ترجیح موتور دیزل بر موتور بنزینی در خودروهای سواری

متعاقب بحران‌های انرژی و زیست‌محیطی به وجود آمده در ارتباط با آلودگی خودروها، بیشتر کشورهای دنیا بویژه در اروپا و امریکا، با هدف وضع قوانین سختگیرانه مصرف سوخت و کاهش آلودگی هوا خودروسازان را در زمینه طراحی موتور‌های مناسب مجبور به تکاپو کرده‌اند. این تلاش‌ها در مسیرهای زیر پررنگ بوده است:

الف- بهینه‌سازی موتورهای فعلی از لحاظ سوخت و بهسوزی

ب- استفاده از سوخت‌های جایگزین (هیدروژن، گاز طبیعی، الکل و ...)

پ- ارتقای موتورهایی که مورد استقبال کمی قرار گرفته‌اند (موتورهای دیزل).

ت- طراحی و ساخت موتورهای هیبریدی و ارتقای آنها

یکی از عمده مواردی که خودروسازان، فعالیت‌های زیادی در ارتباط با آن انجام داده‌اند، تولید خودروهای دیزل است.

موتورهای دیزلی و بنزینی عمده‌ترین انواع موتورهای درونسوز بوده و در سطحی وسیع مورد استفاده قرار می‌گیرند. امروزه موتورهای دیزل که از آنها به عنوان خودروهای سبز یاد می‌شود، پیشرفت فراوانی کرده‌اند. به طوری‌که این نوع خودروها افزون بر 50 درصد از خودروهای اروپا را دربرمی‌گیرند. این مقاله، شرح مختصری است از این نوع موتورها در مقایسه با موتورهای بنزینی.

موتورهای چهار زمانه درونسوز اعم از موتور بنزینی و دیزلی، چهار مرحله را در هر چرخه پشت سر می‌گذارندکه عبارتند از:

1.مکش[1]: به داخل کشیدن هوا یا مخلوطی قابل احتراق در سیلندر

2.تراکم[2]: متراکم ساختن مخلوط وارده به سیلندر توسط پیستون

3.احتراق یا انفجار[3]: شعله‌ور ساختن مخلوط متراکم‌شده، انبساط گازهای سوخته شده و تولید قدرت

4.تخلیه[4]: خروج پسماند احتراق

تفاوت موتور بنزینی و دیزل از لحاظ مراحل چهارگانه بالا، در مرحله احتراق است. در موتور بنزینی، سیستم تغذیه و تنظیم سوخت، مخلوط هوا و ماده سوختنی را فراهم می‌کند و به داخل محفظه سیلندر می‌فرستد. این کار بر اثر ایجاد خلأ در سیلندر به واسطه پایین رفتن پیستون انجام می‌شود. پس از ورود مخلوط، پیستون آن را فشرده می‌کند. این مخلوط در لحظه‌ای مناسب به وسیله جرقه‌ای الکتریکی مشتعل می‌شود. این امر، باعث آزاد شدن انرژی و راندن پیستون به سمت پایین می‌شود. به همین دلیل، موتور بنزینی، موتور احتراق جرقه‌ای [5] نیز نامیده می‌شود.

در موتور دیزل، هوای خالص در سیلندر موتور متراکم‌ می‌شود. سپس به منظور جلوگیری از اشتعال پیش‌رس، سوخت به داخل هوای متراکم تزریق می‌شود. زمانی که سوخت تزریق می‌شود، به دلیل فشار و دمای بالا، خودبه‌خود محترق می‌شود. تا زمانی که پاشش سوخت ادامه می‌یابد عمل احتراق نیز ادامه دارد. به همین دلیل، موتور دیزل، موتور احتراق تحت فشار[6] نیز نامیده می‌شود.

اصول ترمودینامیکی

چرخه‌های قدرت استاندارد هوا، شامل چرخه برایتون (توربین گاز)، چرخه اتو (موتور بنزینی)، چرخه دیزل (موتور دیزل) و چرخه استرلینگ (مشابه اتو) است. از چرخه‌های دیزل و اتو در خودروهای دیزل و بنزینی استفاده می‌شود.

