توسعه پیشرانههای درونسوز در سالهای گذشته وارد مرحله متفاوتی شده است. بسیاری از تحلیلگران تصور میکردند با گسترش خودروهای تمام برقی، سرمایهگذاری روی فناوری موتورهای بنزینی متوقف خواهد شد، اما ارتقای بازده حرارتی موتور دانگ فنگ نشان داد که مهندسان هنوز راهکارهای موثری برای افزایش کارایی سیستمهای احتراقی در اختیار دارند. دستیابی پیشرانه ماخ پاور ۲.0T به بازدهی حرارتی تاییدشده ۴۵.۵ درصد، حدومرزهای قبلی صنعت خودرو را تغییر داده است. این رکورد رسمی که توسط مرکز بازرسی و تحقیقات خودروی چین (کاتارک هواچنگ) ثبت شده، بالاتر از رکورد ۴۱ درصدی پیشرانه ۲.۵ لیتری چهار سیلندر تویوتا با کد A25A-FXS قرار میگیرد. در شرایطی که خودروسازان ژاپنی سالها پیشتاز طراحی پیشرانههای پربازده برای سامانههای هیبریدی بودند، جهش فنی خودروسازان چینی ابعاد تازهای به رقابت بینالمللی بخشیده است. بررسی این دستاورد نشان میدهد که راندمان بالای ۴۵ درصد صرفا یک ادعای آزمایشگاهی نیست، بلکه حاصل اصلاحات عمیق در هندسه سیلندر، فشار پاشش سوخت و مدیریت جریان گازهای خروجی است.
برای درک اهمیت این عدد باید مفاهیم پایه راندمان حرارتی در موتورهای بنزینی را مرور کرد. بازده حرارتی مشخص میکند چه سهمی از انرژی شیمیایی موجود در بنزین به نیروی مکانیکی تبدیل میشود و چه مقداری از آن به شکل حرارت تلفشده از طریق سیستم خنککاری و اگزوز خارج میگردد. در اکثر پیشرانههای بنزینی معمولی، این عدد بین ۳۰ تا ۳۵ درصد متغیر است. دستیابی تویوتا به تراز ۴۱ درصد در سامانه Dynamic Force گام بزرگی برای کاهش مصرف سوخت در خودروهای هیبریدی محسوب میشد. اما بازدهی ۴۵.۵ درصدی در پیشرانه Mach Power 2.0T بدین معناست که بیش از چهار و نیم درصد انرژی مفید بیشتری از سوخت استخراج میشود. این تفاوت در مقیاس کارکرد سالانه، مصرف سوخت ترکیبی و آلایندگی کربنی را به شکل محسوسی کاهش میدهد. تحلیل این تحولات نشان میدهد که نقش صنعت خودرو چین در تحول فناوری تنها به ساخت باتری محدود نمیشود، بلکه بازطراحی زیرساختهای مکانیکی را نیز در بر میگیرد.
عوامل موثر در افزایش بازده حرارتی موتور دانگ فنگ
پایه و اساس دستیابی به این راندمان، معماری خاص سیلندرها و اتخاذ نسبت کورس به قطر سیلندر ۱.۲۹ است. این نسبت، نشاندهنده یک ساختار شدیدا کورسبلند است که در آن مسافت حرکت پیستون طولانیتر از قطر محفظه احتراق طراحی شده است. طراحی کورسبلند موجب میشود اختلاط سوخت و هوا با اغتشاش بهتری انجام گیرد، سرعت جبهه شعله افزایش یابد و فرآیند سوزاندن مخلوط در دورهای پایین بهینه شود. نتیجه مستقیم این معماری، تولید گشتاور بالا در دورهای پایین و کاهش سطح تماس گازهای داغ با دیواره سیلندر است که تلفات گرمایی را به حداقل ممکن میرساند.
پارامتر دوم، بکارگیری سامانه پاشش مستقیم سوخت با فشار ۳۵۰ بار یا ۳۵ مگاپاسکال است. پاشش بنزین تحت چنین فشار بالایی، قطرات سوخت را به ذرات بسیار ریز میکرونی تبدیل میکند. پودر شدن کامل سوخت باعث میشود سطح تماس مولکولهای بنزین با اکسیژن به حداکثر برسد و سرعت احتراق افزایش یابد. این موضوع مانع از تشکیل خامسوزی شده و پدیده ناک یا احتراق پیشرس را مهار میکند. در کنار این سامانه، بهرهگیری از بازچرخانی گازهای اگزوز خنکشونده (EGR) دمای محفظه احتراق را در بار کامل کنترل کرده و میزان آلاینده اکسید نیتروژن را کاهش میدهد.
