|
فن آوري موتورهاي آينده در خودروهاي سواري
مقدمه:
آلايندگي و مصرف سوخت
خودروها بدليل محدوديتهاي زيست محيطي، ظرف 10
سال آينده بايستي به ميزان قابل توجهي بهبود يابد. فن آوريهاي جديد در
زمينه موتورهاي بنزيني، نظير كوچك سازي موتورها به لحاظ
اندازه
(Downsizing) با استفاده از
تقويت بالاي آنها
(High Boosted)،
موتورهاي با تزريق
مستقيم
(GDI)
و سيستم سوپاپهاي
كاملاً متغير
(Fully Variable
Valve Train) هم اکنون در حال
توسعه
مي باشند.
در مورد موتورهاي
ديزل نيز بخشهايي که
انتظار مي رورد
توسعه يابند، شامل انژكتورهاي پيزو الكتريك، فيلترهاي
ذرات معلق و سيستم كاتاليستهاي
DeNOx مي
باشند.
در اين يادداشت
ابتدا به بررسي الزامات استانداردهاي آلايندگي پرداخته و پس از آن تمهيداتي
که جهت دستيابي به اين استانداردها در موتورهاي بنزيني و ديزل بکار گرفته
شده است را معرفي مي نماييم. در بخش اول موتورهاي بنزيني را مورد بحث و
بررسي قرار خواهيم داد.
الزامات
استانداردهي
آلايندگي در آينده:
قوانين اروپايي روي
آلاينده هاي خطرناك اگزوز كه در سال
2000 نسبتاً
سختگيرانه به اجرا در آمد بار ديگر در سال
2005
سختگيرانه تر خواهد شد. محدوديتهاي استاندارد آلايندگي
EURO IV براي آلاينده هاي
HC و
NOX و ذرات معلق حدود
50% سطح
كنوني اين گازهاي مضر ميباشد (استاندارد
آلايندگي اروپا در سال
2004 مطابق
با استاندارد
EURO III
است). مرحله بعد در استانداردهاي اروپايي كهEURO V
ناميده ميشود احتمالاً با تمركز روي ذرات معلق،
به بهينه سازي بيشتري نياز دارد.
از سوي ديگر
در استاندارد آمريكايي
TIER 2 كاهش مرحله به مرحله
NMOG (گازهاي اورگانيك غير متان) و کاهش
متوسط
NOX ناشي از ناوگان
اتوبوسراني
از سال
2004 تا
2007 مد نظر
است . از سال
2003 به بعد در كاليفرنيا ميبايستي حداقل
10% فروش هر
سازنده اتومبيل، خودروهيي با آلايندگي صفر يا معادل آن باشد.
نگراني در مورد اثر
گازهي
گلخانه ي، خودروسازان اروپايي را وادار كرده است كه تا سال
2008 خودروهايي توليد نمايند كه متوسط
CO2 منتشره
از آنها زير
140 gr/Km باشد.
يعني كاهش مصرف سوخت بايستي به ميزان بيش از
25%
در مقايسه با سطح تعيين
شده در سال
1995 باشد.
همچنين
كاهش بيشتر به سطح
120 gr/Km تا سال
2012 نيز
در سال
2003
تحت بحث و بررسي قرار
گرفت.
از طرفي
همزمان با
طرح مباحث
آليندگي، مشتريان نيازمند ايمني
و آسايش بيشتري نسبت به
سابق خواهند بود كه
ين مساله
تنها با
افزيش
وزن
خودرو ميسر خواهد
شد و
واضح است که
اين موضوع با مصرف كمتر انرژي منافات دارد. همچنين ضمن حفظ
حداقل عملكرد خودرو،
در عين حال نبيد هزينه
مالكيت
خودرو
افزايش يابد.
فن آوري آينده در
موتورهاي بنزيني:
هدف اصلي در توسعه
موتورهاي اشتعال جرقه اي، بهبود مصرف سوخت و در نتـيجه كاهش انتشار گاز
CO2
ميباشد. از ديدگاه ترموديناميكي، دستيابي به راندمان بيشتر، با عملكرد
موتور در بارهاي زياد و كاهش در افت تبادل گاز و حرارت در بارهاي جزيي ممكن
ميباشد. راه حلهاي فني براي اين منظور عبارتند از :كوچك سازي سايز موتورها
و استفاده از سوپر شارژ، فن آوري سوپاپهاي كاملاً متغير و پاشش مستقيم.
كوچك سازي(DOWNSIZING )
يك استراتژي براي
بهبود قابل توجه در مصرف سوخت، كاهش حجم جابجايي موتور با حفظ شكل منحني
گشتاور ميباشد.با افزايش فشار تغذيه تا
2.5 بار و
كاهش نسبت تراكم در بارهاي زياد مي توان به اين هدف دست يافت. در شكل شماره
يك، منحني هاي گشتاور و مصرف سوخت دو موتور يكي موتور
3 ليتري
با تنفس طبيعي و ديگري موتور
1.5 ليتري
با سوپر شارژ بالا، با يكديگر مقايسه شده است. همانگونه كه شكل نشان مي
دهد، مصرف سوخت ويژه در بارهاي جزيي در حدود
2.5% بهبود
يافته است. فن آوري جديد مورد نياز براي اين منظور در سمت راست شكل نشان
داده شده است.
