نگاهی به بهبود‌های پیشرانه‌ احتراق داخلی در دهه گذشته

شرکت‌های خودروسازی سیستم‌های قوای محرکه‌ی پیشرفته و مختلفی در محصولات خود بکار می‌برند؛ ولی هنوز هم پیشرانه‌های احتراق داخلی کنار گذاشته نشده‌اند. با حرکت به‌سوی کوچک‌تر کردن توربوشارژرها، بسیاری از مهندسان از روش‌های جدیدی برای کارآمدتر و قدرتمندتر کردن پیشرانه‌ها استفاده می‌کنند. در این مقاله، ۴ مورد از روش‌های نوینی را که در پیشرانه‌های احتراق داخلی به کار گرفته می‌شوند، معرفی می‌کنیم.

مزدا Skyactiv-X

مزدا اعلام کرده است که در کنار سیستم‌های هیبریدی و برقی، از سال ۲۰۱۹ اولین پیشرانه‌ی اشتعال تراکمی بنزین را در محصولات خود استفاده خواهد کرد. در پیشرانه‌های بنزینی فعلی، ترکیب هوا و بنزین با جرقه‌ای که شمع ایجاد می‌کند، مشتعل می‌شود. پیشرانه‌های اسکای‌اکتیو-ایکس، می‌توانند مانند پیشرانه‌های دیزلی عمل کنند و هم می‌توانند با متراکم کردن ترکیب هوا و بنزین، اشتعال لازم را به وجود آوردند.

این روش منجر به عملکرد پیشرانه در درجه‌ی حرارت پایین‌تری می‌شود و همچنین میزان انرژی کمتری هدر می‌رود. ترکیب رقیق‌ترِ بنزین و هوا، مصرف سوخت و آلایندگی را کاهش می‌دهد.

اینفینیتی VC-T

اگرچه پیشرانه‌های توربوشارژ کامپکت در انواع آزمایش‌ها خروجی قابل توجهی گزارش کردند؛ اما مشکلی در این زمینه وجود دارد: برای عدم اشتعال مخلوط سوخت و هوا پس از افزایش ناگهانی پدال گاز، باید نسبت تراکم کمی در پیشرانه داشته باشیم. با این حال در دور موتور پایین که سیستم توربو هوای زیادی وارد سیلندرها نمی‌کند، نسبت تراکم کم منجر به کاهش عملکرد پیشرانه خواهد شد.

پیشرانه‌ی اینفینیتی VC-T توانایی تغییر نسبت تراکم دارد تا در دور موتورهای بالا عملکرد حفظ شود و همچنین در دور موتور پایین مصرف سوختِ بهتر حاصل شود. در این پیشرانه نسبت تراکم همراه با دور موتور تغییر می‌کند.

زمانی که پیشرانه‌ با سرعت و دور موتور معمولی در حال کار کردن باشد، بهترین حالت کارایی، با نسبت تراکم ۱۴ به ۱ فعال می‌شود؛ در این حالت، خطرِ ناک زدن (Knock) به پایین‌ترین حد خود می‌رسد. اما در صورت افزایش دور موتور، توربوشارژر مقدار زیادی هوا به داخل سیلندرها می‌فرستند که خطرِ پدیده‌ی ناک را افزایش می‌دهد. به همین دلیل برخی خودروها مانند سوبارو WRX با نسبت تراکم پایین کار می‌کنند.

پیشرانه VC-T اینفینیتی قادر است در دور موتورهای بالا نسبت تراکم را پایین نگه دارد و خطر اشتعال قبل از جرقه‌زنی شمع‌ها را کاهش دهد. عملکرد این سیستم مبتنی بر استفاده از یک بازوی محرک است که زاویه‌ی مولتی لینکِ (Multi-link) اطراف میل‌سوپاپ را دست‌کاری می‌کند. این کار باعث می‌شود نقطه‌ی پایینی ضربه پیستون بدون حرکت میل‌لنگ یا سرسیلندر حرکت کند و بالا یا پایین‌تر برود.

طبق ادعای مدیران اینفینیتی، این فناوری مصرف سوخت را تا ۲۷ درصد بهبود می‌دهد؛ وزن این پیشرانه در مقایسه با پیشرانه‌های ۴ سیلندرِ فعلی اینفینیتی، فقط ۱۰ کیلوگرم بیشتر است.

پیشرانه‌ی بدون میل‌سوپاپ کوروس

در بیشتر پیشرانه‌ها، بادامک‌های میل‌سوپاپ، انگشتی سوپاپ را حرکت می‌دهند که باعث باز  و بسته شدن سوپاپ‌ها می‌شود. در این فرآیند، سوپاپ‌ها باید همیشه مقداری باز یا مقداری بسته باشند تا سیستم کار کند؛ به همین دلیل سیستم همیشه نمی‌تواند بازدهی مطلوب داشته باشد.

