مزدا دنیای موتورهای دیزل را متحول می‌کند - گروه بهمن

مزدا دنیای موتورهای دیزل را متحول می‌کند

115-10

مروري بر توانمندي هاي Skyactiv-D، نسل جديد موتورهاي ديزل مزدا

مزدا دنياي موتورهاي ديزل را متحول مي کند

خودروهاي سواري ديزل سال ها است جاي خود را در اروپا باز کرده اند و خريداران خودرو در اين کشورها نيز از اين خودروها استقبال مي کنند تا جايي که بر اساس آمار، نيمي از خودروهاي سواري فروخته شده در اروپا را انواع ديزل تشکيل مي دهند. در سوي ديگر اقيانوس اما وضعيت متفاوت است چرا که آمريکايي ها در گذشته هيچ گاه روي خوش به سواري هاي ديزل نشان نداده بودند و به همين دليل کمتر توليدکننده اي ريسک عرضه خودروي ديزل در اين بازار را مي پذيرفت. از سوي ديگر سوخت ديزل عرضه شده در آمريکا نيز پيش از اين کيفيت لازم براي استفاده در خودروهاي سواري را نداشت اما در چند سال اخير اين روند تغيير کرده است و آمريکايي ها نيز به خودروهاي سواري ديزل علاقمند شده اند و همين مساله باعث شده شرکت هاي خودروسازي نيز توجه ويژه اي به عرضه ي خودروهاي سواري ديزل براي اين بازار داشته باشند. در اين ميان شرکت ژاپني مزدا، براي حفظ بازار خود در اين کشور چندي قبل اعلام کرد که قصد دارد نسل جديد مزدا 6 را با موتور ديزل به بازار آمريکا عرضه کند. اين موتور که سواري مزدا با عنوان Skyactiv-D ناميده مي شود مي توان مجموعه کاملي از نوآوري هاي فني دانست که در نوع خود بسيار پيشرفته است و از اين نظر حتي جلوتر از رقباي آلماني اش قرار مي گيرد.

*تولید اکسید نیتروژن توسط دیزل ها

موتورهای دیزل، چه آن هایی که در خودروهای سنگین نصب می شوند و چه نمونه های کوچک تر و کم حجم تر که در خودروهای سواری مورد استفاده قرار می گیرند، هر چند از نظر توانایی های فنی و به ویژه تولید گشتاور بالا در دورهای موتور پایین و البته مصرف سوخت کمتر نسبت به موتورهای بنزینی، موتورهای مناسبی هستند اما در مقابل یک مشکل بزرگ دارند و آن آلایندگی بالاتر آن ها نسبت به نمونه های مشابه بنزین سوز است. بخش عمده ای از این آلایندگی مربوط به تولید اکسیدهای نیتروژن است، گازهایی که در استانداردهای آلایندگی به شدت مورد توجه قرار گرفته اند و با هر بار تجدید نظر در این استانداردها، میزان مجاز تولید این گازها کمتر می شود. اکسیدهای نیتروژن همانطور که از نامشان پیداست از ترکیب اکسیژن و نیتروژن پدید می آیند و اثرات مخربی بر لایه اوزون دارند ضمن آنکه برای سلامتی انسان نیز زیان بخش هستند. خوشبختانه نیتروژن و اکسیژن به صورت خود به خود در دمای معمولی با یکدیگر ترکیب نمی شوند و به همین دلیل در حالت طبیعی مشکلی از نظر تولید اکسیدهای نیتروژن وجود ندارد اما این دو گاز در دمای بالا قابلیت ترکیب با یکدیگر را پیدا می کنند و این دمای بالا در داخل محفظه احتراق موتور خودرو وجود دارد و دقیقاً به همین دلیل است که موتور خودروهای درونسوز یکی از مهم ترین منابع تولید این گاز مضر است و خودروسازان هم تلاش دارند با روش هایی میزان تولید این گاز را در موتور خودرو کاهش داده و یا از انتشار آن به محیط بیرون از موتور جلوگیری کنند. برای این منظور یکی از روش های استفاده از مبدل های کاتالیست است که می تواند اکسیدهای نیتروژن و اکسیژن تجزیه کند که هر دو از گازهای بی خطر اطراف ما هستند. این روش هر چند کارایی مناسبی دارد اما در مورد موتورهای دیزل شرایط کمی متفاوت است و به دلیلی که در ادامه خواهیم خواند، در این موتورها تولید اکسیدهای نیتروژن بسیار بیش از موتورهای بنزینی است .

