج بخش زیادی از صدای پیشرانه می‌شوند. علاوه‌بر آنچه ذکر شد، میل‌لنگ، میل بادامک، یاتاقان‌ها و سایر اجزای پیشرانه‌های دیزلی نیز درمقایسهبا پیشرانه‌های بنزینی توان تحمل شرایط کاری سخت‌تر را دارند.
سیستم تزریق سوخت
در هر پیشرانه‌ی درون‌سوز برای کارکرد مناسب و روان، سوخت و هوا باید به‌طور مناسب با یکدیگر مخلوط شوند. اختلاط مناسب سوخت و هوا باتوجهبه ورود غیرهم‌زمان به محفظه‌ی سیلندر، امری مشکل‌ساز است. برای حل این مشکل مهندسان تاکنون دو سیستم تزریق مستقیم و تزریق غیرمستقیم سوخت را معرفی کرده‌اند.
سیستم تزریق غیرمستقیم سوخت
به‌دلیل آنکه گازوئیل پس از تراکم هوا به محفظه‌ی سیلندر تزریق می‌شود، باید به‌نحوی آشفتگی جریان گازوئیل افزایش یابد تا اختلاط سوخت و هوا به بهترین شکل انجام شود. ساده‌ترین راه افزایش آشفتگی در گازوئیل استفاده از روش تزریق غیرمستقیم است. در این روش، گازوئیل ابتدا به محفظه‌ای کوچک و گِردی وارد می‌شود که در اصطلاح محفظه‌ی پیش‌احتراق نام دارد. شکل این محفظه به‌گونه‌ای طراحی شده که سبب آشفتگی جریان گازوئیل می‌شود تا بتواند به بهترین شکل با هوا مخلوط شود. باتوجهبه اینکه محفظه‌ی پیش‌احتراق درون سیلندر تعبیه شده، این سیستم می‌تواند فرایند احتراق را دچار مشکل کند و درنهایت، اثر منفی روی بازدهی پیشرانه بگذارد.
سیستم تزریق مستقیم سوخت
در سیستم تزریق مستقیم سوخت، گازوئیل به‌طور مستقیم به محفظه‌ی سیلندر تزریق می‌شود؛ اما برای اطمینان از اختلاط مناسب سوخت و هوا، مهندسان باید تاج پیستون را طوری طراحی کنند که بتواند آشفتگی جریان گازوئیل را تضمین کند.
کنترل سرعت و خاموش‌کردن خودرو
همان‌طورکه قبلا بیان شد، در پیشرانه‌های دیزلی میزان هوای ورودی به محفظه‌ی احتراق همواره ثابت است. به‌همین‌دلیل، برای کنترل سرعت خودرو پدال گاز به واحد کنترل‌کننده‌ی جریان سوخت متصل است که باتوجهبه میزان فشار بر پدال گاز جریان سوخت را کم‌وزیاد می‌کند. در پیشرانه‌های بنزینی برای خاموش‌کردن خودرو با چرخاندن سوئیچ خودرو، جریان الکتریکی به شمع‌ها برای جرقه‌زنی قطع می‌شود و درنتیجه، خودرو خاموش می‌شود. در پیشرانه‌های دیزلی دیگر خبری از شمع نیست و برای خاموش‌کردن خودرو باید به‌نحوی جریان سوخت به محفظه‌ی احتراق متوقف شود. ازاین‌رو، سوئیچ خودرو به شیری سلنوییدی متصل است که با چرخاندن آن جریان سوخت متوقف می‌شود.
