نگاه نزدیک به پیشرانه انقلابی مزدا اسکای اکتیو

شرکت مزدا در حال توسعه‌ی نسل بعدی پیشرانه‌های خود با نام اسکای‌اکتیو-ایکس است. در حال حاضر نمونه‌های اولیه از این پیشرانه روی چند دستگاه مزدا 3 نصب شده و این شرکت در حال آزمایش این پیشرانه‌ها در جاده‌های عمومی است. در صورت موفقیت این پروژه، اسکای‌اکتیو-ایکس اولین پیشرانه‌ی احتراق-تراکمی با سوخت بنزین خواهد بود. با اینکه مزدا همچنان در حال توسعه‌ی این تکنولوژی است؛ اما نتایج حاصل از آزمایشات به حدی قابل قبول بوده که این خودروساز ژاپنی اجازه‌ی تست این پیشرانه‌ها را به خبرنگاران وب‌سایت motor1 داده است.

مزدا در جهت کاهش تولید آلاینده‌ها و بهبود مصرف سوخت محصولاتش، شروع به توسعه‌ی پیشرانه‌های اسکای‌اکتیو کرد. در حال حاضر دو خانواده از سری پیشرانه‌های اسکای‌اکتیو با پسوند G و D موجود است که به‌ترتیب مربوط به پیشرانه‌های بنزینی و دیزلی است. نمونه‌ی ۲ لیتری سری ایکس که قرار است نسل بعدی پیشرانه‌های اسکای‌اکتیو باشد، نسبت به سری G با حجم مشابه ۲۰ الی ۳۰ درصد مصرف سوخت کم‌تری دارد و ۱۰ الی ۲۰ درصد گشتاور بیش‌تری تولید می‌کند. اگر آمار و ارقام ارائه شده برای شما ملموس نیست، باید بدانید که یک مزدا 3 هاچ‌بک مجهز به جعبه‌دنده‌ی اتوماتیک به پیشرانه‌ای با ۱۵۵ اسب بخار قدرت و ۲۰۳ نیوتن متر گشتاور مجهز است و بر اساس آمار رسمی، مصرف سوخت این خودرو در شهر حدود ۸.۳ لیتر و در جاده حدود ۶.۳ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر است. گشتاور همین خودرو با مجهز شدن به پیشرانه‌ی اسکای‌اکتیو-ایکس به ۲۴۴ نیوتن متر و مصرف سوخت آن در شهر و جاده به‌ترتیب به ۶.۵ و ۴.۹ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر می‌رسد. البته ارقام ارائه‌شده تخمینی هستند و احتمالا مدتی طول می‌کشد تا آمار رسمی از سوی مزدا اعلام شود.

اسکای‌اکتیو-ایکس با بهره‌گیری از مزایای پیشرانه‌های دیزلی که سال‌ها است مورد استفاده قرار می‌گیرند، پیشرانه‌های بنزین‌سوز را به دوره‌ی جدیدی از تکنولوژی وارد خواهد کرد. پیشرانه‌های بنزینی معمولی با ایجاد جرقه در مخلوط هوا و سوخت، سبب افزایش ناگهانی حجم مخلوط می‌شوند. این افزایش حجم ناگهانی در فضای کنترل‌شده‌ی سیلندر باعث می‌شود که پیستون به سمت پایین حرکت کند. در اسکای‌اکتیو این چرخه اندکی متفاوت است. درست همانند پیشرانه‌های دیزلی، مخلوطی بسیار اندک از سوخت و هوا وارد محفظه‌ی سیلندر و تا حدی متراکم می‌شود که خودبه‌خود مشتعل شود. به گفته‌ی مهندسان مزدا، این سیستم سبب افزایش قدرت تولیدی اسکای‌اکتیو-ایکس و کاهش حرارت تلف‌شده و سوخت مصرفی می‌شود. اگرچه مفهوم این سیستم ساده به‌ نظر می‌رسد؛ اما تاکنون هیچ خودروسازی قادر به تولید چنین پیشرانه‌ی بنزینی نبوده است.