* دیزل و دردسرهای ضریب تراکم بالا

پیش از این در مقاله های جداگانه ای در مورد چگونگی کارکرد موتورهای دیزل توضیحاتی داده ایم اما برای بررسی مشکل این خودروها در زمینه تولید گازهای آلاینده، بد نیست بار دیگر به طور مختصر چگونگی عملکرد آنها را مرور کنیم. موتورهای دیزل، همچون موتورهای بنزین سوز براساس احتراق و انفجار مخلوط سوخت و هوا کار می کنند با این تفاوت که در این موتورها برای انفجار مخلوط سوخت و هوا از جرقه شمع استفاده نمی شود و این اصلی ترین تفاوت این موتورها با نمونه های بنزین سوز است. در این موتورها به جای آنکه در مرحله مکش، مخلوط هوا و سوخت وارد سیلندر شود، تنها هوا وارد می شود و پس از آن سوپاپ هوا بسته شده و مرحله تراکم آغاز می شود. با متراکم شدن هوا، فشار درونی آن به شدت افزایش پیدا می کند که این مساله باعث افزایش دمای آن به حدود 600 درجه سانتی گراد می شود. در زمان رسیدن پیستون به بالاترین حد خود، گازوئیل با فشار زیاد به داخل سیلندر تزریق می شود. به دلیل دمای بالای هوای درون سیلندر، گازوئیل که در زمان تزریق به صورت پودر درآمده مشتعل می شود و دما و فشار درون سیلندر را به شدت افزایش می دهد و همین مساله باعث می شود پیستون با شدت بسیار زیاد به سمت پایین حرکت کند. این حرکت به سمت پایین است که از طریق شاتون به میل لنگ منتقل شده و باعث چرخش میل لنگ و در نهایت حرکت موتور خودرو می شود. در سیکل کاری موتور دیزل، برای آنکه هوا بتواند در زمان فشرده شدن به دمای بالایی دست پیدا کند باید ضریب تراکم موتور بالا باشد تا هوا بتواند بیشتر فشرده شده و گرم تر شود و در نهایت بتواند سوخت دیزل را به آتش بکشد. به همین دلیل در حالی که موتورهای بنزینی ضریب تراکمی در حدود 10 دارند، موتورهای دیزل ضریب تراکم بالای 15 و گاهی در حدود 20 دارند و دقیقاً همین ضریب تراکم بالا است که مشکل اصلی این موتورها یعنی آلایندگی بالا باعث می شود.

وجود ضریب تراکم بالا برای موتورهای دیزلی ضروری است و همین ضریب تراکم بالا یکی از دلایلی است که در نهایت باعث می شود مصرف سوخت این خودروها پایین تر از انواع بنزینی باشد. ضریب تراکم بالا به معنی دمای بیشتر هوا در زمان تزریق سوخت است و به این ترتیب در دمای بالاتر مخلوط سوخت و هوا بهتر می سوزند و بخش بیشتری از انرژی گازوییل آزاد می شود. اما در مقابل دمای بالای محفظه احتراق موتورهای درون سوز موقعیت مناسبی را برای ترکیب اکسیژن و نیتروژن و در نتیجه تولید اکسیدهای نیتروژن ایجاد می کند. در مقابل موتورهای بنزینی به دلیل ماهیت بنزین، ساختار متفاوتی دارند و با ضریب تراکم پایین تری کار می کنند چرا که بالا بردن ضریب تراکم در این موتورها موجب بروز پدیده خود اشتعالی در بنزین می شود و دقیقاً به همین دلیل است که موتورهای دیزلی از نظر تولید آلاینده اکسیدهای نیتروژن وضعیت بدتری نسبت به موتورهای بنزین سوز دارند.