سوپر شارژهاي
مكانيكي با راندمان بالا دستيابي به گشتاورهاي لحظه اي و بالا را فراهم مي
نمايد. استفاده از سوپرشارژ منجر به پديده ناك يا ضربه در بارهاي زياد مي
گردد. براي احتراز از اين موضوع يك سيستم نسبت تراكم متغير ابداع شده است
(پايين سمت راست شكل) تا با كاهش نسبت تراكم، دستيابي به فرايند احتراق
بدون ناك را در بارهاي زياد ممكن سازد؛ در حاليكه قادر است در بارهاي جزيي،
تراكم بهينه را حفظ نمايد.
سيستم سوپاپ بندي
كاملاً متغير:
با سيستم سوپاپ
بندي كاملاً متغير مي توان روشهاي مديريت سيلندر و سوپاپها را معرفي نمود.
همانطور كه در شكل دو نشان داده شده است، در حال حاضر سوپاپهيي ساخته شده
اند كه قادرند با استفاده از نيروي الكترومغناطيسي و يك بازو مابين فنرهاي
مكانيكي، هرگونه پروفيل باز و بسته شدني را براي سوپاپها ايجاد نمايند. با
كنترل جريان الكتريكي، بازو ميتواند در موقعيت انتهايي خود نگه داشته شود
بنابراين سوپاپ مطابق با نياز ميتواند باز يا بسته نگه داشته شود. از
آنجائيكه زمانبندي سوپاپها ميتواند بصورت آزادانه تنظيم شود، جرم هواي
ورودي و گازهاي باقيمانده را ميتوان با سوپاپها تعيين نمود.
بدين وسيله ميتوان
از افت دريچه گاز اجتناب كرد و ميزان تشكيل
NOX را در
بارهاي جزئي كاهش داد. از انجاييكه در اين روش زمان بندي هر سوپاپ براي هر
سيلندر را مي توان بصورت جداگانه تنظيم نمود، بنابراين فعال يا غير فعال
كردن هر سيلندر با اين روش ميسر ميگردد(Cylinder Cut
Off) . مكانهايي كه در
آنها سيلندرها غير فعال ميگردد يا سوپاپهاي آنها باز ميگردد در منحني
عملكردي موتور در شكل دو نشان داده شده است. اندازه گيري مصرف سوخت نمونه
هاي ساخته شده بر اساس ين تکنيک، كاهش مصرف سوخت تا
15% و در
صورت بكارگيري فرايند غير فعال سازي سيلندرها تا
20%
را نشان مي دهد.
پاشش مستقيم:
ابداع سيستمهاي
جديد تزريق با فشار بالا و پيشرفت در سيستم كاتاليستهاي
DeNOx منجر
به اولين توليد انبوه موتورهاي پاشش مستقيم بنزيني با شارژطبقه اي
(stratified
charge direct injection gasoline engine)
شده كه کاهش مصرف سوخت بين
10% تا
15% را به
ارمغان آورده است. همانطور كه شكل سه نشان ميدهد،براي دستيابي به بهترين
مصرف سوخت، اين موتورها در بارهاي جزئي و مخلوط هوا و سوخت بسيار رقيق با
نسبتي تا
3 كار
ميكنند.
در بارهاي زياد يا
بار كامل به منظور تامين ماكزيمم قدرت خروجي، مخلوط هوا و سوخت بصورت همگن
وارد محفظه احتراق مي گردد. جهت پايداري فرايند احتراق و اجتناب از تشكيل
SOOT (دوده)
در بار هي جزئي، حالت مخلوط هوا و سوخت با حركت كنترل شده هواي ورودي
تامين مي گردد. با طراحي نشان داده شده در سمت راست بالاي شكل سه، مخلوط با
حركت پيچشي رو به جلو
(Forward Air
Tumble) در فاصله هوايي
شمع پايدار ميگردد. شايان ذکر است که پايداري فرآيند احتراق در موتورهاي
GDI، بدليل
نسبت هوا به سوخت بالا(رقيق سوز بودن)، از چالشهي اساسي اين نوع موتورها
مي باشد. در اين حالت از يك انژكتور نوع چرخشي(Swirl-Type)
استفاده مي شود. نسل بعدي سيستمهاي پاشش مستقيم که در شكل پائين سمت راست
نمايش داده شده است، عملکردي شبيه به فرآيند احتراق درموتورهاي ديزل
خواهند داشت؛ يعني پاشش توام با فرايند احتراق.
از آنجائيكه كاتاليستهاي سه راهه
تنها در شرايط استوكيومتريك عمل مي كنند، يك سيستم کاتاليستي
DeNOx بايستي
به مجموعه افزوده گردد تا كاهش آلاينده ها را در فرآيند شارژ طبقه ي،
مطمئن سازد. به همين دليل سوخت مورد استفاده نيز بايد عاري از گوگرد
باشد.
برگشت
|