چرخه‌های ترمودینامیکی ایده‌ال

در چرخه اتو، هوا در فشار اولیه P₁ و دمای T₁ طی فرایند آیزنتروپیک (آنتروپی ثابت) متراکم می‌شود تا پیستون به نقطه مرگ بالا (TDC) برسد. در نمودار 1 این نقطه با شماره 2 نمایش داده شده است.

عمل احتراق طی فرایند حجم ثابت، از نقطه 2 به 3 صورت می‌گیرد و انرژی حرارتی، برای انجام کار به سیستم منتقل می‌شود.

در مرحله انبساط (3 به 4) هوا طی فرایند آنتروپی ثابت، منبسط شده و پیستون به سمت نقطه مرگ پایین (BDC) حرکت می‌کند. در این مرحله، پیستن کار انجام می‌دهد.

در مرحله تخلیه که همان مرحله 4 به 1 است، اتلاف حرارتی صورت می‌گیرد.

نمودار 1: چرخه ترمودینامیکی اتو

این چرخه، دارای بازدهی است که به صورت نسبت کار انجام شده به حرارت دریافت شده توسط سیستم تعریف می‌شود و از رابطه زیر به دست می‌آید:

 r_c نسبت تراکم (نسبت حجم سیلندر زمانی که پیستون در نقطه مرگ بالاست به حجم آن زمانی که پیستون در نقطه مرگ پایین می‌باشد)

چرخه دیزل مشابه چرخه اتو است با این تفاوت که در مرحله احتراق، مطابق شکل 1 (نقطه b به c) فرایند فشار ثابت است. در شکل 1، روابط ترمودینامیکی حاکم بر فرایندها، نوشته شده و قابل استفاده برای محاسبه بازده است.

شکل 1: چرخه ترمودینامیکی دیزل

در چرخه دیزل، بازده از رابطه زیر به دست می‌آید:

که در آن: 

نسبت حجم بین پایین و شروع احتراق است.

در مقایسه چرخه‌های اتو و دیزل، می‌توان گفت که رواب فوق نشان می‌دهند با توجه به اینکه 

بزرگتر از یک است، برای نسبت تراکم یکسان بازده چرخه دیزل کمتر از چرخه اتو بوده، اما برای کار خروجی و فشار ماکزیمم یکسان، بازده چرخه دیزل بیشتر است.

ناگفته نماند که روابط و بازده به دست آمده از روابط فوق، تخمینی بسیار خوش‌بینانه و نسبتا دور از واقعیت از موتورهای واقعی است. دلایل این امر عبارتند از:

الف- در این روابط برخلاف شرایط واقعی از حرارت تلف‌شده در مرحله تراکم و انبساط صرف نظر شده است.

ب- سیال چرخه‌های فوق، هوای خالص است، در صورتی‌که در شرایط واقعی، سیال مخلوطی از هوا و سوخت بوده و گرمای ویژه آن تابعی از فشار سیلندر، دما، نسبت هوا به سوخت و دیگر عوامل است.

پ- در شرایط واقعی، به‌رغم چرخه ایده‌آل، احتراق در فشار ثابت (چرخه دیزل) یا حجم ثابت (چرخه اتو) اتفاق نمی‌افتد.

ت- در موتور واقعی، تغییر مخلوط سوخت و هوا به محصولات شیمیایی متفاوت، توان خروجی را کاهش می‌دهد و فرایند دریافت حرارت در حجم ثابت صورت نمی‌گیرد.

ث- در چرخه‌های ایده‌آل موتورهای چهارزمانه، کار تلف شده هنگام مکش سیال به داخل سیلندر و راندن دود به خارج آن، مدنظر قرار نمی‌گیرد.

ج- در حالت واقعی چرخه اتو، احتراق به صورت لحظه‌ای رخ نمی‌دهد.

چ- در روابط فوق، هیچ اثری از اتلافات اصطکاکی مشاهده نمی‌شود.

