یکی از مهم‌ترین گرایش‌های مهندسی در این دوره، حرکت گسترده به‌سمت موتورهای کم‌حجم با توربوشارژ بوده است؛ رویکردی که به‌نام Downsizing مشهور است. این تغییر نه فقط در خودروهای اقتصادی بلکه حتی در خودروهای لوکس و پرقدرت نیز مشاهده می‌شود و موضوعات مرتبط با آن، از جمله تاثیرات زیست‌محیطی، جایگزین‌های ممکن و منطق صنعت، مورد بحث و بررسی بسیاری از مهندسان و تحلیل‌گران بوده است. در این مطلب، به‌صورت عمیق به‌برخی از پرسش‎هایی که در بخش کاهش حجم موتور از سوی مخاطبان روزنامه «دنیای خودرو» مطرح شده است، پاسخ داده‌ می‌شود.

چرا صنعت‌خودرو به سمت موتورهای کم‌حجم و دارای توربوشارژ رفت؟

با الزامات مقرراتی و محیط‌زیستی در سال‌های اخیر، در بسیاری از بازارهای جهانی، قوانین سخت‌گیرانه‌ای برای مصرف سوخت و انتشار آلاینده‌ها اعمال شده است. این قوانین باعث شده سازندگان خودرو به‌دنبال راهکارهایی برای کاهش مصرف سوخت و انتشار CO2 باشند. در این میان، یکی از موثرترین راهکارها، کاهش حجم موتور به‌همراه استفاده از توربوشارژر است؛ چراکه امکان حفظ یا حتی افزایش قدرت خروجی درحالی که جابه‌جایی موتور کاهش می‌یابد، فراهم می‌شود. اما نکته مهم‎تر این‌که Downsizing به معنای جایگزینی موتورهای بزرگ‌تر با موتوری کوچک‌تر است که به کمک توربوشارژر می‌تواند توان و گشتاور مشابهی ارائه دهد. این تکنیک باعث می‌شود موتور در کارکرد روزمره در بارهای پایین‌تر کار کند؛ جایی که مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتر است.

افزایش چگالی توان یا «Power Density»

توربوشارژر با فشرده‌سازی هوای ورودی، مقدار بیشتری هوا را وارد سیلندر می‌کند و این امر موجب می‌شود مقدار بیشتری سوخت بسوزد و قدرت بیشتری تولید شود. به‌عبارت دیگر، یک موتور کوچک با توربو قادر است قدرت یک موتور بزرگ‌تر بدون توربو را بی‌کم و کاست تولید کند؛ اما با مصرف سوخت کمتر و وزن سبک‌تر.

کاهش وزن و هزینه تولید

کاهش اندازه موتور به‌معنای کاهش وزن و حجم کل خودرو است که خود بهبودهای بیشتری در مصرف سوخت و هندلینگ خودرو به‌همراه دارد. همچنین امکان استانداردسازی قطعات و مهندسی تولید را فراهم می‌کند؛ چراکه یک خانواده موتوری کوچک می‌تواند در نسخه‌های مختلف برای خودروهای متفاوت مورد استفاده قرار گیرد.

آیا با کاهش حجم موتور، آلودگی هوا همان‌طور که گفته شده کاهش یافته است؟

کاهش حجم موتور با توربوشارژ و بهره‌برداری بهینه از مزایای آن می‌تواند منجر به‌کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش انتشار CO2 شود. سازمان حفاظت محیط‌زیست آمریکا (EPA) در مطالعات خود اعلام کرده است که استفاده از موتورهای توربوشارژ می‌تواند کاهش بین ۵ تا ۷ درصد در CO2 تولیدی را نسبت به موتورهای بزرگ‌تر ایجاد کند.

تفاوت بین نتایج آزمایشگاهی و دنیای واقعی

با این حال، مطالعات مهندسی نشان داده‌اند که در شرایط واقعی رانندگی، این کاهش انتشار همیشه به آن میزان که در استانداردهای آزمایشگاهی ثبت می‌شود، قابل مشاهده نیست. دلایل آن شامل سبک رانندگی، وزن خودرو، سیستم انتقال قدرت و واقعیت‌های عملکردی موتور در شرایط غیرآزمایشگاهی است.

