موتور ديزل و ترجيحات آن بر موتور بنزيني در خودروي سواري

[M@hdi42]

موتور ديزل و ترجيحات آن بر موتور بنزيني در خودروي سواري


نويسنده : مجيد قدسي حسن‌آباد متعاقب بحران‌هاي انرژي و زيست‌محيطي به وجود آمده در ارتباط با آلودگي خودروها، بيشتر كشورهاي دنيا بويژه در اروپا و امريكا، با هدف وضع قوانين سختگيرانه مصرف سوخت و كاهش آلودگي هوا خودروسازان را در زمينه طراحي موتور‌هاي مناسب مجبور به تكاپو كرده‌اند. اين تلاش‌ها در مسيرهاي زير پررنگ بوده است:
الف- بهينه‌سازي موتورهاي فعلي از لحاظ سوخت و بهسوزي
ب- استفاده از سوخت‌هاي جايگزين (هيدروژن، گاز طبيعي، الكل و ...)
پ- ارتقاي موتورهايي كه مورد استقبال كمي قرار گرفته‌اند (موتورهاي ديزل).
ت- طراحي و ساخت موتورهاي هيبريدي و ارتقاي آنها
يكي از عمده مواردي كه خودروسازان، فعاليت‌هاي زيادي در ارتباط با آن انجام داده‌اند، توليد خودروهاي ديزل است.
موتورهاي ديزلي و بنزيني عمده‌ترين انواع موتورهاي درونسوز بوده و در سطحي وسيع مورد استفاده قرار مي‌گيرند. امروزه موتورهاي ديزل كه از آنها به عنوان خودروهاي سبز ياد مي‌شود، پيشرفت فراواني كرده‌اند. به طوري‌كه اين نوع خودروها افزون بر 50 درصد از خودروهاي اروپا را دربرمي‌گيرند. اين مقاله، شرح مختصري است از اين نوع موتورها در مقايسه با موتورهاي بنزيني.
موتورهاي چهار زمانه درونسوز اعم از موتور بنزيني و ديزلي، چهار مرحله را در هر چرخه پشت سر مي‌گذارندكه عبارتند از:
1.مكش[1]: به داخل كشيدن هوا يا مخلوطي قابل احتراق در سيلندر
2.تراكم[2]: متراكم ساختن مخلوط وارده به سيلندر توسط پيستون
3.احتراق يا انفجار[3]: شعله‌ور ساختن مخلوط متراكم‌شده، انبساط گازهاي سوخته شده و توليد قدرت
4.تخليه[4]: خروج پسماند احتراق
تفاوت موتور بنزيني و ديزل از لحاظ مراحل چهارگانه بالا، در مرحله احتراق است. در موتور بنزيني، سيستم تغذيه و تنظيم سوخت، مخلوط هوا و ماده سوختني را فراهم مي‌كند و به داخل محفظه سيلندر مي‌فرستد. اين كار بر اثر ايجاد خلأ در سيلندر به واسطه پايين رفتن پيستون انجام مي‌شود. پس از ورود مخلوط، پيستون آن را فشرده مي‌كند. اين مخلوط در لحظه‌اي مناسب به وسيله جرقه‌اي الكتريكي مشتعل مي‌شود. اين امر، باعث آزاد شدن انرژي و راندن پيستون به سمت پايين مي‌شود. به همين دليل، موتور بنزيني، موتور احتراق جرقه‌اي [5] نيز ناميده مي‌شود.
در موتور ديزل، هواي خالص در سيلندر موتور متراكم‌ مي‌شود. سپس به منظور جلوگيري از اشتعال پيش‌رس، سوخت به داخل هواي متراكم تزريق مي‌شود. زماني كه سوخت تزريق مي‌شود، به دليل فشار و دماي بالا، خودبه‌خود محترق مي‌شود. تا زماني كه پاشش سوخت ادامه مي‌يابد عمل احتراق نيز ادامه دارد. به همين دليل، موتور ديزل، موتور احتراق تحت فشار[6] نيز ناميده مي‌شود.
اصول ترموديناميكي
چرخه‌هاي قدرت استاندارد هوا، شامل چرخه برايتون (توربين گاز)، چرخه اتو (موتور بنزيني)، چرخه ديزل (موتور ديزل) و چرخه استرلينگ (مشابه اتو) است. از چرخه‌هاي ديزل و اتو در خودروهاي ديزل و بنزيني استفاده مي‌شود.
چرخه‌هاي ترموديناميكي ايده‌ال
در چرخه اتو، هوا در فشار اوليه P1 و دماي T1 طي فرايند آيزنتروپيك (آنتروپي ثابت) متراكم مي‌شود تا پيستون به نقطه مرگ بالا (TDC) برسد. در نمودار 1 اين نقطه با شماره 2 نمايش داده شده است.
عمل احتراق طي فرايند حجم ثابت، از نقطه 2 به 3 صورت مي‌گيرد و انرژي حرارتي، براي انجام كار به سيستم منتقل مي‌شود.
در مرحله انبساط (3 به 4) هوا طي فرايند آنتروپي ثابت، منبسط شده و پيستون به سمت نقطه مرگ پايين (BDC) حركت مي‌كند. در اين مرحله، پيستون كار انجام مي‌دهد.
در مرحله تخليه كه همان مرحله 4 به 1 است، اتلاف حرارتي صورت مي‌گيرد.
نمودار 1: چرخه ترموديناميكي اتو