مهندسان برای کاهش تلفات مکانیکی، پوششهای کربنی الماسگون (DLC) را روی دیواره سیلندرها، بادامکها و گویهای پیستون اعمال کردهاند. این پوشش سخت، اصطکاک قطعات متحرک را به حداقل رسانده و از سایش در شرایط کاری شدید جلوگیری میکند. همچنین بکارگیری پمپ روغن با دبی متغیر الکترونیکی سبب میشود که سامانه روانکاری تنها به اندازه نیاز واقعی پیشرانه انرژی مصرف کند. یکپارچهسازی این فناوریها تحت بستهای تحت عنوان MAKC شکل گرفته تا تمام اجزای موتور در هماهنگی کامل برای بهینهسازی راندمان عمل کنند.
عملکرد توربوشارژر VGT و حفظ توان در ارتفاعات
تفاوت عمده پیشرانه ماخ پاور ۲.0T با موتورهای پربازده ژاپنی در استفاده از توربوشارژر با هندسه متغیر (VGT) است. پیشرانههای پربازده تویوتا عموما تنفس طبیعی هستند و در سیکل آتکینسون کار میکنند که در آنها بخشی از توان خروجی فدای کاهش مصرف سوخت میشود. اما استفاده از توربوشارژر VGT در موتور دانگ فنگ اجازه میدهد زوایای پره توربین در دورهای مختلف تغییر کرده و بوست مناسب در تمام شرایط فراهم شود. این مسئله تاخیر توربو را به حداقل رسانده و تراکم توان را در محدوده وسیعی از دور موتور حفظ میکند.
اهمیت این طراحی در خودروهای سنگین و پیمایش مسیرهای کوهستانی مشخص میشود. با افزایش ارتفاع از سطح دریا و کاهش چگالی هوا، موتورهای تنفس طبیعی با افت شدید توان مواجه میشوند. توربوشارژر VGT در این پیشرانه شرایطی فراهم ساخته تا تراکم توان موتور تا ارتفاع ۲۵۰۰ متری از سطح دریا بدون کسر محسوس حفظ شود. بکارگیری این پیشرانه در شاسیبلند سنگین منگشی ام-هیرو ۹۱۷ نشان میدهد که این موتور برای شرایط سخت عملیاتی و آفرود سنگین در نظر گرفته شده است.
در خودروهای هیبریدی سنگین، پیشرانه درونسوز نقش مولد انرژی یا ژنراتور شارژ باتری را ایفا میکند. بالا بودن بازده حرارتی در چنین ساختاری باعث میشود موتور بنزینی در بهترین نقطه کاری خود فعالیت کرده و با حداقل مصرف سوخت، حداکثر جریان الکتریکی را تولید کند. همچنین کاهش تلفات حرارتی مانع از داغ شدن مکرر مجموعه در زیر بارهای سنگین مداوم میشود که این امر به بهبود پایداری مجموعه نیرو محرکه میانجامد. برای مقایسه استهلاک و رفتارهای حرارتی در خودروسازان ژاپنی، میتوان مقاله چرا دوام موتور تویوتا در پیشرانه های جدید تغییر کرده است را مطالعه کرد.
چالشهای سوخت و حساسیتهای نگهداری در کارکرد طولانیمدت
تحلیل دقیق مشخصات فنی بدون در نظر گرفتن شرایط نگهداری و کیفیت سوخت کامل نخواهد بود. سامانه پاشش مستقیم ۳۵۰ بار و پوششهای ظریف DLC نسبت به کیفیت بنزین و وجود ناخالصیها بسیار حساس هستند. بنزین با اکتان نامناسب یا حاوی صمغ و گوگرد بالا میتواند نازل انژکتورها را مسدود کرده و احتراق ناهمگون ایجاد کند. این پدیده در میانمدت میتواند به دیواره سیلندر آسیب زده و راندمان ۴۵.۵ درصدی را افت دهد.
از سوی دیگر، پیچیدگی سیستم EGR خنکشونده و پرههای متغیر توربوشارژر نیازمند استفاده از روغنموتورهای بسیار باکیفیت با گرانروی دقیق است. تشکیل رسوبات کربنی در مجاری EGR یکی از چالشهای شایع در موتورهای پاشش مستقیم است که در صورت عدم سرویس منظم، دمای محفظه احتراق را افزایش داده و ریسک ناک را بالا میبرد. بنابراین حفظ این بازده حرارتی در پیمایشهای طولانی نیازمند انضباط شدید در نگهداری خودرو است.
رقابت صنعتی میان برندهای پیشرو ژاپنی و شرکتهای چینی وارد مرحله تازهای شده است. خودروسازان ژاپنی سالها با تکیه بر سادگی، دوام بالا و پیشرانههای تنفس طبیعی سهم بازار را حفظ کرده بودند. اکنون خودروسازان چینی با تلفیق پاشش پرفشار، مدیریت الکترونیکی و توربوشارژرهای پیشرفته عدد راندمان را ارتقا دادهاند. چالش اصلی این پیشرانهها اثبات دوام ساختاری و حفظ عملکرد در پیمایشهای بالای ۱۰۰ هزار کیلومتر در شرایط سوخت گوناگون خواهد بود، پرسشی که پاسخ آن با حضور طولانیتر این خودروها در جادهها مشخص میشود.
