از موتور با «پیستونهای مخالف بدون شمع» چه می دانید؟
خودروسازان این روزها سخت در تلاش هستند تا بتوانند به استانداردهای روز مصرف سوخت و آلایندگی مانند CAPE2025 که 54.5 مایل به ازای یک گالن مصرف سوخت است، برسند و در حال سرمایهگذاری شدید و سنگین بر روی تکنولوژیهای خودرو مثل خودروهای برقی و وارینههای آن هستند.
به گزارش خودروتک، بر اساس پیش بینی Frost & Sullivan ، نزدیک به 105 میلیون خودروی سبک مسافربری در سال 2020 به فروش خواهد رفت که در حدود 98.6 درصد آنها موتور درونسوز را به همراه (هایبرید و درونسوز) دارند.
وزیر سابق انرژی آمریکا دکتر ارنست مونیز (دانشمند هسته ای آمریکا هستند که در زمینه مذاکرات اتمی ایران هم در زمان باراک اوباما حضور داشتند) به Achates Power و آزمایشگاه ملی Argonne و Delphi Automotive به خاطر طراحی و پیشرفت موتورهای با پیستون مخالف بنزینی مشتعل شونده تحت فشار ( (opposed-piston gasoline Compression Ignition engine (OPGCI) جایزه دادند.
موتور OPGCI شرکت Achates Power که Grant را برده است
این جایزه بزرگترین Grant یا سرمایهگذاری مالی بود که آژانس پروژههای تحقیقاتی پیشرفته – انرژی (Advanced Research Projects Agency – Energy) یا ARPA-E در تمام تاریخش داده است.
موتورهای بنزینی با پیستونهای مخالف مشتعل شونده تحت فشار OPGCI ، این پتانسیل را دارند که بازار محرکهای خودرو را به خاطر تمیز و پربازده بودنشان به کلی بهم بریزند و بازار را به کلی دگرگون کنند.
ترکیب این دو تکنولوژی ( پیستون های مخالف و بنزین مشتعل شونده تحت فشار) می تواند راه حل قوانین آلایندگی و مصرف سوخت باشد و در دهههای روبرو چالشهای پیش رو را به خوبی پاسخگو باشد.
موتورهای OPGCI ثابت کردند که تکنولوژیهای پربازده در یک موتور این پتانسیل را دارند که یک موتور را به بازده 50 درصد بیشتر از بازده موتورهای بنزینی معمول درونسوز حال حاضر با توان، گشتاور، نویز، لرزش و سرسختی و ابعاد قابل مقایسه برسانند.
این امر با استفاده از تکنولوژی اشتعال تحت فشار با منابع سوختی پرطرفدار در دسترس – بنزین – در یک معماری پربازده با پیستونهای مخالف که توسط Achates Power بهبود و توسعه یافته و پالاییده شده است، تحقق مییابد.
اشتعال تحت فشار
موتورهای دیزل به صورت اشتعال تحت فشار عمل میکنند و حدود 40 درصد بازده بیشتر نسبت به موتورهای درونسوز بنزینی که اشتعال توسط شمع صورت میپذیرد، دارند.
مزیت پربازدهتر بودن موتورهای دیزل نسبت به موتورهای بنزینی معمول، از این مسئله میآید که سوخت دیزل حدود 13 درصد غلظت توان ذخیره شده بیشتری دارد و 13 درصد از 40 درصد پربازدهتر بودن از این موضوع حاصل میشود. 27 درصد بعدی به خاطر اشتعال تحت فشار نسبت به اشتعال توسط شمع در موتورهای بنزینی بدست میآید.
راس دورت از جی ام طی یک ارائهای در مرکز تحقیقات مهندسی دانشگاه ویسکوزین این مزایا را خلاصه کرده است.
احتراق ضعیف – هوای اضافی برای سوخت – باعث میشود که با رقیق شدن ترکیب سوخت و هوا اکثر این بازده ترمودینامیکی بهبود یافته حاصل بشود که منجر به دمای احتراق کمتر و تلفات حرارتی کمتر میشود.
برای آنهایی که به روابط ریاضی تمایل دارند، میتوانیم به این معادله برای بازده موتور ایدهآل مراجعه کنیم:
افزایش نسبت هوا به سوخت باعث افزایش گرماهای ویژه میشود( گاما در معادله بالا).
