موتوری برای تمام مسیرها

قابل توجه آنهایی که نگران بالا رفتن قیمت بنزین و میزان مصرف سوخت اتومبیل‌هایشان هستند؛ نوع جدیدی از اتومبیل‌های هیبریدی در راه است. مهندسان مکانیک در انگلستان نوع جدیدی از موتور‌های احتراق داخلی را ساخته‌اند که می‌تواند بین دو وضعیت دوزمانه و چهارزمانه تغییر حالت دهد. به ادعای مهندسان انگلیسی این موتور جدید می‌تواند مصرف سوخت را تا ۲۷ درصد کاهش دهد. به گفته نویل جکسن (N.Jackson)، مدیر فنی شرکت مهندسی ریکاردو، سازنده این موتور جدید، «در واقع این میزان کاهش در مصرف سوخت ناشی از کاهش ابعاد و اندازه موتور است. هرچه موتور کوچک‌تر باشد میزان اصطکاک میان اجزای داخلی آن کمتر و مصرف سوخت در آن بهتر خواهد بود.» اما به هر حال موتورهای کوچک به کار رفته در اتومبیل‌های کوچک که به‌ طور معمول طراحی آنها به صورت چهارزمانه است، توان قابل توجهی تولید نمی‌کنند. اینگونه موتور‌ها به ویژه در مواقعی که با سرعت پایین و دور موتور بالا مثل سرعت گرفتن اتومبیل در سربالایی‌ها، کار می‌کنند با مشکلات فراوانی دست به گریبان خواهند شد. چنین شرایطی حتی می‌تواند در صورت عدم‌تغییر دنده از سوی راننده، به از کار افتادن موتور نیز منجر شود. به گفته رابرت کی (R.Kee)، مهندس مکانیک متخصص در موتور‌های احتراقی در دانشگاه کوئینز ایرلند شمالی «موتور‌های چهارزمانه در شرایط کاری تخته‌گاز بسیار بهینه هستند اما برای موتور‌های دوزمانه شرایط کاملا عکس این حالت است و این موتور‌ها در سرعت‌های پایین بهینه خواهند بود.»
در واقع تفاوت اساسی میان موتور‌های چهارزمانه و دوزمانه این است که اولی ۴ مرحله ورود هوا (مکش)، تراکم، احتراق و خروج دود را طی ۴ کورس یا حرکت پیستون داخل سیلندر موتور انجام می‌دهد اما در موتور‌های دوزمانه این مراحل طی تنها دو کورس پیستون انجام می‌شوند. طراحی موتور‌های ۲ زمانه در مقایسه با انواع چهارزمانه ساده‌تر است و به این خاطر که در موتور‌های ۲ زمانه در هر سیکل کاری، پیستون ۲ بار به میل لنگ نیرو وارد می‌کند، نسبت توان به وزن آنها در دور موتور‌های بالا و سرعت‌های پایین بیشتر از موتور‌های چهارزمانه مشابه خواهد بود. اما با توجه به اینکه در موتور‌های دوزمانه رایج، روغن با سوخت مخلوط و در محفظه احتراق مشتعل می‌شود، این موتور‌ها آلودگی زیادی تولید می‌کنند. به همین علت معمولا از این موتور‌ها در اتومبیل‌ها استفاده نمی‌شود و بیشتر در کاربرد‌های سبک‌تری مثل اره برقی، چمن‌زن و برخی موتورسیکلت‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
اما محققان شرکت ریکاردو در انگلستان توانستند سرپیستونی طراحی کنند که می‌تواند در هر ۲ حالت دوزمانه و چهارزمانه کار کند. در واقع تغییر وضعیت این پیستون بسته به نیاز موتور و به صورت خودکار خواهد بود. به این ترتیب می‌توان موتور کوچکی ساخت که شرایط کاری دور موتور بالا و سرعت پایین را بدون هیچ آسیبی تحمل کند. به گفته مارتی لارمی (M.Larmi)، رئیس آزمایشگاه موتور‌های احتراق داخلی در دانشگاه فنی هلسینکی «فکر بسیار جالبی است. اما چالش اساسی در چنین موتوری انجام درست فرآیند خروج دود است که در آن باید ته‌مانده حاصل از سیکل پیشین احتراق جایش را به مخلوط تازه هوا و سوخت بدهد.» لارمی در ادامه افزود: «باید در قسمت ورودی نوعی فشار وجود داشته باشد تا بتواند گاز‌های سوخته را به بیرون براند.» در موتورهای دوزمانه قدیمی نیروی مخلوط هوا و سوخت ورودی، گاز‌های