|
فناورى موتورهاى آينده در خودروهاى سوارى
آلايندگى و مصرف سوخت خودروها به دليل محدوديتهاى زيست محيطى، ظرف ۱۰ سال آينده بايد به ميزان قابل توجهى بهبود يابد. فناوريهاى جديد در زمينه موتورهاى بنزينى، نظير كوچك سازى موتورها به لحاظ اندازه (Downsizing) با استفاده از تقويت بالاى آنها (High Boosted)، موتورهاى با تزريق مستقيم (GDI) و سيستم سوپاپهاى كاملاً متغير (Fully Variable Valve Train) هم اكنون در حال توسعه مى باشند. در مورد موتورهاى ديزل نيز بخشهايى كه انتظار مى رود توسعه يابند، شامل انژكتورهاى پيزو الكتريك، فيلترهاى ذرات معلق و سيستم كاتاليستهاى DeNOx مى باشند. در اين يادداشت ابتدا به بررسى الزامات استانداردهاى آلايندگى پرداخته و پس از آن تمهيداتى كه جهت دستيابى به اين استانداردها در موتورهاى بنزينى و ديزل بكار گرفته شده است را معرفى مى نماييم.
الزامات استانداردهاى آلايندگى در آينده:
قوانين اروپايى روى آلاينده هاى خطرناك اگزوز كه در سال ۲۰۰۰ نسبتاً سختگيرانه به اجرا در آمد بار ديگر در سال ۲۰۰۵ سختگيرانه تر خواهد شد. محدوديتهاى استاندارد آلايندگى EURO IV براى آلاينده هاى HC و NOX و ذرات معلق حدود ۵۰% سطح كنونى اين گازهاى مضر مى باشد (استاندارد آلايندگى اروپا در سال ۲۰۰۴ مطابق با استاندارد EURO III است). مرحله بعد در استانداردهاى اروپايى كهEURO V ناميده ميشود احتمالاً با تمركز روى ذرات معلق، به بهينه سازى بيشترى نياز دارد. از سوى ديگر در استاندارد آمريكايى۲ TIER كاهش مرحله به مرحله NMOG (گازهاى اورگانيك غير متان) كاهش متوسط NOX ناشى از ناوگان اتوبوسرانى از سال ۲۰۰۴ تا ۲۰۰۷ مد نظر است. از سال ۲۰۰۳ به بعد در كاليفرنيا مى بايد حداقل ۱۰% فروش هر سازنده اتومبيل، خودروهايى با آلايندگى صفر يا معادل آن باشد. نگرانى در مورد اثر گازهاى گلخانه اى، خودروسازان اروپايى را وادار كرده است كه تا سال ۲۰۰۸ خودروهايى توليد نمايند كه متوسط CO2 منتشره از آنها زير ۱۴۰ gr/Km باشد. يعنى كاهش مصرف سوخت بايد به ميزان بيش از ۲۵% در مقايسه با سطح تعيين شده در سال ۱۹۹۵ باشد. همچنين كاهش بيشتر به سطح ۱۲۰ gr/Km تا سال ۲۰۱۲ نيز در سال ۲۰۰۳ تحت بحث و بررسى قرار گرفت. از طرفى همزمان با طرح مباحث آلايندگى، مشتريان نيازمند ايمنى و آسايش بيشترى نسبت به سابق خواهند بود كه اين مسأله فقط با افزايش وزن خودرو ميسر خواهد شد و واضح است كه اين موضوع با مصرف كمتر انرژى منافات دارد. همچنين ضمن حفظ حداقل عملكرد خودرو، در عين حال نبايد هزينه مالكيت خودرو افزايش يابد.
فناورى آينده در موتورهاى بنزينى:
هدف اصلى در توسعه موتورهاى اشتعال جرقه اى، بهبود مصرف سوخت و در نتـيجه كاهش انتشار گاز CO2 مى باشد. از ديدگاه ترموديناميكى، دستيابى به راندمان بيشتر، با عملكرد موتور در بارهاى زياد و كاهش در افت تبادل گاز و حرارت در بارهاى جزيى ممكن مى باشد. راه حلهاى فنى براى اين منظور عبارتند از:كوچك سازى سايز موتورها و استفاده از سوپر شارژ، فناورى سوپاپهاى كاملاً متغير و پاشش مستقيم.