اين چرخه، داراي بازدهي است كه به صورت نسبت كار انجام شده به حرارت دريافت شده توسط سيستم تعريف مي‌شود و از رابطه زير به دست مي‌آيد:



rc نسبت تراكم (نسبت حجم سيلندر زماني كه پيستون در نقطه مرگ بالاست به حجم آن زماني كه پيستون در نقطه مرگ پايين مي‌باشد)
چرخه ديزل مشابه چرخه اتو است با اين تفاوت كه در مرحله احتراق، مطابق شكل 1 (نقطه b به c) فرايند فشار ثابت است. در شكل 1، روابط ترموديناميكي حاكم بر فرايندها، نوشته شده و قابل استفاده براي محاسبه بازده است.
شكل 1: چرخه ترموديناميكي ديزل

در چرخه ديزل، بازده از رابطه زير به دست مي‌آيد:

كه در آن: نسبت حجم بين پايين و شروع احتراق است.
در مقايسه چرخه‌هاي اتو و ديزل، مي‌توان گفت كه روابط فوق نشان مي‌دهند با توجه به اينكه بزرگتر از يك است، براي نسبت تراكم يكسان بازده چرخه ديزل كمتر از چرخه اتو بوده، اما براي كار خروجي و فشار ماكزيمم يكسان، بازده چرخه ديزل بيشتر است.
ناگفته نماند كه روابط و بازده به دست آمده از روابط فوق، تخميني بسيار خوش‌بينانه و نسبتا دور از واقعيت از موتورهاي واقعي است. دلايل اين امر عبارتند از:
الف- در اين روابط برخلاف شرايط واقعي از حرارت تلف‌شده در مرحله تراكم و انبساط صرف نظر شده است.
ب- سيال چرخه‌هاي فوق، هواي خالص است، در صورتي‌كه در شرايط واقعي، سيال مخلوطي از هوا و سوخت بوده و گرماي ويژه آن تابعي از فشار سيلندر، دما، نسبت هوا به سوخت و ديگر عوامل است.
پ- در شرايط واقعي، به‌رغم چرخه ايده‌آل، احتراق در فشار ثابت (چرخه ديزل) يا حجم ثابت (چرخه اتو) اتفاق نمي‌افتد.
ت- در موتور واقعي، تغيير مخلوط سوخت و هوا به محصولات شيميايي متفاوت، توان خروجي را كاهش مي‌دهد و فرايند دريافت حرارت در حجم ثابت صورت نمي‌گيرد.
ث- در چرخه‌هاي ايده‌آل موتورهاي چهارزمانه، كار تلف شده هنگام مكش سيال به داخل سيلندر و راندن دود به خارج آن، مدنظر قرار نمي‌گيرد.
ج- در حالت واقعي چرخه اتو، احتراق به صورت لحظه‌اي رخ نمي‌دهد.
چ- در روابط فوق، هيچ اثري از اتلافات اصطكاكي مشاهده نمي‌شود.
با وجود اين خطاها، استفاده از روابط ياد شده براي تخمين‌هاي كلي و مقايسه دو چرخه، كاري مناسب است.
چرخه واقعي موتور بنزيني، مشابه چرخه اتو بوده، اما چرخه موتور واقعي ديزل را نمي‌توان كاملا با چرخه ديزل (احتراق فشار ثابت) مشابه‌سازي كرد. چرخه ديزل بيشتر مشابه چرخه احتراق دوگانه[7] يا چرخه تركيبي[8] است. نمودار فشار- حجم اين چرخه كه تركيبي از چرخه‌هاي اتو و ديزل است، به صورت شماتيك در نمودار 2 نشان داده شده است.
نمودار 2: نمودار فشار- حجم چرخه دوگانه يا تركيبي استاندارد هوا