سوخته را خارج می‌کند. اما متاسفانه در چنین فرآیندی مقداری از سوخت نسوخته نیز همراه با دود خارج می‌شود که باعث افزایش میزان آلودگی موتور خواهد شد. در موتور‌های چهارزمانه دود باقیمانده از طریق یک سوپاپ تحت کنترل بادامک و به کمک حرکت رو به بالای پیستون در سیلندر تخلیه می‌شود. پس از آنکه دود خارج شد، سوپاپ خروجی بسته می‌شود و با پایین رفتن پیستون در سیلندر هوای تازه و سوخت از طریق سوپاپ دیگری به درون سیلندر تزریق خواهد شد. موتور ساخته شده توسط شرکت ریکاردو موسوم به۲/۴SIGHT درست مثل موتور‌های چهارزمانه از ۲ سوپاپ استفاده می‌کند اما در حالت دوزمانه هر ۲ سوپاپ ورودی و خروجی این موتور همزمان باز خواهد بود تا مخلوط سوخت و هوا به جای یک سیکل در میان، در هر سیکل به سیلندر تزریق شود. تاکنون تلاش‌های بسیاری شده تا موتور دوزمانه‌ای با آلودگی اندک ساخته شود. اما به سختی می‌توان به چنین ترکیبی دست یافت. در واقع مشکل اینجاست که برای خروج دود و ورود مخلوط هوا و سوخت زمان بسیار کمی وجود دارد. به گفته لارمی «این احتمال وجود دارد که هوای تازه ورودی مستقیما از سوپاپ خروجی خارج شود.» شرکت ریکاردو برای برطرف کردن این مشکل دست به دامن ترفند‌های بسیاری شده است. نخست آنکه طراحی سرپیستون این موتور به گونه‌ای است که از پرداخت معکوس استفاده می‌کند. پرداخت معکوس فرآیندی است که در آن هوای ورودی از سوپاپ خروجی دور نگه داشته می‌شود تا شانس خروج مستقیم آن از درون سیلندر کاهش یابد. علاوه بر این شرکت ریکاردو در طراحی این موتور به جای استفاده از سوپاپ‌های تحت کنترل بادامک از سوپاپ‌های الکتروهیدرولیکی استفاده کرده است که می‌توان به کمک نرم‌افزار‌های کامپیوتری آنها را موازی با انژکتور سوخت کنترل کرد.
اتومبیل‌سازان در گذشته به دنبال ساخت این نوع موتور‌های هیبریدی بودند. به گفته کی «مشکلات فراوانی وجود داشت. در واقع کمپانی‌های تویوتا و ریکاردو در دهه‌های ۱۹۸۰ و ۹۰ این موضوع را تعقیب می‌کردند.» اما در گذشته تکنولوژی این کار وجود نداشت. بنا به گفته مهندسان ریکاردو تنها علتی که باعث شده تا این کمپانی بتواند سرانجام به چنین سیستمی دست یابد، نرم‌افزار‌هایی بود که می‌توانند مبادله شدن گازها و تغییر حالت کار موتور را کنترل کنند. به گفته جکسن «سیستم کنترل موتور بر اساس تقاضای راننده عمل می‌کند؛ زمانی که به گشتاوری بیش از آنچه در حالت چهارزمانه امکانپذیر است نیاز باشد، موتور به حالت دوزمانه تغییر وضعیت خواهد داد. به هر حال کمپانی ریکاردو این نکته را لو نداد که این تغییر وضعیت در کدام سیکل موتور انجام می‌شود. نمونه اولیه موتور کمپانی ریکاردو موتوری شش سیلندر با آرایش V شکل است و حجم آن به ۲۱۰۰ سی‌سی می‌رسد. این موتور توسط محققان دانشگاه برایتون مورد آزمایش قرار گرفت و عملکردی که از خود نشان داد در حد و اندازه‌های یک موتور ۳ تا ۴ لیتری معمولی بود. بر اساس آزمایش عملکرد استاندارد جدید اروپا که به منظور اندازه‌گیری کارایی و آلاینده‌های موتور در شرایط کار عادی طراحی شده است، این موتور ۲۷ درصد کاهش میزان مصرف سوخت را به ثبت رساند و میزان کاهش آلاینده‌ها در آن نیز به همین مقدار بود. به گفته جکسن فاز بعدی این پروژه سوار کردن نمونه اولیه این موتور جدید روی یکی از اتومبیل‌های موجود و انجام آزمایش‌های جاده‌ای خواهد بود.»

Technology Review, Apr. ۰۱, ۲۰۰۸
كیوان فیض‌اللهی




گزارش : روزنامه کارگزاران