دلیل این موضوع از آنجایی حاصل میشود که توانایی گاز برای ذخیره انرژی گرمایی به وسیلهی احتراق وقتی که فشار افزایش پیدا کرده است به وجود میآید. این یعنی چه میزان از افزایش دما به علت احتراق (میزان هزینهای که پرداخت کردیم) به افزایش فشار ( تولید کار ) منجر میشود؟
مولکولهای موناتومیک (مولکولهای تکی) ، مثل گازهای نجیب ( آرگون، هیلیوم و…) بیشترین گاما را دارند، چون آنها تقریباً هیچ توانایی برای ذخیره انرژی گرمایی جدا از افزایش فشار گاز را ندارند.
متاسفانه گازهای نجیب واکنش نمیدهند و در واکنش شرکت نمیکنند، بنابراین استفاده از آنها در فرآیند احتراق چالش برانگیز است.
دایاتومیک ( مولکولهای دوتایی) ، مثل نیتروژن و اکسیژن، راههای کمی برای جذب انرژی گرمایی دارند در مولکول مرتبط دارند، اما اکثر این انرژیها به افزایش فشار منجر میشوند.( تولید کار میکنند)
پولیاتمیک ( مولکولهای چند اتمی مثل CO2، H2O و …) راههای زیادی برای ذخیره انرژی گرمایی بدون اینکه فشار افزایش یابد، دارند؛ این نوع انرژی ذخیره شده غیرقابل بازگشت است.
به عنوان نتیجه برای بدست آوردن بازده عملی بالا ، گاما بالایی هم مطلوب است – که برای اهداف عملی این یعنی اینکه خیلی مطلوب است که هوا به عنوان سیال اولیه عمل کننده برای انبساط استفاده شود نه گاز خروجی.
عملکردن “مطلوب” (“Lean”) موتور بدان معناست که بیشترین سیالهای عمل کننده هوا هستند نه گاز خروجی.
موتورهای بنزینی مشتعل شونده توسط شمع، برخلاف موضوع بالا در یا نزدیکی قیاس سنجی یا استوکیومتری – نسبت دقیق هوا به سوخت برای اینکه سوخت کاملاً بسوزد – عمل میکنند، که نتیجتاً بیشترین میزان کربن دی اکسید و غلظت H2O یا آب در سیال انبساط عملکننده، را تولید میکنند.
موتورهای درونسوز در نسبت فشارهای بالا بیشتر بازده دارند. راهکار قابل توجه دیگر بهبود بازده از افزایش نسبت فشار در موتورهای دیزل بدست میآید.
اگر یک موتور کمپرس و فشار بیشتری داشته باشد به طور معمول انبساط بیشتری هم دارد و توان بیشتری به ازای ورود همان میزان سوخت تولید میکند.
زمانی که انبساط ادامه پیدا میکند و انجام میشود، دمای گاز خروجی کاهش مییابد، در حالی که در همان زمان انرژی به کار مفید تبدیل میشود. بنابراین انرژی کمتری به صورت گرما در موتورهای با نسبت فشار بالاتر هدر میرود.
موتورهای بنزینی مشتعل شونده توسط شمع به نسبتهای کمتر فشار محدود هستند تا مرحله قبل از اشتعال (ضربه) که باعث آسیب به موتور میشود را کنترل کنند.
آخرین فاکتور و علتی برتری موتورهای دیزل ( که علت بقیهی 40 درصد برتری بازده موتورهای دیزلی است) تلفات دریچه گاز کاهش یافته است.
موتورهای بنزینی برای نگه داشتن استوکیومتری در بارهای کم، دریچه گاز را تا اندازهای میبندند؛ اگر میزان سوخت برای توانهای کمتر کاهش یابد، متناسباً میزان هوا هم باید کاهش یابد تا نسبت سوخت/هوا را به همان خوبی ثابت نگه دارد.
بنابراین محدودیتی گذاشته میشود تا جریان هوا را محدود کند، یعنی دریچه گاز.
اگرچه این محدودیت، کار اضافه مورد نیاز برای جابهجایی هوا به سیلندر را باعث میشود و از بازده میکاهد.