چرخه‌هاي ترموديناميكي واقعي
در نمودار 3، دياگرام چرخه‌هاي واقعي موتور بنزيني و ديزل نشان داده شده است. براساس اين نمودار، نسبت تراكم موتور بنزيني از موتور ديزل كمتر است. اين نمودارها را مي‌توان با چرخه‌هاي ايده‌آل استاندارد هوا، مقايسه كرد.
نمودار 3: دياگرام فشار- حجم نمونه‌اي از موتورهاي واقعي بنزيني: (الف) و ديزل (ب)

احتراق در موتور ديزل، يكي از فرايندهاي اساسي بوده و عامل اصلي تفاوت آن با موتور بنزيني است. به همين علت نيازمند شرحي دقيق‌تر در زمينه فرايندهاي چرخه موتور ديزل و بويژه فرايند احتراق در آن خواهيم بود.

مطابق نمودار 3، فرايند احتراق به صورت اسمي از نقطه C يعني زمان پاشش سوخت به داخل سيلندر شروع شده و تا نقطه D ادامه مي‌يابد. سوخت، پس از پاشيده شدن در محفظه احتراق، به علت دماي بالاي سيلندر، خودبه‌خود مشتعل شده و عمل احتراق انجام مي‌شود. براي احتراق كاملتر، سوخت به صورت ذره‌اي تزريق مي‌شود. يعني تمامي سوخت در يك لحظه به سيلندر پاشيده نمي‌شود. به‌علاوه، زماني نيز براي عمليات اختلاط سوخت با هوا، تبخير و شروع به احتراق، صرف مي‌شود. بنابراين، عمل سوختن در مدتي طولاني ادامه دارد، به‌طوري كه به پايين رفتن پيستون و ازدياد حجم، از فشار احتراق كاسته نمي‌شود. به بياني ديگر، ادامه احتراق در زمان طولاني‌تر بزرگ شدن حجم را جبران مي‌كند. لذا از نظر تئوري، موتور ديزل را موتور فشار ثابت مي‌گويند. به علت تداوم تزريق سوخت، فشار زمان قدرت تقريبا ثابت بوده و پيستون تا مدت بيشتري تحت تاثير فشار احتراق باقي مي‌ماند. اين حالت در نمودار 3 از نقطه مرگ بالا تا نقطه D ادامه دارد. از آنجا كه در موتور ديزل، احتراق به صورت خودبه‌خودي يعني بدون جرقه شمع يا منبعي ديگر انجام مي‌شود، سيستم سوخت‌رساني بايد
داراي شرايط زير باشد:
الف- سوخت، به مقدار كاملا دقيق نسبت به بار موتور، ارسال شود.
ب- شروع تزريق، كاملا صحيح تنظيم شود
پ- مدت تزريق، كاملا حساب شده باشد
ت- سوخت به شكل كاملا ذره‌اي يا به صورت گرد تزريق شود
ث- ذرات سوخت در تمام فضاي اتاق احتراق پخش شوند
ج- كيفيت سوخت و احتراق به گونه‌اي تنظيم گردد كه بازده حرارتي، حداكثر شود. يعني دود خروجي از اگزوز داراي حداقل هيدروكربور نسوخته باشد.
چ- مقدار تزريق سوخت با توجه به مدت پاشش و نحوه احتراق، به‌گونه‌اي هماهنگي داشته باشد كه زمان احتراق نسبتا طولاني بوده و با ازدياد حجم موتور به هنگام پايين رفتن پيستون، فشار ثابت بماند.
احتراق و پاشش سوخت در موتور ديزل، داراي سه مرحله ذيل است:

1. مرحله تاخير احتراق[9]: در اين زمان، سوخت به صورت بخار درآمده و با هوا مخلوط مي‌شود. ميل‌لنگ در شروع پاشش، حدود 22 تا 30 درجه قبل از نقطه مرگ بالاست. البته در موارد جديدتر، اين مقدار به حدود 15 درجه كاهش يافته است.
2. مرحله شروع احتراق: به علت وجود نقاط گرم محترق‌كننده، بخار سوخت مخلوط‌شده با هوا به سرعت مي‌سوزد. احتراق، اندكي قبل از نقطه مرگ بالا شروع مي‌شود (حدود 5 درجه زاويه ميل‌لنگ نسبت به نقطه مرگ بالا) و وقتي پيستون به نقطه مرگ بالا مي‌رسد، احتراق اوليه كامل شده و فشار سيلندر به حداكثر مقدار خود مي‌رسد.
3. مرحله ادامه احتراق: سوخت‌هايي كه ديرتر تزريق مي‌شود، با ذرات سوختي كه هنوز كاملا نسوخته و نيز اكسيژن هوا مخلوط شده و عمل احتراق را تا مدتي طولاني ادامه مي‌دهند.

