توسعه مهندسی در صنعت خودروسازی همواره با چالش‌ها و آزمون‌های پیچیده‌ای همراه است. خودروسازان برای افزایش راندمان حرارتی و کاهش آلایندگی، روش‌های متعددی را در طراحی سیستم‌های سوخت‌رسانی و اتاقک احتراق به کار می‌گیرند. یکی از جاه‌طلبانه‌ترین پروژه‌های مهندسی در سال‌های گذشته، تلاش برای ترکیب اصول کاری موتورهای دیزلی و بنزینی در قالب یک مجموعه مکانیکی یکپارچه بود. مهندسان سال‌ها در پی ساخت پیشرانه‌ای بودند که بتواند مخلوط سوخت و هوا را همانند موتور دیزل و تنها از طریق فشار بالای تراکم محترق کند، اما همچنان توانایی استفاده از سوخت بنزین را داشته باشد. در سال 2017 شرکت مزدا با معرفی فناوری احتراق تراکمی کنترل‌شده با شمع مدعی شد به این هدف دست یافته است. پیشرانه اسکای اکتیو X با هدف حفظ حیات موتورهای درون‌سوز در برابر موج برقی‌سازی طراحی گردید، اما بازخورد واقعی بازار و چالش‌های فنی عملیاتی، مسیر این پروژه را به سمتی متفاوت تغییر داد.
برای درک دقیق علل ناکامی تجاری این پروژه، باید ساختار فنی و اهداف اولیه آن را تحلیل نمود. خریداران و علاقه‌مندان خودرو با بررسی عملکرد واقعی پیشرانه اسکای اکتیو متوجه می‌شوند که حتی پیشرفته‌ترین ایده‌های تئوریک در صورت عدم توازن اقتصادی و حساسیت‌های شدید کارکردی، نمی‌توانند سهم پایدار در بازار جهانی به دست آورند. مزدا تلاش می‌کرد با دستکاری تراکم سیلندر، مصرف بنزین را کاهش دهد، اما پیچیدگی مکانیکی بالا در کنار نیاز به بنزین با کیفیت یکنواخت، مانع از همه‌گیری این فناوری شد. این موتور هرگز به بازار ایالات متحده آمریکا راه پیدا نکرد و در بازار اروپا نیز تنها روی خودروهایی مانند مزدا 3 و کراس‌اوورمزدا CX-30ارائه گردید. سرانجام محدودیت‌های فروش و هزینه‌های بالای عرضه، خودروساز ژاپنی را ناچار ساخت تا برنامه‌ریزی جدیدی برای جایگزینی این موتور تدوین کند.
چالش های مهندسی و عملکردی پیشرانه اسکای اکتیو در عمل
پایه اصلی عملکرد فنی این موتور بر فناوری احتراق تراکمی کنترل‌شده با شمع استوار شده بود. در این ساختار مکانیکی، نسبت تراکم سیلندر به عدد بالای 16.3 به 1 می‌رسید که برای یک موتور بنزینی رقمی استثنایی محسوب می‌شود. هدف مهندسان این بود که مخلوط هوا و بنزین رقیق تا حد ممکن متراکم شود تا بدون نیاز به جرقه مستقیم شمع، بر اثر گرما و فشار بالا به نقطه‌ای برسد که به طور هم‌زمان محترق گردد. با این حال، نقش شمع به طور کامل حذف نشد، بلکه شمع در لحظه‌ای مشخص جرقه‌ای محدود ایجاد می‌کرد تا جبهه فشاری محلی درون سیلندر شکل گیرد. این جبهه فشار مانند یک پیستون مجازی، باقی‌مانده مخلوط سوخت و هوا را متراکم‌تر می‌کرد تا احتراق سراسری رخ دهد. اگرچه این فرایند راندمان حرارتی را در شرایط آزمایشگاهی ارتقا می‌داد، اما محدوده پایداری آن بسیار باریک و شکننده بود.
یکی از مهم‌ترین چالش‌های این سیستم، میزان توان خروجی در برابر هزینه‌های سنگین تولید بود. نسخه 4 سیلندر 2 لیتری این موتور قدرتی معادل 178 اسب بخار و گشتاور 224 نیوتن‌متر تولید می‌کرد. این میزان قدرت برای خودروهای مدرن بازار به ویژه در مناطقی که خریداران خواهان شتاب‌گیری سریع‌تر بودند، کافی به نظر نمی‌رسید. برای مقایسه، موتور 2.5 لیتری تنفس طبیعی خانواده اسکای اکتیو G توانایی تولید 186 اسب بخار را داشت و نسخه توربوشارژ آن قدرتی در حدود 250 اسب بخار ارائه می‌داد. بنابراین مشتریان دلیلی برای پرداخت مابه‌التفاوت سنگین جهت خرید موتوری با قدرت کمتر نمی‌دیدند و به‌روزرسانی‌های نرم‌افزاری بعدی نیز نتوانست این شکاف عملکردی را پر کند.