به یک سرنگ با ورودی خیلی کوچک فکر کنید که تلاش می کند یک سیال خیلی چسبناک را سریع بمکد! به خاطر محدودیت تلاش قابل ملاحظه و زیادی میطلبد تا سرنگ پر شود. وقتی که دریچه گاز کاملاً بسته شود، این همون محدودیتی است که موتور با آن برای ورود هوا به سیلندر میجنگد.
اشتعال بنزین تحت فشار
Argonne و Delphi نشان دادند که میتوان بنزین را تحت نسبت فشار بالا ، تحت شرایط مطلوب (Lean) و بدون خفه و مهار کردن (ثراتلینگ یا کنترل دریچه گاز) سوزاند و میشود بدون شمع آن را مشتعل کرد.
نکات کلیدی این روش آماده کردن فشار، دما، توزیع و پخش کردن مناسب سوخت در سیلندر است. بهبود سیستمهای پاشش مستقیم بنزین کمک کرده تا GCI قابل اجرا باشد. با این سیستمها بنزین میتواند در زمان مناسب به سیلندر پاشیده شود تا کلاً یک ترکیب مطلوب تولید کند و با پاشش نهایی درست قبل از احتراق برای تولید نسبت سوخت- هوای مناسب محلی برای اشتعال، تکمیل شود.
دلفی نشان داد که موتورهای GCI بازدهی مثل یک موتور دیزل دارند. علاوه بر آن، نشان داد این موتورها مزیت آلایندگی کمتر نسبت به مدل دیزل خود را دارند.
Nox یا ترکیبهای مونواکسید نیتروژن و دی اکسید نیتروژن در دماهای بالا تشکیل میشوند. اگرچه دیزل به صورت مطلوب عمل میکند، اما به طور میانگین احتراق اکثراً در ترکیبهای غنیتر محلی صورت میگیرد که باعث دمای محلی بالا میشود که این موضوع به نوبه خود باعث تشکیل NOx و دوده میشود.
بنزین یک سوخت فرار برای اشتعال تحت فشار است چون بنزین بیشتر میخواهد نسبت به دیزل تبخیر شود و تاخیر در اشتعال طولانیتری دارد.
GCI اکثراً یک ترکیب و مخلوط مطلوب بیشتر به طور یکسان توزیع شده درون سیلندر دارد با فقط یک بخش کوچک ترکیب غنیتر در محلهای اشتعال، بنابراین این موتور دما و NOx کمتری تولید میکند. به علاوه اکثراً شرایط محل مطلوب همچنین اجازه تشکیل دوده کمی را میدهد.
GCI اگرچه آلودگی هیدروکربنی و کربن مونواکسیدی بیشتری تولید میکند، اما خوشبختانه خروج آلایندههای HC و CO به راحتی با کاتالیزورهای اکسیدانی نه چندان گران میتوانند کاهش یابند و از خروجشان جلوگیری شود.
مزیت دیگر GCI نسبت به دیزل هزینه کمتر آنهاست، هم به خاطر هزینه کمتر نیازهای نگهداری ثانویه ( موتورهای GCI کلاً نیازی به فیلترهای مخصوص و به سیستم کاهش کاتالیزوری انتخابی یا SCR ندارند.) و هم به خاطر سیستم سوختی کم هزینهتر.
Selective Catalyst Reduction
دیزل به عنوان یه سوخت سنگین نیاز به سیستم پاشش با فشار بالا دارد تا به اندازه کافی تبدیل به پودر بشود.
دلفی اخیراً نتایج عملی کار خودش رو منتشر کرد که ثمره آن 39.9 درصد بهبود مایل به ازای گالن مصرف ترکیبی شهری و بزرگراه موتور GCI نسبت به موتور چهار سیلندر 2.4 لیتری با سیستم تزریق سوخت از طریق پورت یا (PFI (port Fuel injection بوده است.
انژکتورهای PFI که بیرون از محفظه احتراق و در مسیر هوای ورودی قرار میگیرند
فرق PFI با GDI یا gasoline Direct injection در این است که PFI هوا و سوخت را قبل از ورود به چمبر سیلندر ترکیب میکند در حالی که GDI این ترکیب را درون چمبر انجام میدهد. احتمال خطای GDI بنابراین بیشتر است در حالی که هزینه ساخت کمتری دارد.
