همه چیز درباره فناوری های پیشرفته خودرویی

محیط زیست و مصرف سوخت
افزایش انتشار گازهای گلخانه ای (Carbon dioxide (CO2), Methane (CH4), Nitrous oxide (N2O), Fluorinated gases (F-gases)) و به دنبال آن تشدید پدیده گرمایش زمین (Global warming) باعث افزایش فشارهای جهانی به منظور کاهش تولید این گازها علی الخصوص دی اکسید کربن (CO2)، شده است. این فشارها با وضع قوانین و مقررات محدود کننده تولید دی اکسید کربن و به تبع آن مصرف سوخت شده است.

به عنوان مثال محدودیت بعدی در اروپا دستیابی به CO2 کمتر از 95 g/km برای سال 2020 می باشد. میزان انتشار CO2 معادل مصرف سوخت در خودرو بوده و کاهش میزان CO2 تولیدی خودروها به معنای کاهش مصرف سوخت در آنها خواهد بود.

این فشارها سبب شده خودروسازان به دنبال راه حل هایی جهت کاهش مصرف سوخت باشند. ارتقاء در تکنولوژی موتورهای احتراقی یکی از موثرترین این راه حل ها بوده است. صنعت خودروسازی از سال 1998 به بعد به موفقیت های عظیمی در ارتقاء تکنولوژی موتورهای احتراقی دست یافته است و در این راستا دو تکنولوژی اصلی نوید بخش بهبودهای بیشتر می باشند که عبارتند از:

1- کوچک سازی موتور به همراه افزودن توربوشارژر و پاشش مستقیم سوخت
2- هیبرید کردن و افزایش قابلیتهای الکتریکی خودرو تا سرحد رسیدن به سطح یک خودروی کاملا الکتریکی
از سوی دیگر، دستیابی به توان و قدرت بالا و مصرف سوخت پایین همواره یکی از انگیزه های مشتریان در خرید خودرو بوده است.

برای کاهش مصرف سوخت فناوریهای بسیاری مورد استفاده قرار می گیرند که در شکل زیر به نمونه ای از آنها با ذکر درصد تأثیرگذاری، اشاره شده است:

2.1 بهبود راندمان قوای محرکه بنزینی Powertrain Efficiency Improvement
برای ایجاد احتراق به سه عامل هوا (اکسیژن)، ماده سوختنی (بنزین، گازوئیل...) و گرما نیاز است. این قانون در موتورهای احتراق داخلی نیز برقرار است و کیفیت و میزان این سه عامل در توان تولیدی یک موتور احتراقی نقش بسزایی ایفا می کند. برخلاف تصور عمومی میزان سوخت ورودی به موتور تعیین کننده توان خروجی آن نیست بلکه این میزان هوای وارد شده به موتور است که تعیین می کند در هر لحظه موتور قادر به تولید چه توانی خواهد بود زیرا میزان سوخت پاشش شده تابعی از میزان هوای وارد شده به داخل موتور می باشد. می توان اینگونه بیان کرد که توان خروجی موتور نسبت مستقیمی با میزان هوای ورودی به آن دارد.

از آنجاییکه سیستم الکترونیکی کنترل موتور (ECU) در هر زمان تلاش می کند تا نسبت هوا به سوخت را به صورت استوکیومتریک (معادل 1 گرم سوخت به ازای 14.7 گرم هوا) نگه دارد (بجز موارد خاص مانند استارت موتور درحالت سرد و یا موتورهای باکارکرد خاص) بنابراین با افزایش حجم هوای ورودی به سیلندرها، پاشش سوخت نیز بیشتر شده و به تبع آن احتراق قویتری در موتور رخ خواهد داد.

با در نظر گرفتن این واقعیت، خودروسازان و طراحان موتور همواره تلاش کرده اند با استفاده از روشهای مختلف میزان هوای ورودی به موتور را در کنترل خود گرفته و در زمان هایی که توان زیادی مورد نیاز نیست هوای کمتری وارد موتور شده و در زمان نیاز به توان های بالا، مانند دورهای بالا و شتابگیری، هوای مورد نیاز موتور را به طور کامل تامین کنند.