با وجود این خطاها، استفاده از روابط یاد شده برای تخمین‌های کلی و مقایسه دو چرخه، کاری مناسب است.

چرخه واقعی موتور بنزینی، مشابه چرخه اتو بوده، اما چرخه موتور واقعی دیزل را نمی‌توان کاملا با چرخه دیزل (احتراق فشار ثابت) مشابه‌سازی کرد. چرخه دیزل بیشتر مشابه چرخه احتراق دوگانه[7] یا چرخه ترکیبی[8] است. نمودار فشار- حجم این چرخه که ترکیبی از چرخه‌های اتو و دیزل است، به صورت شماتیک در نمودار 2 نشان داده شده است.

نمودار 2: نمودار فشار- حجم چرخه دوگانه یا ترکیبی استاندارد هوا

چرخه‌های ترمودینامیکی واقعی

در نمودار 3، دیاگرام چرخه‌های واقعی موتور بنزینی و دیزل نشان داده شده است. براساس این نمودار، نسبت تراکم موتور بنزینی از موتور دیزل کمتر است. این نمودارها را می‌توان با چرخه‌های ایده‌آل استاندارد هوا، مقایسه کرد.

نمودار 3: دیاگرام فشار- حجم نمونه‌ای از موتورهای واقعی بنزینی: (الف) و دیزل (ب) 

احتراق در موتور دیزل، یکی از فرایندهای اساسی بوده و عامل اصلی تفاوت آن با موتور بنزینی است. به همین علت نیازمند شرحی دقیق‌تر در زمینه فرایندهای چرخه موتور دیزل و بویژه فرایند احتراق در آن خواهیم بود.

مطابق نمودار 3، فرایند احتراق به صورت اسمی از نقطه C یعنی زمان پاشش سوخت به داخل سیلندر شروع شده و تا نقطه D ادامه می‌یابد. سوخت، پس از پاشیده شدن در محفظه احتراق، به علت دمای بالای سیلندر، خودبه‌خود مشتعل شده و عمل احتراق انجام می‌شود. برای احتراق کاملتر، سوخت به صورت ذره‌ای تزریق می‌شود. یعنی تمامی سوخت در یک لحظه به سیلندر پاشیده نمی‌شود. به‌علاوه، زمانی نیز برای عملیات اختلاط سوخت با هوا، تبخیر و شروع به احتراق، صرف می‌شود. بنابراین، عمل سوختن در مدتی طولانی ادامه دارد، به‌طوری که به پایین رفتن پیستون و ازدیاد حجم، از فشار احتراق کاسته نمی‌شود. به بیانی دیگر، ادامه احتراق در زمان طولانی‌تر بزرگ شدن حجم را جبران می‌کند. لذا از نظر تئوری، موتور دیزل را موتور فشار ثابت می‌گویند. به علت تداوم تزریق سوخت، فشار زمان قدرت تقریبا ثابت بوده و پیستون تا مدت بیشتری تحت تاثیر فشار احتراق باقی می‌ماند. این حالت در نمودار 3 از نقطه مرگ بالا تا نقطه D ادامه دارد. از آنجا که در موتور دیزل، احتراق به صورت خودبه‌خودی یعنی بدون جرقه شمع یا منبعی دیگر انجام می‌شود، سیستم سوخت‌رسانی باید

دارای شرایط زیر باشد:

الف- سوخت، به مقدار کاملا دقیق نسبت به بار موتور، ارسال شود.

ب- شروع تزریق، کاملا صحیح تنظیم شود

پ- مدت تزریق، کاملا حساب شده باشد

ت- سوخت به شکل کاملا ذره‌ای یا به صورت گرد تزریق شود

ث- ذرات سوخت در تمام فضای اتاق احتراق پخش شوند

ج- کیفیت سوخت و احتراق به گونه‌ای تنظیم گردد که بازده حرارتی، حداکثر شود. یعنی دود خروجی از اگزوز دارای حداقل هیدروکربور نسوخته باشد.

