مصرف سوخت و محیط زیست

افزایش انتشار گازهای گلخانه­ای (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.

شکل 3: مقایسه انتشار گازهای گلخانه­ای ناشی از بخش­های مختلف

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

شکل 4: برنامه و روند کاهش CO2 در کشورهای مختلف

این فشارها سبب شده خودروسازان به دنبال راه­حل­هایی جهت کاهش مصرف سوخت باشند. ارتقاء در تکنولوژی موتورهای احتراقی یکی از موثرترین این راه­حل­ها بوده است. صنعت خودروسازی از سال 1998 به بعد به موفقیت­های 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 انگیزه­های مشتریان در خرید خودرو بوده است.

برای کاهش مصرف سوخت فناوریهای بسیاری مورد استفاده قرار می­گیرند که در شکل زیر به نمونه­ای از آنها با ذکر درصد تاثیرگذاری، اشاره شده است:

شکل 5: سهم بخش­های مختلف خودرو در کاهش مصرف سوخت

1.1بهبود 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 می­کند. 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 می­کند 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 می­باشد. می­توان 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 می­کند تا نسبت هوا به سوخت را بصورت 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 کرده­اند با استفاده از روشهای مختلف میزان هوای ورودی به موتور را در کنترل خود گرفته و در زمان­هایی که توان زیادی مورد نیاز نیست هوای کمتری وارد موتور شده و در زمان نیاز به توان­های بالا، مانند دورهای بالا و شتابگیری، هوای مورد نیاز موتور را به طور کامل تامین کنند.

 

1.1.1تکنولوژیهای موثر در کاهش مصرف سوخت در موتور Engine Technologies

1.1.1.1بهبود تنفس موتور

همانگونه که توضیح داده شد، بهبود و افزایش حجم هوای ورودی به موتور میتواند تاثیر بسزایی در افزایش توان و گشتاور خروجی آن داشته باشد، بنابراین میتوان از موتور کوچکتری برای تولید همان میزان توان و گشتاور بهره برد که این خود سبب کاهش مصرف سوخت میگردد.

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 می­کنند.

شکل 6: مثالی از تغییرات گشتاور، توان و مصرف سوخت با دور موتور

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:

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 کوتاه­تر کردن مسیر هوای ورودی) کمک کرده و در نتیجه باعث افزایش گشتاور و توان خروجی موتور میگردد. اساس کار این فناوری استفاده از پدیده­ای به نام اثر سوپرشارژی (supercharging effect) است.

شکل 7: سمت راست: مسیر کوتاه منیفولد برای افزایش گشتاور در دورهای بالا. سمت چپ: مسیر بلند منیفولد برای افزایش گشتاور در دورهای پایین (Honda K20C engine)

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 میتواند تاثیر 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 میشوند تا هوا زمان کافی برای ورود به سیلندر داشته باشد.

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 میگردد.

این فناوری که بیشتر در موتورهای با حجم بالا استفاده میشود به منظور کاهش مصرف سوخت و آلایندگی در زمانهایی که به توان کمتری از موتور نیاز است، استفاده میشود. در شرایط رانندگی کم بار (part load) راننده معمولا از 30% توان موتور خود استفاده میکند 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 میکند.

شکل 8: تبدیل یک موتور 8 سیلندر به 4 سیلندر به کمک فناوری غیرفعالسازی سیلندرها

فناوری دیگری که تاثیر 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.

1.1.1.2بهبود پاشش سوخت و فرایند احتراق

از جمله روشهای دیگری که برای کاهش مصرف سوخت در خودروها بکار میرود میتوان 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 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.

موتورهای رقیق سوز نیز جز خانواده موتورهای پاشش مستقیم میباشند که در آنها نسبت هوا به سوخت میتواند 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.

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 میشود 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 میشوند سوخت کمتری پاشیده شده و درنتیجه دمای احتراق و مصرف سوخت کاهش پیدا کند.

1.1.1.3مدیریت انرژی لوازم جانبی موتور

فرمانهایی که از کمک هیدرولیکی برای تقویت فرمان استفاده می­کنند بدلیل اتصال همیشگی به میل لنگ موتور، تلفات زیادی را به موتور اعمال می­کنند. 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 می­شود. بنابراین سیستم فرمان برقی با کاهش تلفات هیدرولیکی، به بهبود مصرف سوخت کمک خواهد کرد.

