پانزدهمین همایش بین‌المللی موتورهای درون‌سوز به میزبانی شرکت سایپا-سیتروئن و با مشارکت انجمن علمی موتور ایران بستری برای تشریح آخرین برنامه‌های مهندسی قوای محرکه در کشور فراهم کرد. در این رویداد تخصصی، خبر اتمام توسعه نخستین خودرو پلاگین هیبرید سایپا اعلام شد، محصولی که در دو نسخه برای ناوگان حمل‌ونقل عمومی و استفاده شخصی عرضه می‌شود. نسخه شخصی این خودرو با نام آریانو و چهره‌ای به‌روزتر به همراه تجهیزات هوشمند طراحی شده است. بر اساس محاسبات و مطالعات اولیه، میزان مصرف سوخت این خودرو در سیکل ترکیبی استاندارد 2.7 لیتر در هر 100 کیلومتر برآورد می‌شود. طبق آمار رسمی اعلام‌شده توسط مهدی رادمنش، میانگین مصرف سوخت خودروهای صفرکیلومتر تولیدی کشور 8.3 لیتر در 100 کیلومتر است و این عدد برای سبد محصولات فعلی این گروه خودروسازی 7.3 لیتر ثبت شده است. برنامه استراتژیک مطرح‌شده، کاهش این رقم به 5.5 لیتر طی 5 سال آینده را هدف قرار داده است. ارزیابی مهندسی این ادعاها و بررسی واقع‌بینانه نحوه عملکرد سیستم دوگانه سوز برقی و بنزینی در شرایط اقلیمی و ترافیکی ایران، اهمیت بالایی برای خریداران نهایی و رانندگان ناوگان دارد.
سامانه قوای محرکه هیبرید شارژپذیر یا پلاگین‌هیبرید (PHEV) ترکیبی از یک پیشرانه احتراق داخلی، حداقل یک موتور الکتریکی، اینورتر قدرت و بسته باتری کششی ولتاژ بالا است. با وجود معرفی آریانو و اعلام عرضه آن در قالب دو نسخه تاکسی و شخصی، جزئیات مهمی از مشخصات فنی هنوز توسط سازنده اعلام نشده است. حجم دقیق پیشرانه بنزینی، نوع چرخه احتراق مانند چرخه اتکینسون، ظرفیت کیلووات‌ساعتی پک باتری، توان و گشتاور خروجی موتور برقی و حداکثر پیمایش در حالت تمام‌برقی از جمله موارد نامشخص هستند. همچنین ساختار دقیق پلت‌فرم و وضعیت بومی‌سازی قطعات حساس الکترونیک قدرت شامل سیستم مدیریت حرارتی باتری و گیربکس چندحالته شفاف‌سازی نشده است. بدون دسترسی به این اطلاعات، ارزیابی دقیق توان حرکتی و شتاب خودرو غیرممکن خواهد بود. با این حال بررسی مشخصات فنی سایپا آریانو نشان می‌دهد که این کراس‌اوور برقی‌سازی‌شده نیازمند بستر فنی مطمئنی برای پشتیبانی قطعات فشار قوی در طول دوران گارانتی است.
آیا ادعای مصرف سوخت خودرو پلاگین هیبرید سایپا در ترافیک واقعی صحت دارد؟
برای تحلیل ریشه رقم 2.7 لیتر در 100 کیلومتر، باید روش‌شناسی آزمون‌های استاندارد سنجش مصرف سوخت در خودروهای پلاگین‌هیبرید را کالبدشکافی کرد. در چرخه‌های تست آزمایشگاهی، خودرو آزمون را با شارژ 100 درصدی باتری کششی آغاز می‌کند. در بخش عمده مسافت اولیه آزمون، خودرو تنها با اتکا به انرژی الکتریکی ذخیره‌شده در باتری حرکت کرده و پیشرانه بنزینی خاموش می‌ماند یا در کمترین سطح زیر بار قرار می‌گیرد. در انتهای مسیر آزمایشی، تنها حجم بنزین مصرف‌شده در مسافت پیموده‌شده محاسبه می‌شود. این فرمول استاندارد، عدد بالایی را برای بنزین مصرفی نشان نمی‌دهد زیرا برق مصرفی شبکه شهری در محاسبه لیتر سوخت لحاظ نمی‌شود.