برتري‌هاي موتور ديزل به موتور بنزيني
امروزه، خودروهاي سواري ديزلي بر خودروهاي بنزيني پيشي گرفته‌اند. اين موضوع ناشي از مزاياي قابل توجه اين نوع موتورهاست كه برخي از آنها عبارتند از:

1. در موتور ديزل، به علت متراكم شدن هوا، احتراق به صورت خودبه‌خودي صورت مي‌گيرد، اما در موتور بنزيني، به علت متراكم شدن مخلوط سوخت و هوا، افزايش فشار سيلندر در مرحله تراكم با محدوديت مواجه است. نسبت تراكم در موتور ديزل حدود 1:18 و در موتور بنزيني حدود 1:10 است.
2. موتور ديزل، با مصرف سوخت و آلودگي كمتر، توان و گشتاور بيشتري توليد مي‌كند (نمودار 4).

همان‌طور كه در نمودار4 ديده مي‌شود، خودروهاي سواري ديزلي با وزن حدود 1300 كيلوگرم، در مقايسه با خودروهاي بنزيني حدود 28 درصد كاهش مصرف و آلايندگي دي‌اكسيد كربن دارند. هر چه وزن خودروها بيشتر شود، اين اختلاف چشمگيرتر است.
نمودار 4: مقايسه مصرف سوخت و انتشار CO2 خودروهاي بنزيني و ديزل براساس وزن آنها

در شكل 2، مقايسه‌اي بين دو نوع خودروي مرسدس بنز مشابه با مدل‌هاي E240 (بنزيني) و E270CDI (ديزل) انجام شده است. در نمودار ميله‌اي شكل 2، قسمت‌هاي تيره‌تر مربوط به خودروي ديزل و قسمت‌هاي روشن‌تر مربوط به خودروهاي بنزيني است. شكل ظاهري اين دو خودرو، تقريبا يكسان است. همان‌طور كه در نمودار شكل 2 ديده مي‌شود، با توان يكسان، خودروي ديزلي گشتاور بيشتري توليد مي‌كند. همچنين ميزان مصرف سوخت و آلايندگي در خودروي ديزلي برتري قابل‌توجهي دارد. تنها سرعت حداكثر و شتاب‌گيري موتور بنزيني، بهتر است كه البته ميزان اين اختلاف بسيار اندك است.

شكل 2: مقايسه فني خودروي بنز با مدل‌هاي E240 (بنزيني) و E270CDI (ديزل)

در موتور ديزل، نيازي به شمع براي ايجاد جرقه نيست.

1. موتور ديزل، قابليت تطابق با سوخت‌هاي بيشتري را دارد. از جمله اين موارد، Biomass است كه نمونه‌اي از آن روغن‌هاي خوراكي مصرف شده است.
2. سوخت ديزل به علت سنگين بودن، با نسبت سوخت به هواي بسيار كم (حدود 04/0) نيز احتراق كامل صورت مي‌گيرد.
3. ديزل، ارزان‌تر از بنزين است. در كشور ما اين موضوع به وضوح مشهود بوده و در كشورهاي اروپايي نيز مورد توجه است. نمودار 5، مقايسه قيمت بنزين و سوخت ديزل را نشان مي‌دهد.