تفاوت PFI با GDI
البته لازم به ذکر است که مزدا هم با پروژه HCCI یا Homogeneous charge compression ignition (اشتعال تحت فشار با شارژ همگون) و ساخت نمونه اولیه 9 میلیون دلاری وارد این عرصه شده است.
موتورهای با پیستون مخالف
Achates Power حدود 12 سال در زمینه بهبود موتورهای با پیستون مخالف وقت و انرژی صرف کرده است. طراحی معماری این موتورها به ما خیلی از چالش هایی را که موتور GCI با آن مواجه هست نشان میدهد.
موتورهای OP یا پیستون مخالف سرسیلندرها را حذف میکند پس بنابراین نسبت سطح به حجم چمبر یا محفظه احتراق را بهبود بخشیده است ( یعنی سطح کمتری مرتبط به حجم ) تا انتقال حرارت و پس زدن آن را کمتر کند.
این عمل مزایای چندین بار دارد:
حرارت کمتری در سیستم خنککننده هدر میرود، انرژی ذخیره شده بیشتری در سوخت تبدیل به کار میشود، کاهش انتقال حرارت باعث احتراق زودتر و پربازدهتر میشود و همینطور کاهش پس زدن گرما به خنککننده که منجر به کاهش اندازه سیستم خنککننده و رادیاتور خودرو میشود و نتیجتاً این امر در ظاهر خودرو و ضریب درگ آئرودینامیکی خودرو به کار میآید و آن را هم بهبود میدهد.
موتورهای OP یا با پیستون مخالف مزیت چگالی توان موتورهای دو زمانه را با کاهش هم جابهجایی (کاهش سایز،جرم و هزینه ساخت موتور) و هم شکست فشار موثر متوسط (BMEP) به ارث میبرند .
کاهش BMEP باعث کاهش تولید NOx و باعث احتراق سریعتر میشود تا بازده و راندمان را بهبود دهد. کاهش BMEP همینطور باعث احتراق پربازدهتر و مطلوبتر در همان سطح بوست میشود که این منجر به مزیت اضافی تولید دوده کمتر میشود.
موتورهای OP روبش یکسویه (uniflow Scavenging) و پربازده دارند که باعث جدا و مستقل شدن عملکرد پمپ از سرعت موتور میشود.
انواع سیستمهای روبش
انواع سیستمهای روبش
در بارهای کم موتور می تواند نسبت بالای گاز اگزوز خروجی را با کاهش عملکرد سوپرشارژر (یا هر نوع بوستری) ثابت نگه دارد که منجر به بهبود بازده میشود در حالی که یک بازچرخش گاز اگزوز (EGR) به صورت طبیعی و ذاتی توسط موتور بدون نیاز به بخش فیزیکی EGR باعث کاهش NOx احتراق و دماهای بالای گاز اگزوز برای عملکرد و فعال شدن کاتالیزور میشود.
سیستم بازچرخش گاز اگزوز در موتور دیزل برای افزایش دمای محفظه احتراق
سیستم احتراقی که توسط Achates Power توسعه یافته است دارای دو انژکتور است که به طور قطری روبروی هم قرار گرفتهاند با اشکال پیستونهای اختصاصی تا ترکیب سوخت و هوای عالی را ایجاد کند که این باعث ایجاد دوده کم و همینطور انتقال حرارت کم به دیوارههای محفظه سیلندر و چمبر میشود.
Achates Power اخیراً نتایج عملی موتور OP را منتشر کردند که بهبود 30 درصدی پیمایش مایل به ازای گالن در مصرف ترکیبی شهری و بزرگراه را نسبت به موتور دیزل نشان میدهد. این درحالی است که موتور OP استانداردهای آلایندگی U.S. EPA Tier 3 را هم بدست آورده است.
