مرجع تخصصی خودرو و تیونینگ | پارس تیونینگ

کاهش مصرف سوخت و آلایندگی موتورهای درونسوز، امروزه به یکی از اهداف اصلی تولیدکنندگان خودرو در جهان تبدیل شده است و پیوسته راه حلهایی در این زمینه ارائه میشود. اکثر این راه حلها در زمینه ارتقاء کارایی موتورهای بنزینسوز یا دیزلی فعلی است اما همانگونه که پیش از این گفتیم، راه حلهایی متفاوت نیز در چند سال اخیر مطرح شده که به طور کلی جدای از موتورهای معمول است. در این میان یک راه حل ترکیبی نیز در چند سال اخیر از سوی خودروسازان مورد توجه قرار گرفته است که در آن تلاش میشود مزایای موتورهای دیزل، با موتورهای بنزینی ترکیب شود و عملاً موتوری به وجود آید که بخشی از خصوصیات موتور دیزل (عدم سیستم جرقهزنی) را با خصوصیات موتورهای بنزینی (استفاده از بنزین و پاشش سوخت در مانیفولد هوا) در هم آمیخته است تا موتوری با مصرف سوخت و آلایندگی کمتر ایجاد شود. این موتورها که به اختصار
HCCI نامیده میشوند، هر چند به نظر راه حل جدیدی هستند اما در اصل از ایدهای متعلق به سالهای بسیار دور استفاده میکنند چرا که نخستین نمونه موتورهای بنزینی، در زمانی که هنوز سیستم جرقهزنی به وجود نیامده بود، از همین ایده استفاده میکردند. در ادامه مروری بر این موتورهای ترکیبی خواهیم داشت که شاید در آینده ای نه چندان دور، جای موتورهای بنزینی معمولی را بگیرند.

HCCI چیست؟
این موتورها در حقیقت ترکیبی از فرآیند موتورهای دیزل و موتورهای بنزینی هستند تا بتوانند با مصرف سوخت کمتر، قدرت بیشتری تولید کرده و آلایندگی تولیدی موتور خودرو را نیز پایین بیاورند. به همین دلیل میتوان HCCI را یک سیکل جداگانه از سیکل موتورهای بنزینی (سیکل اتو) و سیکل دیزل دانست.
این موتورها از این نظر به عنوان یک موتور ترکیبی خوانده میشوند که بخشی از فرایند کاری موتورهای دیزل و بخشی از فرایند کاری موتورهای بنزینی را با هم ترکیب کردهاند. برای درک بهتر این موضوع بهتر است ابتدا مروری سریع بر چرخه عملکرد موتورهای دیزل و بنزینی داشته باشیم.
در موتورهای دیزل، سیستم جرقهزنی وجود ندارد. در این موتورها در مرحله مکش، تنها هوا وارد سیلندر میشود و در مرحله تراکم همین هوا است که فشرده میشود. فشرده شدن هوا باعث افزایش دمای آن میشود و به این ترتیب وقتی پیستون به بالاترین نقطه (نقطه مرگ بالا) میرسد، دمای هوای داخل پیستون در بالاترین مقدار خود قرار دارد. در این مرحله سوخت دیزل از طریق یک انژکتور پر فشار به داخل سیلندر پاشیده میشود. این سوخت در مجاورت با هوای بسیار داغ مشتعل شده و منفجر میشود که این مسئله باعث افزایش حجم گاز و در نتیجه تولید نیرو بر روی پیستون میشود و پیستون به سمت پایین حرکت میکند.
در موتورهای بنزینی، فرآیند اندکی متفاوت است چرا که در اینجا به یک عامل جرقه که شمع خودرو است برای انفجار نیاز است. در موتورهای بنزینی مخلوط سوخت و هوا در مرحله مکش وارد سیلندر شده و در مرحله تراکم فشرده میشوند. در ادامه و در زمان رسیدن سیلندر به نقطه مرگ بالا، شمع جرقه زده و مخلوط را منفجر میکند و این انفجار نیروی لازم برای حرکت رو به پایین پیستون را فراهم میکند.