از سوی دیگر، تعبیه قطعات جانبی متعدد جهت مدیریت دقیق جریان هوا، وزن کلی مجموعه را افزایش داد. برای تامین هوای مورد نیاز در حالت مخلوط رقیق، مهندسان مجبور به استفاده از یک سوپرشارژر کوچک و سنسورهای فشار بسیار حساس درون هر سیلندر شدند. این قطعات نه تنها ساختار بلوک موتور را پیچیده‌تر کردند، بلکه ریسک افت کارایی و هزینه تعمیرات را در میان‌مدت بالا بردند. وجود سنسورهای متعدد در محیط پرفشار و پرحرارت اتاقک احتراق، حساسیت‌های نگهداری را دوچندان می‌کرد و مالکان را در صورت بروز کوچک‌ترین نوسان کارکردی با هزینه‌های بالا مواجه می‌ساخت.
مدیریت حرارت و کنترل پدیده خودسوزی سوخت از دیگر موانع مهندسی در این پیشرانه بود. افزایش نسبت تراکم به 16.3 به 1 به طور طبیعی احتمال وقوع پدیده مخرب ناک را در سیلندر افزایش می‌دهد. واحد کنترل الکترونیکی موتور برای جلوگیری از ضربه زدن پیستون‌ها، ناچار بود مداوم زاویه آوانس جرقه را تغییر دهد. با کوچک‌ترین تغییر در دمای هوای ورودی یا نوسان کیفیت بنزین، کامپیوتر خودرو زمان جرقه‌زنی را عقب می‌کشید تا از آسیب فیزیکی جلوگیری کند. این عقب‌نشینی زمان‌بندی جرقه، بلافاصله موجب افت گشتاور خروجی و افزایش مصرف سوخت می‌شد و تمام مزایای تئوریک سیستم احتراق تراکمی را از بین می‌برد.
محاسبات اقتصادی مالکان و حساسیت پیشرانه اسکای اکتیو به کیفیت بنزین
از نگاه توجیه اقتصادی و هزینه مالکیت، ارقام اعلام‌شده با واقعیت‌های مالی خریداران تطابق نداشت. بر اساس آمار، نسخه مجهز به این موتور حدود 27 درصد گران‌تر از مدل پایه مزدا 3 با پیشرانه عادی به فروش می‌رسید. در مقابل این افزایش قیمت قابل توجه، میزان صرفه‌جویی در مصرف سوخت طبق ادعای کارخانه تنها حدود 9 درصد بود. خریدار برای جبران این اختلاف قیمت اولیه از محل کاهش مصرف بنزین، باید مسافتی معادل صدها هزار کیلومتر را طی می‌کرد تا مابه‌التفاوت پرداختی جبران شود. چنین توجیه اقتصادی ضعیفی باعث شد بخش عمده‌ای از خریداران از انتخاب این گزینه منصرف شوند.
عامل تعیین‌کننده دیگر در شکست تجاری این پروژه، وابستگی شدید سیستم احتراق به بنزین با عدد اکتان بسیار بالا بود. این پیشرانه برای حفظ حالت احتراق تراکمی نیاز دائمی به بنزین باکیفیت و با اکتان بالا داشت. در صورت استفاده از سوخت با کیفیت پایین‌تر، سیستم هوشمند موتور برای حفاظت از قطعات مکانیکی، حالت احتراق SPCCI را غیرفعال کرده و به حالت احتراق جرقه‌ای معمولی بازمی‌گشت. در این شرایط، نه تنها توان خروجی موتور کاهش می‌یافت، بلکه میزان مصرف بنزین حتی از موتورهای معمولی تنفس طبیعی نیز بالاتر می‌رفت. به همین علت، مسئلهخرید بنزین سوپربه یک چالش دائمی برای مالکان این خودروها تبدیل شده بود.
حساسیت بالای موتور به کیفیت سوخت، مانع از صادرات گسترده آن به بازارهای دارای بنزین متغیر گردید. در کشورهایی که سوخت استاندارد یکنواخت ارائه نمی‌شود، خطر رسوب‌زدایی مداوم، خرابی سنسورهای فشار و افت شدید توان خروجی وجود داشت. عدم عرضه این موتور در بازار بزرگ آمریکای شمالی، حجم تولید را محدود نگه‌داشت و مانع از شکل‌گیری اقتصادی مقیاس برای کاهش هزینه‌های ساخت شد. وقتی یک فناوری نتواند در بازارهای اصلی جهان حضور یابد، تامین قطعات یدکی و پشتیبانی خدمات پس از فروش آن نیز با چالش‌های ساختاری مواجه می‌شود.