ترکیب موتورهای پیستون مخالف OP و موتورهای بنزینی مشتعل شونده تحت فشار GCI
انتظار میرود که ترکیب موتورهای OP با موتورهای GCI مزایای چندگانه ای را به همراه داشته باشد. موتور حاصل از ترکیب این دو موتور چیزی در حدود 50 درصد نسبت به موتورهای بنزینی PFI پربازدهتر است. از طرف دیگر چون میدانیم هر دو موتور OP و GCI از لحاظ هزینه ارزان هستند، پس موتور حاصل هم باید به همین صورت از لحاظ هزینه به خوبی ارزان باشد.
علاوه بر این، موتورهای OP در ترکیبشان با GCI سه چالش اصلی این موتور را بهبود میدهند و حل میکنند که از قرار زیر است:
آمادهسازی ترکیب
احتراق Robust (اصطلاح کنترلی است که به عدم تغییر خروجی نسبت به تغییر متغییرها مربوط است) و قوی و مطلوب موتور GCI به یک شارژهای طبقهبندی شده( اول یک شارژ کم با مقدار ترکیب سوخت غنی سوخت مشتعل میشود و بعد این میزان بیشتری شارژ با ترکیب سوخت مطلوب را محترق میکند) ، با فضاهای محلی غنی و مطلوب و پاشش انژکتور و تزریق سوخت چندگانه نیاز دارد.
احتراق در محلهایی که غنی هستند شروع میشود. طبقهبندی بعد از آن باعث کنترل انتشار گرما و حرارت میشود تا از دماهای بالا احتراق تشکیل دهنده NOx جلوگیری کند.
دلفی به نتایج عالی احتراق GCI توسط موتورهای با ساختار معمول(چهار زمانه و یک پیستون در یک سیلندر) دست پیدا کرد در حالی که انژکتور را در سر سیلندر و بالای سیلندر رو به پیستونی که به سمت آن حرکت میکند قرار داده بود.(منظور همان یک جور سیستم GDI است با این تفاوت که انژکتور در بهترین محل برای پخش یکسان سوخت قرار دارد)
محیط تزریق سوخت موتورهای OP مزایای قابل توجهی را در زمینه شارژ طبقهبندی شده پیشنهاد میدهد. در این موتورها انژکتورهایی که به صورت قطری در جهت مخالف هم قرار داده شدند در طول قطر سیلندر سوخت را اسپری میکنند و میپاشند.
هر انژکتور میتواند به صورت مستقل کنترل میشود تا خیلی راحتتر پخش شدن این تزریقها برای یک توزیع ترکیبی درست و مطلوب و بنابراین ،یک انتشار حرارت پربازده و کنترل شده مدیریت شود.
مدیریت دمای شارژ
در بارهای (مکانیکی خروجی موتور) کم موتور GCI دماهای بالاتری برای احتراق نیاز دارد. عملکرد موتور در بارهای کم ( مثل دور آرام و هنگام لغزیدن و لیز خوردن خودرو) تولید گرمای کمی میکند. این موضوع در موتورهای کوچکتر که نسبتهای سطح به فضای احتراق بیشتری دارند، تشدید میشود.
موتورهای چهارزمانه کل محتوای سیلندر را در زمان چهارم یا خروج اگزوز به صورت طبیعی تخلیه میکنند بنابراین نیاز به یک سیستم VVT پیچیده بر روی دریچههای اگزوز دارند تا دریچههای اگزوز را در موقع زمان اول یعنی ورود هوا باز کند تا با مکیدن گاز اگزوز دمای شارژ را به سطح لازم برای احتراق GCI افزایش دهد.
شاید فکر کنید که سیستم EGR هم میتواند اینکار رو بکند اما نه چون در این حالت به اکسیژن ورودی زیادی نیاز نیست و دلیل نیاز به VVT پیچیده همین است.
برخلاف چهارزمانهها، موتورهای OP میتواند گاز اگزوز را در سیلندر بعد از مرحله احتراق نگه دارند مخصوصاً در بارهای کم وقتی که متناسباً اکسیژن تازه کمتری لازم است.
میزان روبشی که یک موتور OP اجرا میکند با نسبت فشار مانیفولد اینتیک یا مسیر ورودیهای هوا و مانیلولد اگزوز یا مسیر خروج گاز اگزوز تعیین میشود.