اکنون با دانستن فرآیند کاری موتورهای بنزینی و دیزلی، بهتر میتوان فرآیند کاری موتورهای دارای سیکل HCCI را بررسی کرد. هر یک از دو سیکل بالا مشکلاتی دارند که سیکل HCCI به دنبال رفع آن است.

HCCI
چگونه کار میکند؟
یکی از مهمترین مزایای سیکل HCCI امکان استفاده از مخلوط بسیار رقیق سوخت و هوا است که به این ترتیب مصرف سوخت موتور کاهش پیدا میکند. در سیکل HCCI در مرحله مکش، مخلوط سوخت و هوا وارد سیلندر میشود (البته بعضی روشهای جدید به دنبال تزریق مستقیم سوخت در این موتورها هستند). در این مرحله نسبت سوخت به هوا بسیار پایین است اما به دلیل کارآیی بالاتر موتورهای HCCI نسبت به موتورهای بنزینی معمولی، این مخلوط رقیق میتوان قدرت برابری تولید کند.
این مخلوط در مرحله تراکم در سیلندر فشرده میشود و وقتی پیستون به نقطه مرگ بالایی خود میرسد، گرمای تولید شده آنقدر زیاد است که بدون نیاز به جرقه ناشی از شمع، مخلوط منفجر میشود و پیستون را رو به پایین حرکت میدهد. در این مرحله نبود جرقه از جانب شمع یک مزیت بزرگ است. وجود جرقه باعث میشود انفجار به صورت غیریکنواخت در مخلوط پخش شود اما در شرایطی که مخلوط در اثر گرمای ایجاد شده ناشی از فشرده شدن منفجر شود، اشتعال به صورت کاملاً همگن انجام میشود که باعث اشتعال کاملتر است و از این نظر حتی بر موتورهای دیزل هم برتری دارد. تفاوت سه موتور در بحث انفجار در تصویر یک به خوبی مشخص است.
شیوه کارکرد این موتور به نظر ساده میرسد اما آنگونه که در ادامه خواهیم دید، این سیستم محدودیتهای ساختاری خاص خود را دارد که تا به حال مانع از همه گیر شدن آن شده است و یکی از مهمترین آنها محدودیت در افزایش توان موتور و کارآیی بهینه تنها در دورهای موتور مشخص و پایین است.
مزایا
یکی از مهمترین مزایای این موتورها کاهش مصرف سوخت است. علت این مسئله امکان استفاده از مخلوط بسیار رقیق بنزین و هوا است. این مخلوط در موتورهای بنزینی معمولی نمیتواند کارآیی داشته باشد اما در موتورهای HCCI به دلیل ساختار خاص موتور، این مخلوط به خوبی میسوزد و میتواند انرژی لازم برای به حرکت در آوردن خودرو را تولید کند و با این شرایط میتوان از سوخت کمتر انرژی بیشتری را به دست آورد ضمن آنکه در دورهای موتور پایین و فشار اندک بر روی موتور، نیازی به تولید توان بالا نیست و کاهش مصرف سوخت اولویت بالاتری دارد. البته همانگونه که در ادامه خواهیم دید این مسئله به دورهای موتور مشخصی محدود میشود و به همین دلیل معمولاً موتورهای HCCI به گونهای تنظیم میشوند که در دورهای موتور پایین تا متوسط کارایی داشته باشند چون موتور خودروهای شهری به طور معمول در این دورها حرکت میکند.