چ- مقدار تزریق سوخت با توجه به مدت پاشش و نحوه احتراق، به‌گونه‌ای هماهنگی داشته باشد که زمان احتراق نسبتا طولانی بوده و با ازدیاد حجم موتور به هنگام پایین رفتن پیستون، فشار ثابت بماند.

احتراق و پاشش سوخت در موتور دیزل، دارای سه مرحله ذیل است:

1.      مرحله تاخیر احتراق[9]: در این زمان، سوخت به صورت بخار درآمده و با هوا مخلوط می‌شود. میل‌لنگ در شروع پاشش، حدود 22 تا 30 درجه قبل از نقطه مرگ بالاست. البته در موارد جدیدتر، این مقدار به حدود 15 درجه کاهش یافته است.

2.      مرحله شروع احتراق: به علت وجود نقاط گرم محترق‌کننده، بخار سوخت مخلوط‌شده با هوا به سرعت می‌سوزد. احتراق، اندکی قبل از نقطه مرگ بالا شروع می‌شود (حدود 5 درجه زاویه میل‌لنگ نسبت به نقطه مرگ بالا) و وقتی پیستون به نقطه مرگ بالا می‌رسد، احتراق اولیه کامل شده و فشار سیلندر به حداکثر مقدار خود می‌رسد.

3.      مرحله ادامه احتراق: سوخت‌هایی که دیرتر تزریق می‌شود، با ذرات سوختی که هنوز کاملا نسوخته و نیز اکسیژن هوا مخلوط شده و عمل احتراق را تا مدتی طولانی ادامه می‌دهند.

برتری‌های موتور دیزل به موتور بنزینی

امروزه، خودروهای سواری دیزلی بر خودروهای بنزینی پیشی گرفته‌اند. این موضوع ناشی از مزایای قابل توجه این نوع موتورهاست که برخی از آنها عبارتند از:

1.      در موتور دیزل، به علت متراکم شدن هوا، احتراق به صورت خودبه‌خودی صورت می‌گیرد، اما در موتور بنزینی، به علت متراکم شدن مخلوط سوخت و هوا، افزایش فشار سیلندر در مرحله تراکم با محدودیت مواجه است. نسبت تراکم در موتور دیزل حدود 1:18 و در موتور بنزینی حدود 1:10 است.

2.      موتور دیزل، با مصرف سوخت و آلودگی کمتر، توان و گشتاور بیشتری تولید می‌کند (نمودار 4).

همان‌طور که در نمودار4 دیده می‌شود، خودروهای سواری دیزلی با وزن حدود 1300 کیلوگرم، در مقایسه با خودروهای بنزینی حدود 28 درصد کاهش مصرف و آلایندگی دی‌اکسید کربن دارند. هر چه وزن خودروها بیشتر شود، این اختلاف چشمگیرتر است.

نمودار 4: مقایسه مصرف سوخت و انتشار CO₂ ودروهای بنزینی و دیزل براساس وزن آنها

در شکل 2، مقایسه‌ای بین دو نوع خودروی مرسدس بنز مشابه با مدل‌های E240 (بنزینی) و E270CDI (دیزل) انجام شده است. در نمودار میله‌ای شکل 2، قسمت‌های تیره‌تر مربوط به خودروی دیزل و قسمت‌های روشن‌تر مربوط به خودروهای بنزینی است. شکل ظاهری این دو و، تقریبا یکسان است. همان‌طور که در نمودار شکل 2 دیده می‌شود، با توان یکسان، خودروی دیزلی گشتاور بیشتری تولید می‌کند. همچنین میزان مصرف سوخت و آلایندگی در خودروی دیزلی برتری قابل‌توجهی دارد. تنها سرعت حداکثر و شتاب‌گیری موتور بنزینی، بهتر است که البته میزان این اختلاف بسیار اندک است.

شکل 2: مقایسه فنی خودروی بنز با مدل‌های E240 (بنزینی) و E270CDI (دیزل)

در موتور دیزل، نیازی به شمع برای ایجاد جرقه نیست.

3.      موتور دیزل، قابلیت تطابق با سوخت‌های بیشتری را دارد. از جمله این موارد، Biomass است که نمونه‌ای از آن روغن‌های خوراکی مصرف شده است.