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

 

در موتورهاي احتراقی عمل احتراق انجام مي شود كه مقداري از گرماي حاصل از احتراق به داخل موتور رسوخ كرده و باعث گرم شدن موتور مي شود، خنك­كاري موتور بوسيله گردش مايع خنك كاري توسط واتر پمپ (مكانيكي) كه نيروي حركتي خود را به وسيله تمسه از ميل لنگ موتور مي­گيرد، انجام می­شود که اين امر باعث اتلاف مقداري از توان توليد شده توسط موتور مي­شود. همچنين سرعت حركت واتر پمپ با سرعت ميل لنگ برابر است و هيچ بازخوردي از دماي موتور ندارد. واتر پمپ الكتريكي بدليل حذف اتلافات ناشي از وجود تسمه و پولي توان موتور را افزايش مي دهد و همچنين خنك­كاري موتور به دليل بازخوردي كه اين سيستم از دماي موتور و رادياتور مي­گيرد كاملا هوشمند شده و به دليل ثابت نگه داشتن دماي موتور در حالت نرمال مصرف سوخت كاهش مي­يابد.

عملکرد پمپ روغن الکتریکی نیز مشابه واترپمپ الکتریکی می باشد.

غالب فن های استفاده شده برای خنک کاری سیال موتور دارای یک یا دو دور کاری بوده و به صورت ترموستاتی کنترل می­شوند 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 می­توان 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.

سایر فناوری­های موثر در کاهش مصرف سوخت عبارتند از:

  1. 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 ...
  2. کاهش اصطکاک موتور
  3. استفاده از موتورهای سوخت Diesel/CNG/LNG/
  4. بکارگیری سایر سوختهای جایگزین مانند Bio-fuel
  5. کاهش ضریب آیرودینامیک:
  1. مدیریت انرژی لوازم خودرو (مانند استفاده از چراغهای LED، خاموش شدن اتومات گرمکن شیشه عقب، مدیریت برف پاک کن و ...)
  2. بهبود مقاومت غلتشی تایر و استفاده از سیستمهای هشدار دهنده کاهش باد تایر (TPMS)
  3. استفاده از ایزولاتور جهت کاهش تلفات گرمایشی و سرمایشی محفظه سرنشین

توسعه خودروهای الکتریکی و هیبریدی

توسعه و ارتقا فناوریهای موجود در حوزه قوای محرکه و خودرو باتوجه به سطح فناوری و هزینه مورد نیاز در اولویت بالاتری نسبت به الکتریکی کردن خودروها دارند. اما نباید از نظر دور داشت که میزان اثربخشی این فناوری محدود بوده و جهت دستیابی به اهداف بلند مدت در کاهش مصرف سوخت و آلاینده CO2 ناگزیر به استفاده از فناوریهای الکتریکی خواهیم بود.

  1. پیاده سازی سیستم خاموش-روشن خودکار (Stop-Start):

در رانندگی شهری، موتور خودروها به طور متوسط در 35% زمان در حالت درجا (idle) کار می­کند و با خاموش کردن موتور در زمانهایی که به آن نیاز نیست میتوان به کاهش مصرف سوخت کمک کرد. سیستم خاموش-روشن خودکار (STST) به سیستمی اطلاق می­شود که در آن با تشخیص وضعیت خودرو در حالتی که نیاز به کارکرد موتور احتراقی نیست، مانند توقف کامل پشت چراغ قرمز (نسل اول این سیستم) و یا در حالت کاهش سرعت به سمت توقف کامل (نسل پیشرفته)، موتور را خاموش کرده و سپس به محض اطلاع از قصد راننده جهت حرکت، موتور را روشن می­کند. لازم به ذکر است این سیستم قابلیت کاهش 10% مصرف سوخت در ترافیکهای شهری را دارد.

  1. توسعه خودروهای هیبریدی (هیبرید مایلد، فول، پلاگ-این ...)