در بارهای پایین، موتور OP می تواند استفاده از عملکرد سوپرشارژر را کاهش دهد تا میزان فشار در مانیفولد اگزوز زیاد شود. این کار چهار مزیت دارد:
1) میزان کار انجام شده توسط سوپرشارژر را کاهش میدهد که بازده رو افزایش میدهد.
2) دمای داخل سیلندر را برای پایداری احتراق خوب بالا نگه میدارد.
3) یک اثر EGR داخلی و طبیعی و ذاتی برای کاهش تولید NOx ارائه میکند.
4) دمای گاز اگزوز بالا را برای عملکرد خوب و پایدار کاتالیزور ارائه میکند.
عملکرد در بارهای زیاد و پمپ کردن
از سوی دیگر ، موتورهای GCI در بارهای زیاد هم همچنین چالشهایی دارند. نسبت کمپرس و فشار موتورهای GCI بیشتر از موتورهای معمول بنزینی است و نیاز به سطح بالاتری از هوا و EGR برای کنترل احتراق، نیاز است. این ترکیب فشارهای داخل سیلندر بالا تولید میکند که منجر به محدود شدن ماکزیمم بار قابل پذیرش توسط موتور میشود.
بدون زیاد رقیقشدن شارژ در بارهای زیاد، احتراق GCI ممکن است سریع باشد و نویز حاصل از احتراق شدیدی را تولید کند.
سطوح بالا هوا و EGR در بارهای زیاد، میتواند عملکرد پمپ کردن قابل توجهی را اضافه کند که این به مصرف سوخت آسیب میزند.
در بارهای زیاد موتور چهار زمانه GCI مجبورند درجهبندی از تریدآفها و سبک سنگین کردنها را اعمال کند تا بتواند بی عیب بودن و تمامیت مکانیکی موتور را حفظ کند در حالی که هم عملکرد و هم بازده را قربانی میکند.
برعکس، موتورهای OP چندین مزیت و برتری برای اداره کردن بارهای زیاد بدون آن همه سبک سنگین کردنها و تریدآفها را دارد.
موتورهای دو زمانه ماکزیمم BMEP مورد نیاز ( و جابهجایی) را کاهش میدهد در حالی که الزامات عملکردی را نگه میدارد.
محل جریان نسبتاً بزرگ درگاهها، همترازی بهتر با نمودارهای عملکردی توربوشارژر و پمپ کردن پربازده EGR همه منجر به کاهش کار پمپ کردن میشود تا شرایط شارژ ضروری را ایجاد شود. نهایتاً حجم سیلندر دردسترس بیشتر برای احتراق نسبتهای سریع انتشار حرارت بدون افزایش نویز احتراق را منجر میشود.
این شرایط بهتر اجازه درجات تریدآفها و سبک سنگینیهای کمتری را در بارهای زیاد میدهد و پتانسیل دستیابی به توانهای بالاتر و مصرف سوخت کمتری را دارد.
موتورهای OPGCI کمهزینهترین و اقتصادیترین راه و مسیر برای دستیابی به تولید گازهای گلخانهای هستند، چون از زیرساختها و فرآیندهای پردازشی حال حاضر به خوبی بهره میبرد و از امکانات حاضر به خوبی در این جهت استفاده میکند.
ترکیب رویکرد موتورهای OP ( انتقال حرارتی کم، توان بالا از گشتاوری معتدل، مشخصات جریان عالی) با تکنولوژی احتراق GCI ( عملکرد مطلوب، نسبت کمپرس بالا، بدون دریچه گاز، آثار آلایندگی بسیار کم) فرصت دیدن گامهای اساسی هم در بازده و هم در سازگاری با محیط زیست را پیشنهاد میدهد.
موتورهای OPGCI به خوبی برای داشتن مزایای جریان های پالایشگاهی موجود با CO2 کم مثل نفتا و حتی پروسههای سوختهای زیستی جدید (بایو) که در حال حاضر با جریانهای سنتی مسخره سوخت دیزل و بنزین دست و پنجه نرم می کنند، متوازن هستند.
آیا این موتور در سال 2021 به صورت هایبرید با سه سیلندر و 6 پیستون و این بازده و قدرت به فرمول یک با موتورهای الکتریکی بیشتر و ابرخازنهای گرافنی ورود خواهد کرد؟
منبع: فرمول یک ایران