از لحاظ فنی، در سیستم اشتعال تراکمی در هر چرخه‌ی تراکم و احتراق قدرت بیش‌تری در مدت زمان کوتاه‌تر تولید می‌شود و دلیل این موضوع انفجار شدید‌تر در مقایسه با سیستم جرقه‌زن است. جی چن، مهندس تحقیق و توسعه‌ی مزدا، این سیستم را به بادکنکی تشبیه کرده که به‌جای خروج هوا از گلویش، می‌ترکد و در کسری از ثانیه تمام هوایش تخلیه می‌شود.

پیشرانه‌ی آزمایشی موجود از نوع چهار سیلندر خطی و حجم ۲ لیتر است که به یک سوپرشارژر، سیستم خنک‌کننده‌ی گازهای احتراق و سیستم کنترل الکترونیکی زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها مجهز است. نسبت تراکم این پیشرانه ۱۶ به ۱ است که برای یک خودروی بنزین‌سوز عادی بسیار زیاد است و در مقایسه با دیگر سیستم‌های تزریق مستقیم سوخت، فشار بالاتری دارد.برخلاف سایر سیستم‌های تزریق مستقیم سوخت، در این پیشرانه سوپاپ‌های سوخت در مرکز سرسیلندر تعبیه شده‌اند و شمع پیشرانه در کناره‌ها قرار گرفته است.

بر اساس اعلام مزدا، در اکثر اوقات این پیشرانه در حالتی به اسم جرقه‌زنی کنترل‌شده و احتراق تراکمی (به اختصار SPCCI) عمل می‌کند. ابتدا میزان بسیار کمی از مخلوط سوخت و هوا (نسبت هوا به سوخت بسیار زیاد است) وارد محفظه‌ی سیلندر می‌شود، سپس با توجه به فرم خاص پیستون، مخلوط سوخت و هوا درون محفظه‌ی احتراق می‌چرخد. در همین حین سوپرشارژر خودرو در صورت نیاز، هوای اضافه را وارد محفظه می‌کند تا نسبت هوا به سوخت افزایش یابد و مخلوط رقیق‌تری حاصل شود. در مرحله‌ی بعد، زمانی که پیستون دقیقا به نقطه‌ی مرگ بالایی (بالاترین نقطه در مسیر حرکت پیستون) می‌رسد، مخلوط سوخت و هوا در آستانه‌ی اشتعال خودبه‌خود قرار می‌گیرد. دقیقا در همین لحظه، مقدار بسیار اندکی از سوخت به داخل محفظه‌ی سیلندر اسپری و بلافاصله توسط شمع مشتعل می‌شود. این انفجار کوچک سبب می‌شود مخلوط اصلی سوخت و هوا که در آستانه‌ی اشتعال خودبه‌خودی قرار داشت، به شدت منفجر شود و در کسری از ثانیه قدرت زیادی تولید می‌شود.

در حقیقت نوآوری مزدا در استفاده از یک شمع برای ایجاد انفجار اولیه و تسریع در ایجاد حالت اشتعال تراکمی است. بنا به نظر مهندسان، در صورت عدم استفاده از این سیستم، زمان‌بندی دقیق حالت اشتعال تراکمی بسیار مشکل خواهد بود. برای کنترل لحظه به لحظه‌ی این فرآیند، مزدا از سنسورهای فشار تعبیه‌شده در هر سیلندر کمک گرفته است. این سنسورها در هر مرحله اطلاعاتی را به کامپیوتر خودرو ارسال می‌کنند و بر اساس ادعای چن، در حال حاضر تنها پردازش‌گرهای مورد استفاده‌ی این کمپانی سرعت کافی برای کنترل لحظه به لحظه‌ی این فرآیند را دارند. در ادامه می‌توانید ویدئوی نحوه‌ی عملکرد این پیشرانه را تماشا کنید:

از دیگر قابلیت‌های پیشرانه‌ی اسکای‌اکتیو-ایکس توانایی تبدیل شدن به پیشرانه‌های احتراقی معمولی است. در مواقعی که گشتاور بالا مورد نیاز است، این پیشرانه به‌طور خودکار از فرآیند جرقه‌زنی معمولی برای پاسخ‌گویی به نیاز شما استفاده خواهد کرد و فرآیند احتراق تراکمی از کار می‌افتد. مهندسان مزدا با اشاره به این‌که شمع خودرو در هر دو فرآیند عمل جرقه‌زنی را انجام می‌دهد، تغییر فرآیند احتراق از حالت معمولی به احتراق تراکمی و برعکس تقریبا بدون اطلاع سرنشینان انجام می‌پذیرد.