ارزش بازفروش خودرو در بازار دست دوم نیز به چالش دیگری برای دارندگان تبدیل شد. افت قیمت شدید خودروهای مجهز به موتورهای پیچیده در بازار کارکرده، امری رایج است. خریداران دوم معمولا از خریدهای دارای ریسک تعمیراتی بالا دوری می‌کنند. وجود سیستم سوپرشارژر، سنسورهای اختصاصی سیلندر و قطعات گران‌قیمت در سیستم سوخت‌رسانی، ریسک مالی بالایی پس از اتمام دوره گارانتی ایجاد می‌کرد. همین موضوع باعث کاهش تقاضا در بازار دست دوم و افت ارزش سریع‌تر مدل‌های مجهز به این موتور در کشورهای اروپایی شد.
معماری لامبدا یک و آینده پیشرانه جدید مزدا
توقف توسعه این فناوری به معنای خروج مزدا از عرصه ساخت موتورهای درون‌سوز نیست. این خودروساز ژاپنی با درس گرفتن از تجربه گذشته، رویکرد جدیدی را اتخاذ کرده و در حال توسعه نسل تازه‌ای از موتورها با نام اسکای اکتیو Z است. این موتور چهار سیلندر خطی قرار است جایگزین موتورهای اسکای اکتیو G در آمریکای شمالی و جایگزین مستقیم اسکای اکتیو X در سایر بازارها شود. استراتژی جدید مهندسان ژاپنی بر سادگی ساختار، قابلیت اطمینان بالاتر و کاهش پیچیدگی‌های مکانیکی متمرکز شده است تا نیازی به قطعات حساس و گران‌قیمت نباشد.
در پیشرانه اسکای اکتیو Z محور اصلی اصلاحات بر پایه سیستم احتراق لامبدا یک استوار است. در این الگوی احتراقی، نسبت هوا به سوخت در تمام شرایط کاری موتور روی عدد ثابت 14.7 به 1 حفظ می‌شود. با نگه داشتن این نسبت دقیق در طیف گسترده‌ای از دورهای موتور و بار کاری، تمام اکسیژن ورودی با سوخت ترکیب شده و احتراق کامل رخ می‌دهد. این روش باعث افزایش راندمان حرارتی و کاهش ملموس آلاینده دی‌اکسید کربن می‌شود، بدون آن که نیاز به نسبت تراکم فوق‌العاده بالا یا سوپرشارژر جانبی باشد.
استفاده از نسبت سوخت و هوای متوازن، انطباق با استانداردهای سخت‌گیرانه یورو 7 و مقررات زیست‌محیطی آینده را تسهیل می‌کند. مزدا به‌جای اجبار بنزین به رفتاری مشابه سوخت دیزل، بر بهینه‌سازی فرایند احتراق بنزینی متمرکز شده است. این تغییر جهت نشان می‌دهد که سادگی طراحی در کنار نرم‌افزار مدیریت دقیق سوخت، راهکاری پایدارتر برای پاس کردن قوانین آلایندگی نسبت به راه‌حل‌های پیچیده مکانیکی ارائه می‌دهد.
تلفیق پیشرانه اسکای اکتیو Z با سیستم‌های کمکی برقی و فناوری‌های هیبریدی نیز در اولویت‌های تولید قرار دارد. بهره‌گیری از سیستم‌های هیبریدی خفیف یا پلاگین هیبرید در کنار این موتور، فشار وارد بر پیشرانه درون‌سوز را در شتاب‌گیری‌های سنگین و حرکت در ترافیک شهری کاهش می‌دهد. برقی‌سازی جزئی اجازه می‌دهد موتور بنزینی همواره در بهترین نقطه راندمان حرارتی خود فعالیت کند و مشکل افت گشتاور در دورهای پایین به طور کامل رفع شود.
تجربه پروژه اسکای اکتیو X نشان داد که برتری‌های نظری روی کاغذ بدون ارزیابی دقیق هزینه‌های مالکیت و شرایط عملیاتی سوخت، به موفقیت تجاری منجر نمی‌شوند. پیشرانه‌ای که 27 درصد قیمت بالاتر داشته باشد اما تنها 9 درصد بهبود در مصرف ارائه دهد، در ارزیابی اقتصادی خریداران مردود می‌شود. مزدا اکنون با ساده‌سازی فرایند سوخت‌رسانی و اتکا به نسبت احتراق لامبدا یک، گام مؤثری در جهت حفظ موتورهای درون‌سوز در کنار سیستم‌های برقی برداشته است. با این حال، سوال اصلی این است که آیا پیشرانه جدید اسکای اکتیو Z می‌تواند بدون پیچیدگی‌های گذشته، توازن لازم میان قدرت، آلایندگی کم و هزینه نگهداری مناسب را در بازارهای جهانی برقرار سازد؟