* راه حل مزدا: کاهش ضریب تراکم

115-9

مزدا از تمام مشکلات موتورهای دیزل در زمینه تولید آلایندگی بالای اکسسیدهای نیتروژن آگاه بود اما مهندسان این شرکت به دنبال راه حلی بودند که ضمن حفظ توانایی های بالای موتورهای دیزلی، این خصوصیت منفی را کاهش دهند. برای این منظور پیش تر راه حل هایی وجود داشته که البته بیشتر بر روی موتورهای دیزلی سنگین استفاده می شده اما راه حل مزدا بسیار هوشمندانه و البته کارساز است. متخصصان مزدا برای رفع این مشکل، ایده کاهش ضریب تراکم موتور دیزل را مطرح کردند و به این ترتیب موتورهای جدید دیزلی مزدا به جای ضریب تراکم 16،3 به یک، ضریب تراکم 14 به یک دارند. کاهش ضریب تراکم به معنی آن است که دما و فشار محفظه احتراق در زمان کارکرد موتور پایین می آید که منجر به کاهش تولید اکسیدهای نیتروژن می شود. از سوی دیگر در این روش می توان سوخت را زمان اندکی پیش از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا به داخل سیلندر تزریق کرد و به این ترتیب زمان انفجار هم طولانی تر شده و انفجار یکنواخت تر می شود در حالی که در دیگر موتورهای دیزل سوخت دقیقاً در زمان رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا تزریق می شود چون عملاً انفجار در پیستون قبل از رسیدن به نقطه مرگ بالا آغاز شده و کل زمان حرکت رو به پایین پیستون صرف سوختن کامل سوخت می شود. در این حالت از یک سو به دلیل دمای پایین تر محفظه احتراق، احتمال تولید اکسیدهای نیتروژن پایین می آید. از سوی دیگر به دلیل احتراق کامل تر، تولید هیدرو کربن های نسوخته و دوده هم بسیار کمتر می شود ضمن آنکه احتراق کامل تر به معنی دستیابی به قدرت بیشتر از حجم مشخصی از سوخت است و به این ترتیب مصرف سوخت خودرو نیز پایین می آید.

* کاهش وزن اجزای متحرک موتور

موتورهای دیزل به طور معمول نسبت به انواع بنزینی مشابه خود سنگین وزن تر هستند و علت اصلی این مساله هم به فشار بالاتر در محفظه سیلندرهای آن ها باز می گردد. سازندگان موتور برای آنکه بتوانند بدنه، سرسیلندر، پیستون ها و شاتون ها را برای تحمل فشار بالاتر تراکم و البته شدت ضربات سنگین انفجارهای درونی موتور تقویت کنند چاره ای جز به کارگیری فلزات مقاوم تر ندارند و این مساله باعث افزایش وزن موتور خودرو می شود. از سوی دیگر موتورهای دیزلی سخت تر از موتورهای بنزینی دور می گیرند و خط قرمز دور موتور آن ها پایین تر از نمونه های بنزین است. یکی از علل این مساله هم سنگین بودن اجزای متحرک موتور از جمله پیستون ها و شاتون ها است اما مزدا توانسته با کاهش ضریب تراکم موتور بخش عمده ای از این مشکلات را بر طرف کند.

با کاهش ضریب تراکم، فشار درونی موتور کاهش پیدا می کند و به این ترتیب مزدا توانسته بخش های مختلف موتور را سبک تر از موتورهای مشابه تولید کند. به عنوان نمونه بلوک سیلندر موتورهای Skyactiv-D مزدا از آلومینیوم ساخته شده است که به تنهایی 25 کیلوگرم صرفه جویی در وزن را به دنبال داشته، سرسیلندر هم به دلیل آنکه اکنون نازک تر از قبل شده سه کیلوگرم کاهش وزن دارد و پیستون ها هم به دلیل آنکه اکنون شدت انفجار درونی موتور کمتر است 25 درصد سبک تر از قبل هستند. قطر میل لنگ هم از 60 میلی متر به 52 میلی متر رسیده است که علاوه بر کاهش وزن 25 درصدی، موجب شده اصطکاک هم به شکل محسوسی کاهش بیابد. در نهایت به دلیل کاهش اصطکاک و کمتر شدن وزن اجزای متحرک موتور، موتور جدید مزدا بهتر و سریع تر از موتورهای دیزلی مشابه دور می گیرد و از این نظر به موتورهای بنزینی نزدیک تر است.

در موتورهای دیزلی عادی، تزریق سوخت لحظات اندکی پس از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا انجام می شود در حالی که در موتور دیزل مزدا پایین این عمل لحظاتی پیش از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا رخ می دهد و به این ترتیب پیستون در زمان حرکت رو به پایین، فرصت کافی را به سوخت می دهد تا به طور کامل تری بسوزد. با کاهش ضریب تراکم و سبک تر شدن قطعات موتور، اصطکاک نیز کاهش پیدا می کند. در نمودار تفاوت میان موتور فعلی و موتور جدید مزدا دیده می شود.سوپاپ دود موتور دیزل جدید مزدا می تواند به صورت مستقل عمل کند و با این کار به گرم شدن سریع تر موتور خودرو کمک می کند.