رضایت مزدا از عملکرد این پیشرانه به حدی بالا است که اجازه‌ی آزمایش این پیشرانه را در مسیرهای عمومی و با ترافیک معمولی به خبرنگاران داده است. خودروهای مورد آزمایش از نوع مزدا 3 هاچ‌بک و به جعبه‌دنده‌ی ۶ سرعته‌ی اتوماتیک و دستی مجهز بوده‌اند. با توجه به این‌که این پروژه هنوز در مرحله‌ی آزمایش است، بعضی از لوازم داخل خودرو مانند سیستم پخش و کنسول مرکزی نصب نشده‌اند. روی نمایش‌گر خودرو چراغ‌های هشدار زیادی روشن است و یک آیپد وضعیت استفاده‌ی خودرو از حالت احتراق تراکمی یا معمولی را نشان می‌دهد.

نکته‌ی بسیار تأثیرگذار این آزمایش، عملکرد کاملا عادی پیشرانه است. اسکای‌اکتیو-ایکس به‌خوبی به پدال گاز پاسخ می‌دهد و در دور موتورهای مختلف گشتاور و قدرت قابل قبولی تولید می‌کند. در طول مدت انجام آزمایش، مشخص شد که در اکثر مواقع هیچ تفاوتی میان این پیشرانه و پیشرانه‌های معمولی حس نمی‌شود. به‌طور کاملا محسوسی خودروهای آزمایشی از نمونه‌های استاندارد مزدا 3 سریع‌ترند و صدای پیشرانه در هنگام شتاب‌گیری تقریبا مشابه نمونه‌های استاندارد است. برخلاف انتظار، در حالت کارکرد درجا خبری از لرزش‌ ناخوشایند مورد انتظار از بعضی پیشرانه‌های تزریق مستقیم و دیزلی، نیست و عملکرد اسکای‌اکتیو-ایکس کاملا راضی‌کننده است.

با وجود تمام موارد مثبت، پیشرانه‌ی جدید مزدا در مواقع خاصی صدای بلندی تولید می‌کند. این صدا که به‌دلیل فرآیند احتراق اولیه تولید می‌شود، هنگام فشردن ناگهانی پدال گاز و یا بالا رفتن از یک سربالایی با شیب تند شنیده می‌شود. به گفته‌ی مهندس مزدا، دلیل این امر ضعف در تعیین فرآیند مورد نیاز پیشرانه برای انتقال از حالت SPCCI به احتراقی و برعکس است.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، این پیشرانه هنوز در مرحله‌ی آزمایش قرار دارد و مزدا قول داده است که تمامی مشکلات احتمالی را قبل از تولید نهایی برطرف کند. دیو کلمن، مدیر بخش مهندسی دینامیک خودرو مزدا، می‌گوید:

برای حل مشکل صدای کوبش ایجادشده در فرآیند احتراق تراکمی، باید بهبودهای نرم‌افزاری صورت بگیرد تا در نتیجه‌ی آن احتمال بروز صدای کوبش به حداقل برسد. مشکل این است که پیشرانه‌ی جدید استراتژی‌های کنترلی بی‌شماری دارد و مهندسان ما همچنان در پی یافتن بهترین راه‌ها برای ترکیب این استراتژی‌ها هستند. هنوز درحال یافتن بهینه‌ترین حالت برای عملکرد پیشرانه هستیم و در حال حاضر با یک معادله‌ی چند مجهوله‌ی بسیار بزرگ سروکار داریم.