نمودار 5: مقايسه قيمت سوخت ديزل و بنزين در اروپا و امريكا


امروزه مفهوم استفاده از موتورهاي ديزل آن‌طور كه بايد جا نيفتاده است. نه‌تنها مزاياي موتور ديزل زياد است بلكه دقت ساخت اين نوع موتورها نيز بسيار بالاست. از سوي ديگر، نگهداري از موتورهاي ديزل مشكل بوده و در صورت صدمه ديدن اجزاي موتور، هزينه‌هاي تعمير آن زياد مي‌باشد. اين موارد، قيمت اوليه موتور را بالا مي‌برد. به‌رغم اذعان استفاده‌كنندگان موتور ديزل كه از كاركرد موتور، مصرف كم و هزينه‌هاي اندك آن بسيار راضي هستند، اين موضوع به طور چشمگيري بر ديدگاه مشتريان براي ترجيح در خريد خودروي ديزلي يا بنزيني، تاثير مي‌گذارد.
در اين زمينه به جاي موضوع فوق، چند موضوع زير را بايد در ديدگاه مشتريان پررنگ‌تر كرد:
الف- قيمت اوليه موتور ديزل، بيشتر از موتور بنزيني است.
ب- مزاياي استفاده از سوخت ديزل در مقايسه با بنزين در راستاي منافع اقتصادي كشور، قابل توجه است.
پ- قيمت سوخت ديزل بسيار كمتر از بنزين است.
ت- با سوخت ديزل مسافت بيشتري را مي‌توان با خودرو طي نمود.
ث- موتور ديزل، پتانسيل بيشتري براي استفاده از سوخت‌هاي تجديدپذير نظير Biomass دارد.
تمامي موارد فوق نشان مي‌دهند كه به‌رغم تعبير اوليه مشتريان از قيمت بالاي خودروهاي ديزلي، اين نوع خودروها اقتصادي‌تر هستند. مثال زير نيز اين موضوع را به‌خوبي نشان مي‌دهد. براي دو مدل مقايسه شده در شكل 2 مقايسه‌اي قيمتي نيز انجام شده است.
خودروي ديزل مرسدس بنز E270CDI حدود 700 يورو گران‌تر از خودروي بنزيني مرسدس بنز E240 است. مصرف سوخت مدل ديزلي 5/6 ليتر در 100 كيلومتر بوده، اما مصرف سوخت مدل بنزيني 7/10 ليتر در 100 كيلومتر است. قيمت سوخت در اروپا به ازاي هر ليتر براي سوخت ديزل 89/0 يورو و براي بنزين 03/1 يورو است. با فرض اين‌كه اين دو خودرو در سال 15 هزار كيلومتر مسافت طي كنند. مبلغ 700 يورو پس از يك‌سال جبران شده و از سال دوم، خودروي ديزل به صرفه‌تر خواهد بود.
نتيجه‌گيري
پيشتازان خودروي ديزل در دنيا، اروپا، امريكاي شمالي و ژاپن هستند و استفاده از اين خودرو با توجه به مزاياي آن با سرعت چشمگيري رو به افزايش است. با اين تفاسير ديري نمي‌پايد كه ايران نيز به ناچار به اين سمت حركت مي‌كند. لذا به نظر مي‌رسد از هم‌اكنون بايد مبناهاي حركتي به سمت تكنولوژي‌هاي خودروي ديزل، فراهم آيند. در كشور ما، گازوئيل به عنوان سوخت ديزل از مرغوبيت بالايي برخوردار نيست. بالا بودن ميزان سولفور در گازوئيل، باعث استهلاك زودرس موتور و بوي نامطبوع خروجي آن است. اين موارد باعث مي‌شوند تا خودروي ديزل پس از مدتي برتري‌هاي خود را در مقايسه با خودروي بنزيني از دست داده و عملكرد بدي پيدا كند. بنابراين، براي استفاده از خودروهاي ديزل در ايران، لازم است زيرساخت‌هايي فراهم شود تا گازوئيل با سولفور بسيار پايين و مطابق با استانداردهاي جهاني توليد شود. از طرفي ديگر، چون خودروهاي ديزل با سوخت CNG نيز همخواني دارند، استفاده از موتورهاي ديزل با ديگر مسائل جاري، تقابلي ايجاد نمي‌كند.
از ديدگاهي ديگر، چون ژاپن از لحاظ تحقيقات تكنولوژيك در زمينه موتورهاي ديزل ژاپن پيشتاز است، به نظر مي‌رسد كه در كنار عمليات صنعتي، بخش تحقيقات دانشگاه و صنعت نيز بايد شروع به فعاليت كرده و از عمليات اجرايي صنعتي پيشي بگيرند.

منابع
1- Robert Bosch, "Automative handbook", Bentley Publisheres; 5th edition, 2000
2- R.Bosch, "Diesel fuel injection", Robert Bosch GMbH,1st edition, 1994
3- Perry O .Black, "diesel engine manual;, D.B.Taraporevala Sons& Private Ltd.1964
4- L.R.C Lilly, "Diesel engine reference book", Butterworth and Co Ltd, 1984
5- J.I.Ramos, "Internal combustion engine modeling", Hemisphere Publishing Corporation, 1989