2.1.1 تکنولوژیهای موثر در کاهش مصرف سوخت در موتور Engine Technologies
2.1.1.1 بهبود تنفس موتور
همان گونه که توضیح داده شد، بهبود و افزایش حجم هوای ورودی به موتور می تواند تأثیر بسزایی در افزایش توان و گشتاور خروجی آن داشته باشد، بنابراین می توان از موتور کوچک تری برای تولید همان میزان توان و گشتاور بهره برد که این خود سبب کاهش مصرف سوخت می گردد.

از سوی دیگر با تغییر دور موتور، میزان هوای ورودی به موتور نیز تغییر کرده و در دورهای پایین (به دلیل بالا بودن تلفات پمپ شدن هوا- Pumping Loss) و دورهای بالا (به دلیل سرعت بالای باز و بسته شدن سوپاپها و زمان ناکافی جهت پرشدن سیلندرها از هوا) موتورها توانی کمتر از توان حداکثر خود را تولید می کنند.

طراحان موتور همواره تلاش کرده اند با بهبود تنفس موتور در دورهای پایین و بالا (تمامی دورهای کاری موتور) به نمودار یکنواخت و مسطحی از توان خروجی دست یابند. در ادامه به بررسی مطرح ترین این تکنولوژیها پرداخته شده است:

منیفولد ورود هوا با طول متغیر (Variable Intake Manifold)
این فناوری با تغییر دادن طول موثر منیفولد هوا به تنفس بهتر موتور در دورهای پایین (با طولانی کردن مسیر هوای ورودی) و دورهای بالا (با کوتاه تر کردن مسیر هوای ورودی) کمک کرده و در نتیجه باعث افزایش گشتاور و توان خروجی موتور می گردد. اساس کار این فناوری استفاده از پدیده ای به نام اثر سوپرشارژی (supercharging effect) است.
زمانبندی متغیر سوپاپها (Variable Valve Timing: VVT)
یکی از گامهای موثر در بهبود تنفس موتورها، استفاده از چند سوپاپ برای ورود و خروج هوا به سیلندر بود. پس از این فناوری استفاده از زمانبندی متغیر سوپاپها می تواند تأثیر بسزایی در افزایش توان موتور داشته باشد. همانطور که میدانیم میزان هوای ورودی به سیلندر به زمان باز و بسته شدن سوپاپها و مدت باز بودن آنها بستگی دارد که این خود تابعی از شکل بادامکها و زاویه قرارگیری آنها روی میل بادامک (میل سوپاپ) است. با به کار گیری فناوری VVT سوپاپها در دورهای بالا زودتر باز شده و دیرتر بسته می شوند تا هوا زمان کافی برای ورود به سیلندر داشته باشد.

جابه جایی متغیر سوپاپها (Variable Valve Lifting: VVL)
این فناوری نیز فلسفه ای مشابه فناوری VVT داشته با این تفاوت که در آن جابه جایی سوپاپها دستخوش تغییر شده و با بیشتر بازشدن سوپاپها هوای بیشتری به موتور وارد می گردد.

غیرفعال کردن سیلندرها (Cylinder Deactivation)
این فناوری که بیشتر در موتورهای با حجم بالا استفاده می شود به منظور کاهش مصرف سوخت و آلایندگی در زمانهایی که به توان کمتری از موتور نیاز است، استفاده می شود. در شرایط رانندگی کم بار (part load) راننده معمولا از 30% توان موتور خود استفاده می کند بنابراین دریچه گاز درحالت تقریبا بسته بوده و تلفات پمپ کردن (Pumping loss) بالا میرود. به منظور کاهش این تلفات سامانه کنترل موتور، چند سیلندر را غیرفعال می کند.