تحقیقات، کاهش 15 تا 30درصدی مصرف سوخت را نیز نشان داده که رقم قابل توجهی است. یکی دیگر از دلایل مصرف سوخت پایین این موتورها، نزدیک بودن آنها به موتورهای دیزل از نظر ضریب تراکم است. به طور کلی هر چه ضریب تراکم بالاتر باشد کارآیی موتور بالاتر میرود اما در موتورهای بنزینی معمولی ضریب تراکم معمولاً به ارقامی در حدود 10 محدود است چرا که با ضریب تراکم بالاتر، مخلوط سوخت و هوا دچار خود اشتعالی شده و پدیده ناک در موتور رخ میدهد در حالی که موتورهای دیزل ضریب تراکم بالای 15 را دارد. با استفاده از ضریب تراکم بالا در موتورهای HCCI که با استفاده از مخلوط رقیق سوخت و هوا به دست میآید، میتوان کارآیی بالاتری را نسبت به موتورهای بنزینی معمولی داشت.
پاک بودن این موتورها یکی دیگر از مزایای آنها است. این موتورها در زمینه کاهش تولید اکسیدهای نیتروژن (NOX) بسیار موفق عمل میکنند. اکسیدهای نیتروژن حاصل سوختن سوختهای فسیلی در دمای بالا است و هر چه دمای احتراق پایینتر باشد میزان تولید این گازهای مضر پایینتر میآید. در موتورهای HCCI به دلیل آنکه بیشینه دمای تولید شده احتراق (به دلیل ساختار موتور و البته استفاده از مخلوط بسیار رقیق سوخت و هوا) پایینتر است، میزان تولید اکسیدهای نیتروژن به شکل قابل ملاحظهای کاهش پیدا میکند.
قابلیت مصرف سوختهای مختلف از دیگر مزایا این سیستم است. این موتورها میتوانند با بنزین، گازوییل و حتی سوختهای گیاهی کار کنند در حالی که موتورهای معمولی بنزینسوز و یا گازوییلسوز، برای استفاده از یک نوع سوخت تنظیم شدهاند و نمیتوان سوختهای مختلف را در آنها به کار برد.
معایب
موتورهای HCCI در مقابل مزایایی که در زمینه آلایندگی و مصرف سوخت دارند، معایبی نیز دارند که نیاز به تحقیقات بیشتر در مورد آنها را باعث میشود و به همین دلیل تا به حال استفاده از آنها فراگیر نشده است.
این موتورها به طور معمول در میزان بار مشخص و دور موتور معینی تنظیم میشوند و کنترل قدرت خروجی آنها و تغییر آن دشوار است.
برای دستیابی به سرعتهای بالاتر در خودرو نیاز است دور موتور بالا برود و در نتیجه قدرت موتور اضافه میشود. در این شرایط باید میزان سوخت تزریقی به موتور بالاتر برود که در این شرایط موتور HCCI کارآیی خود را از دست میدهد چرا که این موتور به گونهای تنظیم شده که با میزان مخلوط سوخت و هوای مشخصی کار کند و تغییر این نسبت باعث میشود موتور نتواند با سیکل HCCI کار کند. البته در این زمینه راه حلهایی در دست اجرا است اما هنوز نتوانستهاند به خوبی این مشکل را حل کنند.
یکی از راه حلهایی که خودروسازان در این زمینه در پیش میگیرند (که نمونه آن را میتوان در موتور تولید شده از سوی GM دید) ترکیب موتور HCCI با موتور بنزینی معمولی است به این معنی که در دورهای موتور پایین و بار کم روی موتور، موتور با سیکل HCCI کار میکند و زمانی که راننده تصمیم به شتابگیری و یا افزایش سرعت دارد، سیستم جرقهزنی به کار میافتد و موتور مانند یک موتور بنزینی به کار ادامه میدهد. به این ترتیب موتور خودرو از سیستم جرقهزنی برخوردار است ولی در دورهای موتور پایین بدون وجود جرقه، مخلوط مشتعل میشود و در دورهای موتور پایین موتور میتواند مزیت کاهش مصرف سوخت و کاهش تولید گازهای آلاینده را داشته باشد و در عین حال در دورهای موتور بالا قدرت لازم را تولید کند تا به این ترتیب قدرت موتور با نمونههای صرفاً بنزینسوز معمولی با سیستم جرقهزنی تفاوتی نداشته باشد. البته خودروسازان همچنان به دنبال سیستمهای عملی هستند که نیاز به این تغییر وضعیت را بر طرف کند و به نظر میرسد دایملر در این زمینه جلوتر از سایرین باشد.