کارکرد خودرو در خیابان‌ها و ترافیک شهری تفاوت آشکاری با محیط ایزوله آزمایشگاه دارد. اگر باتری فشار قوی خودرو شارژ نشود و خودرو در حالت تخلیه شارژ حرکت کند، پیشرانه بنزینی ناچار است علاوه بر تامین نیروی پیشران، وزن اضافی باتری‌ها، موتور الکتریکی و بردهای قدرت را نیز جابه‌جا کند. در مهندسی خودرو، این وضعیت حالت حفظ شارژ نامیده می‌شود. در ترافیک سنگین کلان‌شهرها، مصرف سوخت خودرو در این حالت نه تنها 2.7 لیتر نخواهد بود، بلکه می‌تواند به راحتی به 7 تا 8.5 لیتر در 100 کیلومتر برسد. دست‌یابی به عدد 2.7 لیتر مستلزم شارژ منظم شبانه باتری و انجام پیمایش‌های روزانه در شعاع شعاع حرکتی تمام‌برقی است.
تفاوت کیفیت سوخت در جایگاه‌های کشور نیز اثر مستقیمی بر عملکرد این پیشرانه‌ها دارد. بنزین با عدد اکتان پایین و ناخالصی‌های موجود، ریسک بروز پدیده خودسوزی و ضربه یا ناک را در پیشرانه‌های تراکم بالا یا توربوشارژ افزایش می‌دهد. در سیستم‌های هیبریدی که پیشرانه احتراقی به صورت مداوم خاموش و روشن می‌شود، کیفیت روغن موتور و سوخت اهمیت مضاعفی پیدا می‌کند. اگر راننده امکان شارژ الکتریکی نداشته باشد، کارکرد مداوم موتور بنزینی تحت فشار وزنی اضافه، استهلاک قطعات اصلی نظیر سرسیلندر، توربوشارژر و کاتالیزور را شتاب می‌دهد و هزینه‌های جاری نگهداری را به شدت بالا می‌برد.
چالش‌های شارژ و استهلاک باتری آریانو در ناوگان عمومی
برنامه‌ریزی برای عرضه یک نسخه از این سامانه در ناوگان تاکسیرانی کشور، رویکردی هدفمند برای کاهش آلایندگی هوا به نظر می‌رسد، اما اجرا در میدان عمل با موانع ساختاری روبرو است. یک تاکسی شهری روزانه بین 150 تا 250 کیلومتر در ترافیک حرکت می‌کند. راننده تاکسی در طول ساعات کاری فرصت توقف چند ساعته برای شارژ با جریان متناوب را ندارد و محتاج ایستگاه‌های شارژ سریع با جریان مستقیم است. زیرساخت شارژ سریع در اکثر شهرهای کشور هنوز به میزان کافی توسعه نیافته است و توزیع ناهمگون ایستگاه‌ها چالش عمده‌ای برای رانندگان ایجاد می‌کند.
بدون دسترسی سریع به شبکه شارژ، تاکسی‌های پلاگین‌هیبرید عملا مانند خودروهای بنزینی سنگین‌وزن کار خواهند کرد و هدف کاهش مصرف سوخت محقق نخواهد شد. علاوه بر این، شرایط اقلیمی ایران و دمای بالای تابستان در مناطق گرمسیری و ترافیک‌های طولانی، فشار حرارتی مضاعفی بر سلول‌های باتری وارد می‌کند. باتری‌های لیتیوم-یون در دمای بالای 40 درجه سانتی‌گراد دچار افت کارایی سریع‌تر می‌شوند. سامانه مدیریت حرارتی باید به طور مداوم مایع خنک‌کننده را به گردش درآورد تا از پدیده فرار حرارتی و کاهش ظرفیت باتری جلوگیری کند. این عملکرد به خودی خود بخشی از انرژی ذخیره‌شده را مصرف می‌کند. بررسی راهکارهای عملی برای مدیریت خروجی توان و کنترل مخارج پرداختی در مقاله هزینه مالکیت خودروهای پلاگین هیبرید تحلیل شده است.