در برخی موارد، مصرف سوخت و آلایندگی موتورهای کوچک توربوشارژ به‌دلیل طراحی برای توان خروجی بالا به‌خصوص در شرایط شتاب‌گیری شدید ممکن است حتی بیشتر از موتورهای بزرگ‌تر باشد؛ چراکه برای تولید قدرت بیشتر از حداکثر توان طراحی، استفاده از توربو باعث افزایش مصرف سوخت می‌شود.

انتشار آلاینده‌های غیر CO₂

موتورهای کوچک توربوشارژ ممکن است در برخی شرایط ذرات معلق، NOX (نیترواکسیدهای نسوخته) و آلاینده‌های دیگر را در سطوح متفاوتی نسبت به موتورهای بزرگ‌تر آزاد کنند. دلیل این امر طراحی‌های پیچیده‌تر احتراق و فشارهای بالاتر سیکل‌های کاری است که می‌تواند منجر به تشکیل آلاینده‌های مختلف شود. این موضوع به‌ویژه در موتورها با سیستم‌های پاشش مستقیم سوخت برجسته‌تر است و نشان می‌دهد مقایسه صرفا بر اساس حجم موتور، نمی‌تواند به‌تنهایی نشان‌دهنده کاهش قطعی آلودگی هوا باشد.

آیا راه دیگری جز نصب توربوشارژ برای موتورهای کم‌حجم وجود ندارد؟

توربوشارژ تنها راه ممکن برای بهبود کارایی موتورها نیست؛ اما در عمل یکی از موثرترین و رایج‌ترین روش‌ها محسوب می‌شود. در ادامه به روش‌های دیگر می‌پردازیم:

۱) سوپرشارژر Supercharing

سوپرشارژرها نیز مشابه توربوشارژر عمل می‌کنند و هوا را به سیلندرها تزریق می‌کنند؛ اما انرژی لازم برای فشرده‌سازی هوا از میل‌لنگ تامین می‌شود. این روش می‌تواند در برخی کاربردها مزایایی داشته باشد؛ مانند پاسخ‌دهی بهتر در دور پایین موتور. اما به‌دلیل افزایش بار مکانیکی روی موتور، کارایی سوختی کمتری نسبت به توربوشارژر دارد.

۲) ارتقای بهره‌وری احتراق

روش‌هایی مانند پاشش مستقیم سوخت با فشار بالا GDI، زمان‌بندی متغیر سوپاپ و چرخه‌های اتکینسون و میلر می‌توانند به بهبود بازده سوختی موتور کمک کنند. برای مثال، فناوری MultiAir فیات باعث کاهش اتلاف انرژی و بهبود احتراق می‌شود که می‌تواند بدون نیاز به توربو تا حد زیادی مصرف سوخت را پایین بیاورد.

۳) استفاده از سیستم‌های هیبریدی

ادغام موتورهای احتراق‌داخلی با موتورهای الکتریکی در سیستم‌های هیبریدی می‌تواند نیاز به‌حجم بالای موتور را کاهش دهد؛ چراکه موتور الکتریکی در بارهای پایین کار رانندگی را برعهده می‌گیرد و کمک می‌کند که موتور احتراق‌داخلی در نقاط بهینه کار کند. این رویکرد در بسیاری از خودروهای امروزی دیده می‌شود.

۴) کاهش وزن و مدیریت بهتر انرژی

روش‌های مهندسی مانند استفاده از مواد سبک‌تر، بهینه‌سازی آیرودینامیک و سیستم مدیریت انرژی می‌توانند به‌طور مستقل تاثیرات مثبتی بر مصرف سوخت و انتشار آلاینده‌ها داشته باشند؛ بدون این‌که صد در صد نیاز به توربوشارژ باشد

۵) استفاده از موتورهای الکتریکی تنها

در سطح وسیع‌تر، فناوری‌های الکتریکی و پیل‌سوختی جایگزینی برای موتورهای احتراق‌داخلی ارائه می‌دهند؛ اما در حال حاضر در بخش بزرگی از بازار هنوز این فناوری‌ها به دلایل زیر کامل جایگزین نشده‌اند:

زیرساخت شارژ گسترده نشده است؛

هزینه تولید باتری همچنان بالا است؛

بعضی بازارها به دلایل اقتصادی و فرهنگی دارای تقاضای بالای خودروهای احتراق‌داخلی هستند.