روشن کردن خودرو در هوای سرد نیز یکی دیگر از مشکلات است. در دمای پایین، بدنه سیلندرها و هوای وارد شده به سیلندر و حتی سوخت سرد است و همین مسئله باعث میشود دمای هوای فشرده شده در مرحله تراکم هم پایین بیاید. این مسئله در کنار این واقعیت که موتورهای HCCI فاقد سیستم جرقهزنی هستند و دمای اشتعال ذاتی آنها نیز پایینتر است باعث میشود در هوای سرد، شروع به کار موتور دچار مشکل شود. در این زمینه راه حلهایی در دست بررسی است اما در نمونههای عملی، همچنان از ترکیب موتور HCCI با موتورهای معمولی بنزینی استفاده میشود به این معنی که موتور با استفاده از جرقه شمع روشن میشود و در ادامه با گرم شدن موتور، سیکل HCCI آغاز میشود.
آلایندگی بالاتر در زمینه هیدروکربنها و مونو اکسید کربن هم از جمله مشکلات این موتورها است که ناشی از دمای اشتعال پایین است. برای کاهش این آلایندهها بعضی از خودروسازان استفاده از سیستم تزریق مستقیم سوخت را پیشنهاد میکنند اما عموماً به استفاده از کاتالیستها روی آوردهاند که در این زمینه کارآیی مطلوبی دارند. البته اینجا هم بحث دمای پایین اشتعال در این سیستم مشکلساز است چرا که کاتالیستها برای کارایی مناسب باید گرم شوند و این موتورها به دلیل آنکه گازهای خروجی اگزوز سردتری نسبت به موتورهای دیزل و بنزینی معمولی دارند نمیتوانند به سرعت از پس گرم کردن کاتالیزورها برآیند و این مسئله باعث بالا بودن آلایندگی آنها در زمینه این دو آلاینده میشود. در این زمینه تحقیقاتی در دست انجام است اما برای رسیدن به کارآیی مطلوب کاتالیستها، نیاز به استفاده از فلزات گران قیمت است که تولید این خودروها را غیر اقتصادی میکند.
سیکل HCCI به دلیل آنکه فاقد شمع است و از فشرده کردن هوا و یا مخلوط سوخت و هوا برای انفجار استفاده میکند، نیاز به ضریب تراکم بالایی دارد که این مسئله به معنی فشار بالای محفظه احتراق (مانند موتورهای دیزل) است و همین مسئله باعث میشود به قطعات این موتورها فشار بیاید هر چند استفاده از فلزات محکمتر میتواند این مشکل را برطرف کند اما در این صورت موتور سنگینتر میشود.
در نهایت پدیده اشتعال خود به خود در این موتورها میتواند یکی از مشکلات باشد. این موتورها باید به طور دقیق تنظیم شوند و میزان سوخت پاشیده شده درون سیلندر کاملاً دقیق باشد تا دچار این پدیده نشوند در حالی که در موتورهای بنزین و دیزلی، این پدیده به راحتی قابل کنترل است. با تمام اینها، شرکتهای بزرگ خودروسازی همچنان راه حلهایی را در زمینه ارتقاء این موتورها ارائه میکنند و شاید با یکی از این راه حلها، موتورهای HCCI در آینده به موتورهای درونسوز تبدیل شوند.


مرجع تخصصی خودرو و تیونینگ | پارس تیونینگ

در موتور های مجهز به سیستم HCCI، انفجار ذرات سوخت بر خلاف موتور های بنزینی و دیزلی عادی، به طورت نقطه ای آغاز نمی شود بلکه به صورت لحظه ای در تمام حجم سیلندر رخ می دهد و به همین دلیل احتراق کامل تری است و مصرف سوخت و آلایندگی را کاهش می دهد.

هفته نامه دنیای خودرو - صفحه اصلی