خودروهای مجهز به موتور احتراقی عملکرد بالا، پیمایش مناسب، هزینه قابل قبول و وزن متناسبی دارند با این حال مصرف کننده سوختهای فسیلی و تولید کننده آلایندگی و گازهای گلخانه ای می باشند. در طرف دیگر خودروهای الکتریکی فاقد مصرف سوخت و آلایندگی (در محل استفاده) بوده اما پیمایش کم داشته و قابلیتهای عملکردی چندان مطلوبی ندارند به علاوه اینکه هزینه اولیه بسیار بالاتری نسبت به خودروهای متداول بنزینی دارند. در این میان طراحان خودرو و قوای محرکه همواره به دنبال ساخت خودرویی بوده اند که با کمترین آلایندگی و مصرف سوخت، پیمایش و قابلیتهای عملکردی و هزینه مقبولی نیز داشته باشد. خودروهای هیبرید-الکتریکی پاسخ طراحان به نیاز صنعت خودروسازی بوده است. این خودروها از دو منبع (عموما الکتریکی و احتراقی) جهت تامین نیروی پیشرانش خودرو استفاده میکنند. خودروهای هیبریدی از سال 1997 میلادی با ورود تویوتا پریوس (Prius) و سپس در سال 1999 با هوندا اینسایت (Insight)، به مرحله تجاری وارد شده و در ادامه شرکت­های بسیاری به عرضه نمونه­های هیبریدی خود مبادرت ورزیده­اند.

   

خودروهای هیبرید الکتریکی با توجه به ظرفیت باتری و توان موتور الکتریکی بکار رفته در آنها، در مدلهای مختلف همچون میکروهیبرید (Micro Hybrid)، هیبرید ملایم (Mild Hybrid) و یا هیبرید کامل (Full Hybrid) عرضه می­شوند که با توجه به افزایش توان موتور الکتریکی، قابلیتهای حرکت خودرو به صورت تمام الکتریکی نیز افزایش یافته به همین نسبت قیمت خودرو، پیچیدگیهای تکنولوژی ساخت و بهبود مصرف سوخت نیز افزایش می­یابد.

در صورتیکه خودروهای هیبریدی قابلیت شارژ باتری از خارج خودرو را نیز داشته باشند به آنها هیبرید دوشاخه­ای (Plug-in Hybrid) گفته می­شود. این طرح از خودروی هیبریدی معمولا مصرف سوخت کمتر، پیمایش الکتریکی بیشتر و قیمت بالاتری نسبت به نمونه های بدون دوشاخه آن دارند.

 

  1. توسعه خودروهای الکتریکی (BEV, Range-Extended EV)

خودروهای الکتریکی همان طور که از نامشان پیداست از انرژی الکتریکی جهت تولید نیروی پیشران خود استفاده میکنند. این انرژی الکتریکی عموما از باتریهای با ظرفیت ذخیره سازی بالا (لیتیومی،  ) استخراج شده و در موتور الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می­شود. پس از تخلیه باتری نیاز است باتری ها توسط برق شبکه خارجی شارژ گردند. خودوهای الکتریکی بدلیل عدم تولید آلایندگی در محل کاربرد (چرخه تولید آلایندگی از چاه تا چرخ در اینجا مدنظر نیست) به عنوان گزینه بسیار مناسبی جهت بهبود کیفیت هوای شهرها به ویژه در مناطق پرتردد و مرکزی شهرها مطرح می­باشند. اما از آنجاییکه میزان مسافت پیموده شده با این خودروها و همچنین قابلیت­های رانندگی آنها به شدت به نوع و ظرفیت باتری و موتور الکتریکی به کار رفته در آنها بستگی دارد، توسعه و فراگیری آنها به توسعه تکنولوژی باتریها و موتورها وابسته است. با این حال پیش بینی می­شود در دهه­های آینده خودوهای الکتریکی سهم قابل ملاحظه­ای از بازار خودروی جهان را در اختیار بگیرند.

 

  1. فناوری پیل سوختی (Fuel Cell)

خودروهای مجهز به پیل سوختی نسل آینده خودروهای الکتریکی میباشند که در آن از انرژی حاصل از واکنش شیمیایی میان هیدروژن و اکسیژن، بخارات آب و الکتریسیته حاصل میگردد و در نهایت این الکتریسیته در موتور الکتریکی صرف رانش خودرو می­گردد. اخیرا شرکت هیوندای کره جنوبی اولین خودروی مجهز به پیل سوختی خود با مدل توسان را تجاری و روانه بازار آمریکا کرده است.

شکل 13: شماتیک خودروی مجهز به پیل سوختی از شرکت تویوتا