كوچك سازى (DOWNSIZING)
يك استراتژى براى بهبود قابل توجه در مصرف سوخت، كاهش حجم جابجايى موتور با حفظ شكل منحنى گشتاور مى باشد.با افزايش فشار تغذيه تا ۲/۵ بار و كاهش نسبت تراكم در بارهاى زياد مى توان به اين هدف دست يافت. در شكل شماره يك، منحنى هاى گشتاور و مصرف سوخت دو موتور يكى موتور ۳ ليترى با تنفس طبيعى و ديگرى موتور ۱/۵ ليترى با سوپر شارژ بالا، با يكديگر مقايسه شده است. همانگونه كه شكل نشان مى دهد، مصرف سوخت ويژه در بارهاى جزيى در حدود ۲/۵% بهبود يافته است. فناورى جديد مورد نياز براى اين منظور در سمت راست شكل نشان داده شده است. سوپر شارژهاى مكانيكى با راندمان بالا دستيابى به گشتاورهاى لحظه اى و بالا را فراهم مى نمايد. استفاده از سوپرشارژ منجر به پديده ناك يا ضربه در بارهاى زياد مى گردد. براى احتراز از اين موضوع يك سيستم نسبت تراكم متغير ابداع شده است (پايين سمت راست شكل) تا با كاهش نسبت تراكم، دستيابى به فرايند احتراق بدون ناك را در بارهاى زياد ممكن سازد؛ در حاليكه قادر است در بارهاى جزيى، تراكم بهينه را حفظ نمايد.
سيستم سوپاپ بندى كاملاً متغير:
با سيستم سوپاپ بندى كاملاً متغير مى توان روشهاى مديريت سيلندر و سوپاپها را معرفى نمود. همانطور كه در شكل دو نشان داده شده است، در حال حاضر سوپاپهايى ساخته شده اند كه قادرند با استفاده از نيروى الكترومغناطيسى و يك بازو مابين فنرهاى مكانيكى، هرگونه پروفيل باز و بسته شدنى را براى سوپاپها ايجاد نمايند. با كنترل جريان الكتريكى، بازو مى تواند در موقعيت انتهايى خود نگه داشته شود بنابراين سوپاپ مطابق با نياز مى تواند باز يا بسته نگه داشته شود. از آنجائيكه زمانبندى سوپاپها مى تواند به صورت آزادانه تنظيم شود، جرم هواى ورودى و گازهاى باقيمانده را مى توان با سوپاپها تعيين نمود.بدين وسيله مى توان از افت دريچه گاز اجتناب كرد و ميزان تشكيل NOX را در بارهاى جزئى كاهش داد. از آنجايى كه در اين روش زمان بندى هر سوپاپ براى هر سيلندر را مى توان بصورت جداگانه تنظيم نمود، بنابراين فعال يا غير فعال كردن هر سيلندر با اين روش ميسر مى گردد(Cylinder Cut Off). مكانهايى كه در آنها سيلندرها غير فعال مى گردد يا سوپاپهاى آنها باز مى گردد در منحنى عملكردى موتور در شكل دو نشان داده شده است. اندازه گيرى مصرف سوخت نمونه هاى ساخته شده بر اساس اين تكنيك، كاهش مصرف سوخت تا ۱۵% و در صورت بكارگيرى فرايند غير فعال سازى سيلندرها تا ۲۰% را نشان مى دهد.
پاشش مستقيم:
ابداع سيستمهاى جديد تزريق با فشار بالا و پيشرفت در سيستم كاتاليستهاى DeNOx منجر به اولين توليد انبوه موتورهاى پاشش مستقيم بنزينى با شارژ طبقه اى (stratified charge direct injection gasoline engine) شده كه كاهش مصرف سوخت بين ۱۰% تا ۱۵% را به ارمغان آورده است. همان طور كه شكل سه نشان مى دهد، براى دستيابى به بهترين مصرف سوخت، اين موتورها در بارهاى جزئى و مخلوط هوا و سوخت بسيار رقيق با نسبتى تا ۳ كار مى كنند.در بارهاى زياد يا بار كامل به منظور تأمين ماكزيمم قدرت خروجى، مخلوط هوا و سوخت به صورت همگن وارد محفظه احتراق مى گردد. جهت پايدارى فرايند احتراق و اجتناب از تشكيل SOOT (دوده) در بار هاى جزئى، حالت مخلوط هوا و سوخت با حركت كنترل شده هواى ورودى تأمين مى گردد. با طراحى نشان داده شده در سمت راست بالاى شكل سه، مخلوط با حركت پيچشى رو به جلو (Forward Air Tumble) در فاصله هوايى شمع پايدار مى گردد. شايان ذكر است كه پايدارى فرآيند احتراق در موتورهاى GDI، به دليل نسبت هوا به سوخت بالا(رقيق سوز بودن)، از چالشهاى اساسى اين نوع موتورها مى باشد. در اين حالت از يك انژكتور نوع چرخشى(Swirl-Type) استفاده مى شود. نسل بعدى سيستمهاى پاشش مستقيم كه در شكل پايين سمت راست نمايش داده شده است، عملكردى شبيه به فرآيند احتراق درموتورهاى ديزل خواهند داشت؛ يعنى پاشش توأم با فرايند احتراق.از آنجاييكه كاتاليستهاى سه راهه فقط در شرايط استوكيومتريك عمل مى كنند، يك سيستم كاتاليستى DeNOx بايد به مجموعه افزوده گردد تا كاهش آلاينده ها را در فرآيند شارژ طبقه اى، مطمئن سازد. به همين دليل سوخت مورد استفاده نيز بايد عارى از گوگرد باشد.
|