تغییرات خودروهای مورد آزمایش محدود به پیشرانه‌ی آن‌ها نیست، در قسمت‌های دیگر نیز بهبوهایی صورت گرفته است که در نسل‌های بعدی مدل‌های اسکای‌اکتیو اعمال می‌شوند. برای نمونه، بوشینگ‌های سیستم تعلیق جلو بازطراحی شده‌اند تا اجازه‌ی حرکت چرخ‌ها به عقب و جلو محدودتر از گذشته شود. به گفته‌ی مهندسان مزدا، این تغییر سبب راحتی بیش‌تر کابین هنگام مواجهه با دست‌اندازها می‌شود. صندلی‌های خودرو به‌کلی بازطراحی شده‌اند تا به‌طور طبیعی‌تری از ستون فقرات راننده حمایت کنند و در نتیجه خستگی راننده را کاهش دهند. شاسی خودرو به‌کلی تقویت شده است و بخش‌های میراگر بیش‌تری به خودرو افزوده شده تا لرزش‌های اضافه را دفع کنند.

اگرچه تعیین میزان تأثیر تغییرات اعمال‌شده مشکل است؛ اما افرادی که پشت فرمان خودروهای آزمایشی نشسته‌اند، کنترل آن را دلنشین و سواری آن را قابل اعتماد توصیف کرده‌اند. به بیان بهتر، نسل آینده‌ی این خودروها درست همانند نسل فعلی فرمان‌پذیری طبیعی و حس و حال چابک خواهد داشت. با این‌که رقبا به استفاده از جعبه‌دنده‌های ۸،۹ و ۱۰ سرعته یا حتی CVT روی آورده‌اند، در کمال تعجب، مزدا همچنان از مدل‌های ۶ سرعته در محصولاتش استفاده می‌کند. کلمن در توضیح دلیل این کار گفته است:

به دلیل عملکرد مناسب و مصرف سوخت پایین پیشرانه‌ی SPCCI در شرایط کاری عادی، بالا رفتن دور موتور سبب افزایش مصرف سوخت نمی‌شود و به همین دلیل الزامی برای استفاده از جعبه‌دنده‌ی ۸ سرعته و بالاتر وجود ندارد.

کلمن معتقد است کاراکتر رانندگی سرگرم‌کننده‌ی مزدا با وجود تعداد دنده‌های کم‌تر و دور موتور بالاتر حفظ می‌شود و با فشردن پدال گاز پیشرانه به سرعت پاسخ‌گو خواهد بود و دیگر نیازی نیست که گاه و بی‌گاه با تعویض دنده قدرت پیشرانه را حس کنید. کلمن در این‌باره می‌گوید:

ما تلاش می‌کنیم که تا حد امکان تعداد دنده‌ها کم باشد و سرنشینان به‌طور مستقیم قدرت پیشرانه را حس کنند.

یکی از مشکلات پیشرانه‌ی جدید مزدا، سروصدای زیاد آن هنگام روشن شدن است. به دلیل ماهیت انفجاری سیستم احتراق تراکمی و استفاده از سیستم سوخت‌رسانی فشار بالا، این پیشرانه هنگام روشن شدن صدای زیادی ایجاد می‌کند. کلمن در مورد سر و صدای این پیشرانه گفته است:

سه فاکتور صدا، لرزش و سختی بسیار چالش‌برانگیز هستند. ما مجبور بودیم برای کاهش صدای تولیدی پیشرانه‌ی اسکای‌اکتیو-ایکس آن را درون یک محفظه قرار دهیم. ما از روش خودروسازان لوکس اروپایی برای کاهش صدای پیشرانه‌های دیزلیشان الهام گرفته‌ایم.

این خودروساز ژاپنی از یک فوم مخصوص برای پوشاندن پیشرانه استفاده کرده است و کل مجموعه را درون یک پوشش پلاستیکی قرار داده تا صدای تولیدی به حداقل برسد.