کوچکسازی موتور (Downsizing) به همراه افزودن توربوشارژر (Turbo charging)
فناوری دیگری که تأثیر بسزایی در کاهش مصرف سوخت دارد کم کردن حجم موتور می باشد. این روش یک نکته منفی دارد و آن هم از دست دادن توان موتور است. طراحان موتور به منظور جبران کاهش توان موتور به فناوریهای کنترل ورود هوا رجوع کرده و در گام بعدی به سراغ فناوریهای توربوشارژ یا سوپرشارژ کردن حرکت کرده اند.

2.1.1.2 بهبود پاشش سوخت و فرایند احتراق
از جمله روشهای دیگری که برای کاهش مصرف سوخت در خودروها بکار میرود می توان به کاهش میزان سوخت مصرف شده برای ایجاد احتراق با افزایش کیفیت احتراق و کاهش احتراق ناقص اشاره کرد. برخی از این روشها عبارتند از:

پاشش مستقیم سوخت به داخل محفظه احتراق (Direct Injection)
پاشش مستقیم سوخت برای مدت های طولانی در موتورهای دیزل بکار رفته است ولی استفاده از آن در موتورهای بنزینی با مشکلاتی مواجه بوده است. توسعه سیستمهای کنترلی الکترونیکی در کنار تحلیل دقیق تر فرایند احتراق کمک شایانی به توسعه این فناوری کرده و از اواخر دهه 90 میلادی به تولید انبوه رسیده است.

پاشش رقیق سوخت (Lean Burn)
موتورهای رقیق سوز نیز جزء خانواده موتورهای پاشش مستقیم می باشند که در آنها نسبت هوا به سوخت می تواند تا حدود 40 و حتی بیشتر (نسبت وزنی) متغیر باشد. در این موتورها به دلیل بالا بودن سهم هوای ورودی، میزان تلفات پمپ کردن (Pumping loss) کاهش یافته و راندمان موتور افزایش می یابد.

استفاده از فناوری بازخورانی گازهای احتراق (EGR)
یکی از عمده مشکلات موتورهای پاشش مستقیم بالارفتن دمای گازهای احتراق و درنتیجه تولید آلاینده NOx است. هرچند احتراق بهتر این موتورها به کاهش تولید آلاینده های کربنی منجر می شود ولی از سویی با افزایش دمای گازهای احتراق محیط مناسبی برای تولید NOx فراهم می آورد. یکی از راه حلهای طراحان استفاده از بازخورانی گازهای خروجی است. این گازها از نظر واکنش شیمیایی تقریبا خنثی بوده و با اشغال کردن بخشی از حجم سیلندر سبب می شوند سوخت کمتری پاشیده شده و درنتیجه دمای احتراق و مصرف سوخت کاهش پیدا کند.

2.1.1.3 مدیریت انرژی لوازم جانبی موتور

استفاده از فرمان برقی (EPS: Electric Power Steering)
فرمانهایی که از کمک هیدرولیکی برای تقویت فرمان استفاده می کنند به دلیل اتصال همیشگی به میل لنگ موتور، تلفات زیادی را به موتور اعمال می کنند. با بگارگیری سیستم فرمان برقی این تلفات به حداقل رسیده و فقط در زمانهایی که راننده قصد فرمان دادن داشته باشد توانی از موتور (به صورت توان الکتریکی) گرفته می شود. بنابراین سیستم فرمان برقی با کاهش تلفات هیدرولیکی، به بهبود مصرف سوخت کمک خواهد کرد.