چرا راه دیگری جز کاهش حجم موتور نیست؟

1-مقررات جهانی و واقعیت‌های بازار؛

بسیاری از دولت‌ها در سراسر دنیا مقررات سخت‌گیرانه‌ای برای انتشار آلاینده‌ها و مصرف سوخت وضع کرده‌اند. این مقررات به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که سازندگان خودرو را به‌سمت کاهش مصرف سوخت و انتشار نیرو می‌برند. در چنین شرایطی، Downsizing یکی از مقرون‌به‌صرفه‌ترین راهکارها برای رسیدن به اهداف قانونی است؛ چراکه می‌تواند بدون نیاز به تغییرات بنیادی در زنجیره‌تامین، بهبود قابل ملاحظه‌ای در کارایی ایجاد کند.

2- هزینه و پیچیدگی جایگزین‌ها

اگرچه روش‌هایی نظیر هیبریدسازی، پیل‌سوختی یا الکتریکی کردن کامل خودروها وجود دارد، اما این روش‌ها در درجه نخست هزینه توسعه و تولید بسیار بالاتری دارند و همچنین نیازمند زیرساخت‌های کامل جهانی هستند.

درعین حال خودروها در عمر خود با برخی چالش‌ها از جمله دوام باتری مواجه هستند و موارد یادشده به‌طور کلی سبب شده‌اند در کوتاه‌مدت نتوانند به‌اندازه Downsizing کارآمد باشند.

تقاضای مصرف‌کننده

در بسیاری از بازارها، مصرف‌کننده هنوز خواهان قدرت و تجربه رانندگی مشابه با موتورهای بزرگ است؛ Downsizing با استفاده از توربوشارژ سعی می‌کند این خواسته را برآورده کند؛ درحالی که مصرف سوخت را بهینه می‌کند.

آیا در طراحی و تولید موتورهای بنزینی همچنان باید کاهش حجم مد نظر خودروسازان باشد؟

پاسخ کوتاه این است: بله؛ در کوتاه‌ تا میان‌مدت این روند ادامه خواهد یافت؛ اما همراه با تکامل فناوری. حرکت به‌سمت موتورهای کوچک‌تر و به‌کارگیری روش‌های ترکیبی (ترکیب Downsizing، توربوشارژ، سیستم‌های هیبریدی و مکانیزم‌های نوین احتراق) به‌عنوان راه اصلی بهینه‌سازی ICE تا زمانی که پایان کامل دوران موتورهای احتراق‌داخلی فرا برسد، ادامه می‌یابد. ناگفته نماند که در آینده و اکنون نیز مدل‎های هیبریدی و پلاگین-هیبریدی در حال توسعه هستند و از پیشرانه‎های پرخوران توربوشارژ بهره خواهند گرفت.

نقش توربوشارژ در آینده

توربوشارژ هنوز یکی از موثرترین روش‌ها برای استفاده بهینه از موتورهای بنزینی است؛ چراکه در اکثر گونه‌های خودرو قابل اعمال است. یعنی ساختار پیچیده اما قابل اعتمادی دارد که می‌تواند همراه با تکنیک‌های پیشرفته‌تر مثل توربوشارژ الکتریکی یا توربو دو مرحله‌ای بهبود یابد.

رقابت با فناوری‌های نوین

درحالی که خودروهای هیبریدی و الکتریکی بخش بزرگی از بازار را به‌خود اختصاص داده‌اند، هنوز سراسری شدن این فناوری‌ها زمان‌بر است. بنابراین موتورهای کم‌حجم توربو تا زمانی که شبکه و زیرساخت خودروهای الکتریکی تکامل یابد، هزینه‌های ساخت و نگهداری کاهش یابد و تقاضای جهانی به‌صورت کامل تغییر پیدا کند، بخشی از بازار را تشکیل خواهند داد.