مسئله پیچیدگی خدمات پس از فروش و تعمیرپذیری سامانه‌های فشار قوی نیز حیاتی است. سیستم‌های برقی این خودروها با ولتاژ بالاتری نسبت به سیستم‌های 12 ولت معمول کار می‌کنند که نیازمند عایق‌کاری، ایمنی و تجهیزات کارگاهی ویژه است. تعمیرگاه‌های غیررسمی امکان عیب‌یابی و تعمیر ابزارهای الکترونیک قدرت، اینورتر و پک باتری را ندارند. در صورت نبود شبکه خدمات پس از فروش مجهز و قطعات یدکی باکیفیت، مالکان این خودروها با خواب طولانی خودرو در نمایندگی‌ها و افت شدید ارزش کارکرده مواجه خواهند شد. تامین گارانتی طولانی‌مدت برای بسته باتری توسط شرکت سازنده، شرط اصلی ایجاد اطمینان خاطر در بازار مصرف است.
نقش خانواده پیشرانه‌های جدید در هدف پنج‌ساله کاهش مصرف سوخت
استراتژی گروه خودروسازی برای کاهش مصرف سوخت ناوگان از 7.3 لیتر به 5.5 لیتر طی 5 سال، تنها متکی بر برقی‌سازی نیست، بلکه ارتقای پیشرانه‌های درون‌سوز را نیز شامل می‌شود. بر اساس اطلاعات ارائه شده توسط مدیران مگاموتور، طراحی نخستین موتور از خانواده جدید پیشرانه‌های سه‌عضوی سایپا به پایان رسیده و پروژه وارد فاز نمونه‌سازی و کالیبراسیون شده است. خروج پیشرانه‌های قدیمی هشت‌سوپاپه از خطوط تولید و جایگزینی آن‌ها با موتورهای مجهز به سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها، توربوشارژرهای مدرن و سیستم بازچرخانی گازهای خروجی، گامی حیاتی در جهت افزایش راندمان حرارتی محسوب می‌شود.
در همایش بین‌المللی موتورهای درون‌سوز اشاره شد که راندمان حرارتی موتورهای احتراقی به کار رفته در سیستم‌های هیبریدی در سطح جهانی از حدود 41 درصد در سال 2016 به نزدیکی 50 درصد در شرایط آزمایشگاهی ارتقا یافته است. دست‌یابی به چنین بازدهی بالایی از طریق به‌کارگیری چرخه اتکینسون، افزایش نسبت تراکم موثر و کاهش اصطکاک قطعات متحرک امکان‌پذیر می‌شود. موتور بنزینی در یک سامانه هیبریدی می‌تواند در بهینه‌ترین نقطه کاری خود از نظر مصرف سوخت و آلایندگی فعالیت کند و وظیفه تامین گشتاور ناگهانی در دورهای پایین را به موتور برقی واگذار کند. حدود 70 مقاله علمی پذیرفته‌شده در همایش که شامل 37 مقاله در حوزه موتور و آلایندگی و 30 مقاله در حوزه خودروهای برقی و هیبریدی بود، نشان‌دهنده تمرکز پژوهشگران بر حل همین چالش‌های فنی است.
تحقق هدف‌گذاری پنج‌ساله برای رسیدن به میانگین مصرف 5.5 لیتر در ناوگان تولیدی، نیازمند سرمایه‌گذاری سنگین در تجهیز خطوط مونتاژ، تامین ارز برای قطعات پیشرفته الکترونیکی و ارتقای استاندارد تولید قطعات مکانیکی است. کوچک‌سازی پیشرانه‌ها و افزایش نسبت توان به حجم، حساسیت موتور را نسبت به کیفیت سوخت و روغن افزایش می‌دهد. بنابراین هم‌راستاسازی صنایع پالایشی برای توزیع سراسری سوخت باکیفیت، شرط مکمل موفقیت این پروژه‌های مهندسی خواهد بود.
توسعه خودروهای پلاگین‌هیبرید و خانواده موتورهای جدید سه‌عضوی، نشان‌دهنده تغییر جهت فنی خودروسازی کشور به سمت فناوری‌های کاهش مصرف سوخت است. با این حال، موفقیت تجاری آریانو و نسخه تاکسیرانی آن بیش از آنکه به اعداد اعلام‌شده در شرایط آزمایشگاهی وابسته باشد، به سرعت توسعه زیرساخت‌های شارژ سریع، کیفیت بومی‌سازی ادوات فشار قوی و شبکه خدمات پس از فروش بستگی دارد. بازار خودرو ایران در سال‌های آینده نشان خواهد داد که آیا خریداران و رانندگان ناوگان عمومی حاضر به پذیرش هزینه‌های نگهداری و پیچیدگی‌های فنی سامانه‌های دوگانه برقی-احتراقی خواهند بود یا خیر.
