آیا موتورهای احتراق داخلی به دست فراموشی سپرده خواهند شد؟

گاهی فکر می کنیم راه حل نهایی، کنار گذاشتن امکانات و زیرساخت های فعلی به طور کلی و روی آوردن به روشهایی مدرن است. شاید کنار گذاشتن تکنولوژی کهنه و رفتن به سراغ افق های مدرن، تنها راه موفقیت به نظر برسد ولی بعضا نیاز است قبل از کنار گذاشتن آنچه که تا امروز استفاده میکردیم، نگاهی دوباره به آن داشته باشیم.

شاید جواب درست در مقابل ما قرار گرفته باشد، در همان راه حل قدیمی. واقعیتی که وجود دارد این است که امروزه تصریح بیش از اندازه ای بر روی خودروهای برقی وجود دارد بدون آنکه موتور های درون سوز ظرفیتهای واقعی خود را به ما نشان داده باشند. شاید تکنولوژی اسکای اکتیو مزدا، همان راه حلی باشد که مدتهاست در برابر ما قرار گرفته باشد.

این موتور های کم بازده

بیش از یک قرن است که موتورهای درونسوز پیستونی قوای محرکه مورد نیاز نوع بشر بوده است. ولی شاید خیلی خوشایند نباشد که بدانیم با وجود رشد قابل توجه تکنولوژی، هنوز موفق نشده ایم موتور ای با بازده حرارتی بالای ۳۰ درصد تولید کنیم. در حقیقت یک موتور پیستونی عادی امروزی، فقط ۳۰ درصد از انرژی حرارتی دریافتی را به کار مکانیکی تبدیل کرده و مابقی را از راه اگزوز، تابش حرارتی، صرف گشتاور برای دوران قطعات، و سیستم خنک کننده هدر میدهد.

امروزه تصریح زیادی بر خودروهای الکتریکی وجود دارد. پیشرانه های الکتریکی علیرغم بازده خیلی زیاد خود با چالش بزرگی به نام باتریها رو به رو هستند. باتریهایی که روز به روز ترقی میکنند ولی احتیاج به شارژ پی در پی داشته، برد مسافتی کافی ندارند و پروسه تولید و بازیافت آنها از سوزاندن هر نوع سوخت فسیلی آلاینده تر است. به دلیل این که خودروهای الکتریکی در ابتدای مسیر خود هستند؛ فعلا کسی نمیداند تبعات رفت و آمد میلیونها خودروی الکتریکی بر روی کره زمین دقیقا چیست.

ادعای بزرگ مزدا

شرکت خودروسازی مزدا به عنوان یکی از خودروسازان خلاق ژاپنی که همواره تمرکز زیادی در طراحی موتور های پربازده و مدرن داشته و تجربیات زیادی در این راه به ویژه توسعه موتور های وانکل دارد؛ ادعا میکند که شاید کمی زود باشد که به فکر بازنشستگی موتور های درونسوز باشیم چرا که هنوز به پتانسیل های واقعی این موتور ها پی نبردهایم.

وقتی بعد از طول بیش از یک قرن هنوز موتور های درونسوز تا این اندازه کم بازده هستند، نیاز است که نگاهی دوباره به آنها داشته باشیم.

به طور کلی، مشکل اساسی یک موتور پیستونی، ایزوله نبودن محفظه احتراق از نظر حرارتی است. اگر محفظه احتراق راهی برای فرار انرژی حرارتی نداشت، تقریبا تمامی انرژی آزاد شده از احتراق صرف افزایش فشار و حرکت پیستون می شد. در نتیجه بازده زیادی را دریافت میکردیم. در دنیای واقعی، چنین چیزی امکان پذیر نیست و حرارت احتراق به قطعات گوناگون و دیواره سیلندر نفوذ می کند. همینطور میزان قابل توجهی از انرژی حرارتی درون گاز سوخته باقی مانده و از اگزوز هدر میرود.

طبیعتا نمیتوان از فرار حرارت جلوگیری کرد. فن آوری هایی نظیر توربوشارژر تا اندازه ای انرژی هدر رفته را به ما باز میگردانند ولی مشکل ما انرژی هدر رفته نیست.

ایراد پایه ای این است که ما هیچ وقت انرژی موجود در سوخت را به صورت کامل آزاد نمیکنیم. اگر نگاهی دقیق داشته باشیم، متوجه خواهیم شد که هیچگاه احتراقی کامل در موتور روی نمیدهد. تنظیم دقیق نسبت استوکیومتری هوا و سوخت و تراکم کافی از لازمه های یک احتراق کامل هستند تا بتوان تا اندازه امکان انرژی موجود در سوخت را آزاد کرد.

یک راه حل مناسب برای مقابله با چنین مشکلی، رقیق کردن نسبت هوا و سوخت است. اگر طراحی محفظه احتراق خودروی ما به گونه ای باشد که بتواند تراکمی بالا ایجاد کند، با سوخت کمتر میتوان احتراق کاملتری را رقم زد و واکنش شیمیایی کاملتری داشت و انرژی بیشتری هم آزاد کرد. این انرژی آزاد شده نه تنها با افزایش بیشتر فشار همراه است، بلکه به علت رقیقتر بودن سوخت موجود در هوا، مصرف و آلایندگی کمتری هم داریم. همینطور احتراق به مدت زمان خیلی کمتری ادامه یافته و حرارت هدر رفته هم به مراتب کمتر است.

مزدا عقیده دارد که دلیل اصلی رخ ندادن یک احتراق کامل، استفاده از شمع جرقه است. وجود شمع موجب می شود تا جرقه آن احتراقی غیر یکنواخت ایجاد کند. برای داشتن احتراق یکنواخت در سوختی نظیر بنزین، باید آنرا تا اندازه ای متراکم کرد که بر اثر فشار و گرما دچار خودسوزی شود، دقیقا مشابه آنچه که در یک موتور دیزلی اتفاق می افتد. این سیکل HCCI یا Homogeneous charge compression ignition (احتراق فشرده همگن) نامیده میشود.

مزدا با افزایش تراکم موتور بنزینی تا مقدار قابل توجه یک به ۱۴ و تکنولوژی پاشش مستقیم، ادعا میکند که توانسته به بازده حرارتی شگفت آور ۵۶ درصد دست یابد! اگر چه هنوز این موتور های اسکای اکتیو با فن آوری های سیکل HCCI به بازار راه نیافتهاند ولی طبق ادعای مزدا از لحاظ آلایندگی با خودروهای الکتریکی قابل رقابت هستند.

مزدا در راستای شعار Zoom Zoom خود که در پیل لذت بردن از رانندگی است، تکنولوژی اسکای اکتیو را به وجود آورده تا همچنان شانس لذت بردن از راندن یک پیشرانه درونسوز پاک وجود داشته باشد. پیشرانه ای پر بازده که در کنار مصرف و آلایندگی خیلی پایین به تکنولوژی های هیبرید و توربوشارژر هم بتواند مجهز شود.

مقایسه میان نحوه احتراق یک موتور بنزینی عادی با شمع جرقه، یک موتور چرخه HCCI و یک موتور دیزلی.