بکارگیری آلترناتور هوشمند
در این سامانه گشتاور آلترناتور به صورت هوشمند کنترل می شود که مزایای زیر را به دنبال دارد:

کاهش گشتاور آلترناتور هنگام شتابگیری باعث بهبود بازدهی دینامیکی خودرو می شود
افزایش گشتاور آلترناتور هنگام ترمزگیری باعث برگشت انرژی ترمزی و بهبود مصرف سوخت می شود
از دشارژ باتری جلوگیری کرده و عمر باتری را افزایش می دهد
کنترل دقیق گشتاور آلترناتور از تغییر سریع گشتاور و ارتعاشات تحمیلی جلوگیری می کند

استفاده از واترپمپ و پمپ روغن الکتریکی
در موتورهای احتراقی عمل احتراق انجام می شود که مقداری از گرمای حاصل از احتراق به داخل موتور رسوخ کرده و باعث گرم شدن موتور می شود، خنک کاری موتور به وسیله گردش مایع خنک کاری توسط واتر پمپ (مکانیکی) که نیروی حرکتی خود را به وسیله تسمه از میل لنگ موتور می گیرد، انجام می شود که این امر باعث اتلاف مقداری از توان تولید شده توسط موتور می شود. همچنین سرعت حرکت واتر پمپ با سرعت میل لنگ برابر است و هیچ بازخوردی از دمای موتور ندارد. واتر پمپ الکتریکی به دلیل حذف اتلافات ناشی از وجود تسمه و پولی توان موتور را افزایش می دهد و همچنین خنک کاری موتور به دلیل بازخوردی که این سیستم از دمای موتور و رادیاتور می گیرد کاملا هوشمند شده و به دلیل ثابت نگه داشتن دمای موتور در حالت نرمال مصرف سوخت کاهش می یابد.

عملکرد پمپ روغن الکتریکی نیز مشابه واترپمپ الکتریکی می باشد.

فن خنک کننده با دور متغیر
غالب فن های استفاده شده برای خنک کاری سیال موتور دارای یک یا دو دور کاری بوده و به صورت ترموستاتی کنترل می شوند به این صورت که پس از رسیدن دمای آب موتور به یک حد بالایی از پیش تعیین شده شروع به کار کرده و پس از رسیدن به حد دمای پایینی، از حرکت باز می ایستند. درصورتیکه از فن با دور متغیر استفاده شود می توان مدیریت بارهای الکتریکی را به صورت بهینه انجام داد و علاوه برآن، دمای موتور را نیز به صورت بهینه کنترل کرده و به بهبود راندمان حرارتی موتور کمک کرد.

سیستم تهویه مطبوع با کمپرسور برقی، مزایای این فناوری عبارتند از:
کاهش مصرف سوخت به علت بهبود در کنترل سیستم سرمایش و کاهش اندازه کمپرسور و قطعات متعلقه
بسترسازی مناسب برای کاربرد در سیستمهای start-stop، خودروهای هیبریدی و الکتریکی
بهبود Performance در حالت کار درجا (Idling) و کاهش زمان Cool down با یک کمپرسور کوچک تر
بهبود در سیستم کنترل کولر مخصوصا برای کولرهای اتوماتیک
افزایش عمر کمپرسور و کاهش تنش های شوک نیرو ناشی از ضربه کلاچ در دورهای بالا

کاهش نویز
سایر فناوری های موثر در کاهش مصرف سوخت عبارتند از:

استفاده از آلیاژهای آلومینیوم در ساخت بلوکه و سرسیلندر موتور به منظور کاهش وزن و بهبود انتقال حرارت و ساخت سیستمهای شاسی، بدنه، صندلیها و...
کاهش اصطحکاک موتور
استفاده از موتورهای سوخت Diesel/CNG/LNG/
بکارگیری سایر سوختهای جایگزین مانند Bio-fuel
کاهش ضریب آیرودینامیک:
بهبود استایل بیرونی خودرو، نصب اسپویلر
استفاده از سیستمهای هوشمند کنترل هوای ورودی به محفظه موتور
مدیریت انرژی لوازم خودرو (مانند استفاده از چراغهای LED، خاموش شدن اتومات گرمکن شیشه عقب، مدیریت برف پاک کن و...)
بهبود مقاومت غلتشی تایر و استفاده از سیستمهای هشدار دهنده کاهش باد تایر (TPMS)
استفاده از ایزولاتور جهت کاهش تلفات گرمایشی و سرمایشی محفظه سرنشین