برای تحمل انفجارهای شدید درون محفظه‌ی نیاز است تا قطعات پیشرانه‌ی جدید تقویت شوند. این موضوع باعث شده است مزدا از استانداردهای موجود در پیشرانه‌های دیزلی‌اش استفاده کند. به همین دلیل، قطعات این پیشرانه‌ی دو لیتری هیچ وجه اشتراکی با پیشرانه‌های سری اسکای‌اکتیو-جی ندارد. به گفته‌ی کلمن، خیلی از قطعات بین استانداردهای خودروهای بنزینی و دیزلی قرار می‌گیرند. هزینه‌ی ساخت این پیشرانه نسبت به پیشرانه‌های معمولی بیش‌تر است؛ اما همچنان از سیستم‌های هیبریدی ارزان‌تر تمام می‌شود. اگرچه وزن این پیشرانه نسبت به مدل اسکای‌اکتیو-جی سنگین‌تر است؛ اما نسبت به پیشرانه‌های دیزلی وزن کم‌تری دارد. تغییرات مزدا روی شاسی سبب افزایش وزن آن شده که این موضوع با سنت دیرینه‌ی مزدا، یعنی کاهش وزن حداکثری در تناقض است. کلمن در توضیح این تصمیم گفته است:

ما هنوز هم روی کاهش وزن تمرکز داریم؛ اما تمرکز ما عملکردگرایانه است.

مزدا از یک سیستم نیمه هیبریدی نیز در این پیشرانه استفاده کرده است. این سیستم شبیه تکنولوژی‌های به کار رفته در خودروهای آئودی A8، رم 1500 و جیپ رانگلر است. با این‌که مزدا جزئیات زیادی از این سیستم فاش نکرده است، اعلام کرده که این سیستم جهت کمک به سیستم روشن/خاموش پیشرانه در شرایط گوناگون طراحی شده است. این سیستم روی خودروهای آزمایشی در دسترس نبود؛ اما یکی از تکنولوژی‌های مهم محصولات آینده‌ی مزدا خواهد بود. به گفته‌ی چن، تمام پیشرانه‌های اسکای‌اکتیو آینده به این تکنولوژی مجهز خواهند بود.

سرمایه‌گذاری‌های مزدا محدود به این پروژه نیست و این خودروساز ژاپنی درست مانند اکثر خودروسازان دیگر برنامه‌هایی برای تولید خودروهای الکتریکی و هیبریدی دارد. بر اساس برنامه‌ریزی مزدا، این شرکت در سال ۲۰۲۰ یک مدل الکتریکی و در سال ۲۰۲۱ یک مدل پلاگین هیبریدی عرضه خواهد کرد. مزدا معتقد است بهبود پیشرانه‌های بنزینی برای استفاده در خودروهای هیبریدی حیاتی است و باید از بهینه‌ترین پیشرانه‌های بنزینی در خودروهای هیبریدی استفاده شود. با پیروی از این استراتژی می‌توان اسکای‌اکتیو-ایکس را سنگ بنای مدل‌های هیبریدی آینده‌ی مزدا دانست. مزدا هنوز مشخص نکرده است که شاسی و پیشرانه‌ی جدید در کدام مدل تولیدی این شرکت به کار گرفته خواهد شد؛ اما به‌طور حتم، این تغییرات در یک مدل کاملا جدید عرضه خواهند شد. طبق گفته‌ی کلمن، مزدا از این تکنولوژی‌ها در مدل‌های نسل هفتم خود استفاده خواهد کرد (مدل‌های کنونی نسل ششم هستند). مزدا تأیید کرده است که محصول جدید خود را در سال ۲۰۱۹ در ایالات متحده عرضه خواهد کرد و فعلا انتظار می‌رود که این خودرو نسل جدید مزدا 3 باشد.

با وجود تمام جذابیت‌های این پیشرانه، فعلا باید تا زمان عرضه‌ی نهایی این تکنولوژی منتظر بمانیم و ببینیم که آیا مزدا توانسته است به قول‌های خود مبنی بر افزایش قدرت و بازدهی عمل کند یا خیر. در صورت موفقیت این پروژه شاید همچنان امید برای بقای پیشرانه‌های درون‌سوز باقی باشد.