کوینیگزگ یکی از شرکت‌هایی است که با شرکت فری‌ولو (FreeValve) همکاری می‌کند تا پیشرانه‌های بدون میل‌سوپاپ را توسعه دهد. محرک‌های پنوماتیک-هیدرولیک-برقی در پیشرانه‌ی کمَ‌فِری، کنترل بیشتری بر سوپاپ‌های ورودی و خروجی دارند و مصرف سوخت را  ۱۲ تا ۱۷ درصد کاهش می‌دهند.

این فناوری به شرکت‌های خودروسازی اجازه می‌دهد قدرت بیشتری از یک پیشرانه‌ی کوچک بگیرند که با استانداردهای آلایندگی اروپا و چین نیز همخوانی دارد.

پیشرانه‌ی کوروس Q3 با حجم ۱.۶ لیتر و مجهز به توربوشارژ، ۲۳۰ اسب بخار و ۳۲۰ نیوتن‌متر گشتاور تولید می‌کند. طبق گفته‌ی مسئولین کوروس، در مقایسه با پیشرانه‌های میل‌سوپاپ‌دار با همین مشخصات، این پیشرانه ۴۷ درصد توان بیشتر و ۱۵ درصد کاهش در مصرف سوخت به همراه دارد.

تغییرات کلی در پیشرانه‌های احتراق داخلی

 مدل جدید آئودی A4، سبک‌تر و آیرودینامیک‌تر شده است؛ ولی فقط این دو مورد در کاهش مصرف سوخت آن مؤثر نبودند. این خودرو یک پیشرانه ۴ سیلندرِ ۲ لیتری دارد که با استفاده از روش جدید احتراق داخلی، کارآمدترین پیشرانه‌ی جهان در این کلاس شده است.

طبق اعلام رسمی آئودی، روش جدید احتراق داخلی به چرخه میلر شباهت‌هایی دارد. در چرخه‌ی میلر، سوپاپ ورودی در زمان تراکم باز می‌ماند و باعث می‌شود فشارِ تراکم به‌جای دیواره‌ی سیلندر، به سوپرشارژر وارد شود که حدوداً ۱۵ درصد بازدهی بهتری به دست می‌دهد.

آئودی با کاهش زاویه لنگ از ۲۰۰ به ۱۴۰ درجه، مقدار زمان ورودی (مکش) را کمتر کرده است؛ با این حال به لطف فشار بوست بیشتر، پیشرانه باز هم به مقدار مطلوب از ترکیب هوا و بنزین می‌رسد. در روش جدید، سوپاپ ورودی زودتر بسته می‌شود تا دستیابی به نسبت تراکم بالا مطلوب را ممکن کند. در نتیجه، پیشرانه‌ی توربوشارژ ۴ سیلندر، با مصرف ۵ لیتر بنزین در ۱۰۰ کیلومتر، ۱۹۰ اسب بخار قدرت و ۳۲۰ نیوتن‌متر گشتاور تولید می‌کند.

تویوتا نیز روشی در پیشرانه‌ی یاریس به کار برده است که بر اساس سرعت و دور موتور، پیشرانه بین چرخه‌های اتکینسون و اوتو سویچ می‌کند. در سرعت معمولی، ECU  دستور رفتن به حالت چرخه اتکینسون را می‌دهد. در چرخه‌ی اتکینسون، سوپاپ ورودی تا لحظه‌ای که پیستون ۲۰ تا ۳۰ درصد به بالا حرکت کرده است، باز می‌ماند. در این فرآیند توان، قربانی کارایی کلی می‌شود.

با سرعت گرفتن بیشتر و بالا رفتن دور موتور، سیستم به چرخه اوتو سویچ می‌کند. چرخه اوتو همان سیستمی است که در بیشتر پیشرانه‌های احتراق داخلی جرقه‌ای استفاده می‌شود. این پیشرانه نسبت تراکم بالای ۱۳.۵:۱ دارد و سیستم خنک‌کننده بهتر نیز کمک می‌کند تا حرارت پایین‌تر بماند و از ناک زدن با این نسبت تراکم بالا جلوگیری شود.

در یاریس جدید با این پیشرانه در مقایسه با مدل‌های قبلی، ۲۷ اسب بخار قدرت و ۱۵ نیوتن‌متر گشتاور بیشتر شده و مصرف سوخت نیز ۱۲ درصد کاهش یافته است.

تغییرات جزئی در پیشرانه‌های احتراق داخلی

امروزه حتی پیشرانه‌های معمولی هم تغییراتی داشته‌اند تا مصرف سوخت را به حداقل مقدار ممکن برسانند. مرسدس بنز و آئودی در پیشرانه‌های دیزل خود از روشی ویژه برای کاهش سایش در سیلندر استفاده می‌کنند. حتی پیشرانه‌های ۳ سیلندر فورد  روش غیر فعال‌سازی سیلندر را به کار گرفته‌اند تا در صورت عدم نیاز به توان بالا، با غیر فعال‌ کردن برخی از سیلندرها از مصرف بیش از حد سوخت جلوگیری شود.

البته اگر طرفدار پیشرانه‌های احتراق داخلی نیستید، مدل‌های بسیاری از موتورهای برقی روزبه‌روز در حال توسعه هستند و البته خودروهای هیدروژنی نیز همیشه حرفی برای گفتن دارند.