* مشکلات ضریب تراکم پایین

115-8

تا اینجای کار همه چیز به نفع موتور جدید مزدا است و به نظر می رسد مزدا توانسته با کاهش ضریب تراکم، راه حل جادویی بسیاری از مشکلات موتورهای دیزلی را بیابد اما برای موتوری که اساس کارش بر مبنای گرمای بالای احتراق است، کاهش دمای احتراق به معنی اختلال در کار موتور است و این مساله بیش از هر چیز در زمان گرم شدن موتور و به ویژه در هوای سرد خود را نشان می دهد. با کاهش ضریب تراکم، روشن شدن موتور دیزل در هوای سرد با مشکل مواجه می شود. قطعاً راننده های خودروهای سنگین بیش از همه با این مشکل آشنا هستند چرا که روشن کردن یک موتور دیزل در دمای هوای بسیار پایین دشوار می شود. از سوی دیگر حتی در صورت روشن شدن موتور هم تا زمان رسیدن به دمای ایده آل، موتور دچار احتراق ناقص خواهد بود چرا که هوای ورودی به موتور و بدنه سیلندر و محفظه احتراق همگی به شدت سرد هستند و این مساله مانع از رسیدن دمای هوای فشرده به حد لازم برای سوختن کامل گازوئیل می شود که حاصل آن را می توان در خودروهای دیزلی قدیمی تر به صورت دوده سیاه رنگ خارج شده از اگزوز آن ها دید. مزدا برای رفع این دو مشکل، ترکیبی از انژکتورهای جدید و سیستم جابجایی تغییر سوپاپ دود متغیر را به کار گرفته است. انژکتورهای چند نقطه ای مورد استفاده در موتور مزدا می تواند تا 9 مرتبه پاشش را در هر سیکل کاری به صورت متناوب انجام دهد ضمن آنکه سیستم مدیریت پاشش سوخت این خودرو می تواند بسته به شرایط دمایی موتور و شرایط رانندگی، سه الگوی مختلف پاشش پیش پاشش، پاشش اصلی و پس پاشش را اعمال کند. به این ترتیب موتور خودرو می تواند در دمای پایین نیز به خوبی روشن شود و زمان گرم شدن را طی کند. در کنار این، سوپاپ دود این موتور نیز می تواند در دوره گرم شدن اولیه موتور، به صورت مستقل عمل کرده و به گرم شدن سریع موتور کمک کند. برای این منظور مزدا از بازگشت بخشی از گازهای خروجی اگزوز به سیکل کاری موتور بهره برده است. به این ترتیب همواره بخشی از گرمای تولید شده در هر سیکل کاری به جای آنکه از موتور خارج شود بار دیگر به موتور باز می گردد و کمک می کند موتور خودرو سریع تر گرم شود. برای این منظور در زمان گرم شدن موتور، سوپاپ در زمان مکش هوا به داخل موتور، به طور کامل بسته نمی شود و به این ترتیب در زمان مکش، در کنار هوای تازه که از سوپاپ هوا وارد می شود، مقداری از گازهای گرم اگزوز که پیش تر از منیفولد خارج شده اند نیز به موتور باز می گردد و به کمک آن فضای داخلی محفظه احتراق گرم می شود. به مرور و با گرم شدن موتور خودرو، سوپاپ دود که عملکرد مستقلی دارد به وضعیت عادی کارکرد خود باز می گردد و به این ترتیب موتور می تواند به کارکرد طبیعی خود ادامه دهد. با بهره گیری از سیستم انژکتور جدید و سوپاپ دود متغیر، موتور مزدا در هوای بسیار سرد نیز به سرعت گرم می شود و به کارکرد ایده آل خود می رسد.

*توربو شارژ دو مرحله ای

هر چند موتور دیزل به خودی خود موتورهایی با گشتاور بالا هستند اما برای افزایش توان و گشتاور موتور و همچنین کاهش مصرف سوخت و آلایندگی موتور جدید، مزدا از یک توربو شارژ دو مرحله ای بر روی این موتور استفاده کرده است. این سیستم در اصل از دو توربو شارژ تشکیل شده است. که یکی از آن ها کوچک و دیگری بزرگ است. توربوشارژ کوچک در دورهای موتور پایین و با فشار کم گازهای خروجی به سرعت به کار می افتد و می تواند گشتاور بالایی را در دورهای موتور پایین ایجاد کند. توربوشارژ بزرگ تر در دورهای موتور بالاتر وارد مدار می شود و می تواند قدرت موتور را در دورهای بالا افزایش دهد.

* منبع: دنیای خودرو