روشن‌کردن خودرو
در پیشرانه‌های دیزلی برای روشن‌کردن خودرو، موتور الکتریکی هوا را درون محفظه‌ی سیلندر متراکم می‌کند تا با ورود سوخت عمل احتراق انجام شود. مشکل اینجاست که در شرایط آب‌وهوایی سرد، دمای هوا به‌قدری کم است که تراکم آن نمی‌تواند دمای لازم برای اشتعال خودبه‌خود گازوئیل را فراهم کند. برای حل این مشکل مهندسان درون محفظه‌ی سیلندر از المنت‌های الکتریکی استفاده می‌کنند که سبب گرم‌شدن هوای سرد می‌شوند. اکنون این سیستم درحال منسوخ‌شدن است و نسل‌های جدید پیشرانه‌های دیزلی به واحدهای کنترلی هوشمندی مجهز شده‌اند که داده‌ها را از حسگرهای تعبیه‌شده دریافت می‌کنند و باتوجهبه داده‌ها، بخش‌های مختلف خودرو را کنترل می‌کنند. در این زمینه واحد مرکزی پس از تشخیص هوای سرد، زمان تزریق سوخت به داخل سیلندر را در لحظه‌ی استارت به‌تأخیر می‌اندازد تا هوا کمی بیش از حالت نرمال متراکم شود و درنتیجه، دمای آن به‌حد مناسب اشتعال خودبه‌خودی برسد.
همچنین در فصول سرد سال، به‌دلیل گران‌رَوی زیاد گازوئیل و توانایی این سوخت برای جذب آب، احتمال یخ‌زدن آن در خطوط سوخت‌رسانی خودرو افزایش می‌یابد. به‌همین‌دلیل است که شاید شاهد بوده‌اید افرادی با استفاده از حرارت درحال گرم‌کردن بخش‌هایی از خودرو خود هستند. برای حل این مشکل مکمل‌هایی به گازوئیل افزوده می‌شود که دمای انجاد را تا منفی ۱۲ الی ۱۵ درجه‌ی سانتی‌گراد کاهش می‌دهد.
سوخت گازوئیل
سوخت استفاده‌شده در خودروهای دیزلی با بنزین تفاوت‌های زیادی دارد. اگرچه هر دو از نفت به‌دست می‌آیند، گازوئیل درمقایسهبا بنزین خواص فیزیکی متفاوتی دارد و سوخت سنگین‌تری محسوب می‌شود. همچنین، گازوئیل روغنی‌تر است و خاصیت فرّار کمتری دارد و بویش کاملا با بنزین متفاوت است. تعداد اتم‌های کربن در این سوخت بیشتر از بنزین است و معمولا با فرمول شیمیایی C14H30 شناخته می‌شود. برای تولید گازوئیل فرایند پالایش کمتری درمقایسهبا بنزین طی می‌شود و درنتیجه، سوخت ارزان‌تری است. هر لیتر گازوئیل درمقایسهبا بنزین انرژی بیشتری تولید می‌کند؛ به‌همین‌دلیل، خودروهای دیزلی با ظرفیت باک و شرایط یکسان، برد حرکتی بیشتری دارند. امروزه، اکثر وسایل حمل‌ونقل عمومی و تبادل کالاها از سوخت گازوئیل استفاده می‌کنند و همه‌ی امور به نحوی به گازوئیل وابسته است.
درکنار مزایای بی‌شمار گازوئیل، این سوخت فسیلی مانند سایر سوخت‌ها مشکلات زیست‌محیطی ایجاد می‌کند. این سوخت درمقایسهبا بنزین مقادیر بسیار کمتری مونواکسیدکربن و دی‌اکسیدکربن و سایر گازهای گلخانه‌ای تولید می‌کند؛ اما با احتراقش مقادیر زیادی ترکیبات نیتروژن و دوده وارد جوّ می‌شود که نتیجه‌ی آن بارش باران‌های اسیدی و مه‌آلودگی و بیماری‌های تنفسی است. بااین‌حال، با پیشرفت علم و استفاده از سیستم‌های نوین تزریق سوخت درکنار استفاده از فیلترها و کاتالیزورهای پیشرفته، آلودگی خودروهای دیزلی تا ۹۰درصد کاهش یافته است. همچنین، امروزه با پیشرفت‌های حاصل درزمینه‌ی پالایش نفت کیفیت گازوئیل به‌شدت افزایش یافته و در این سوخت، دیگر از عناصر خطرناک خبری نیست. افزون‌براین، مهندسان تلاش می‌کنند سوخت‌های گیاهی را جایگزین گازوئیل کنند که البته پاک‌تر از نمونه‌ی فسیلی است.