4.      سوخت دیزل به علت سنگین بودن، با نسبت سوخت به هوای بسیار کم (حدود 04/0) نیز احتراق کامل صورت می‌گیرد.

5.      دیزل، ارزان‌تر از بنزین است. در کشور ما این موضوع به وضوح مشهود بوده و در کشورهای اروپایی نیز مورد توجه است. نمودار 5، مقایسه قیمت بنزین و سوخت دیزل را نشان می‌دهد.

نمودار 5: مقایسه قیمت سوخت دیزل و بنزین در اروپا و امریکا

امروزه مفهوم استفاده از موتورهای دیزل آن‌طور که باید جا نیفتاده است. نه‌تنها مزایای موتور دیزل زیاد است بلکه دقت ساخت این نوع موتورها نیز بسیار بالاست. از سوی دیگر، نگهداری از موتورهای دیزل مشکل بوده و در صورت صدمه دیدن اجزای موتور، هزینه‌های تعمیر آن زیاد می‌باشد. این موارد، قیمت اولیه موتور را بالا می‌برد. به‌رغم اذعان استفاده‌کنندگان موتور دیزل که از کارکرد موتور، مصرف کم و هزینه‌های اندک آن بسیار راضی هستند، این موضوع به طور چشمگیری بر دیدگاه مشتریان برای ترجیح در خرید خودروی دیزلی یا بنزینی، تاثیر می‌گذارد.

در این زمینه به جای موضوع فوق، چند موضوع زیر را باید در دیدگاه مشتریان پررنگ‌تر کرد:

الف- قیمت اولیه موتور دیزل، بیشتر از موتور بنزینی است.

ب- مزایای استفاده از سوخت دیزل در مقایسه با بنزین در راستای منافع اقتصادی کشور، قابل توجه است.

پ- قیمت سوخت دیزل بسیار کمتر از بنزین است.

ت- با سوخت دیزل مسافت بیشتری را می‌توان با خودرو طی نمود.

ث- موتور دیزل، پتانسیل بیشتری برای استفاده از سوخت‌های تجدیدپذیر نظیر Biomass دارد.

تمامی موارد فوق نشان می‌دهند که به‌رغم تعبیر اولیه مشتریان از قیمت بالای خودروهای دیزلی، این نوع خودروها اقتصادی‌تر هستند. مثال زیر نیز این موضوع را به‌خوبی نشان می‌دهد. برای دو مدل مقایسه شده در شکل 2 مقایسه‌ای قیمتی نیز انجام شده است.

خودروی دیزل مرسدس بنز E270CDI حدود 700 یورو گران‌تر از خودروی بنزینی مرسدس بنز E240 است. مصرف سوخت مدل دیزلی 5/6 لیتر در 100 کیلومتر بوده، اما مصرف سوخت مدل بنزینی 7/10 لیتر در 100 کیلومتر است. قیمت سوخت در اروپا به ازای هر لیتر برای سوخت دیزل 89/0 یورو و برای بنزین 03/1 یورو است. با فرض این‌که این دو خودرو در سال 15 هزار کیلومتر مسافت طی کنند. مبلغ 700 یورو پس از یک‌سال جبران شده و از سال دوم، خودروی دیزل به صرفه‌تر خواهد بود.

نتیجه‌گیری

پیشتازان خودروی دیزل در دنیا، اروپا، امریکای شمالی و ژاپن هستند و استفاده از این خودرو با توجه به مزایای آن با سرعت چشمگیری رو به افزایش است. با این تفاسیر دیری نمی‌پاید که ایران نیز به ناچار به این سمت حرکت می‌کند. لذا به نظر می‌رسد از هم‌اکنون باید مبناهای حرکتی به سمت تکنولوژی‌های خودروی دیزل، فراهم آیند. در کشور ما، گازوئیل به عنوان سوخت دیزل از مرغوبیت بالایی برخوردار نیست. بالا بودن میزان سولفور در گازوئیل، باعث استهلاک زودرس موتور و بوی نامطبوع خروجی آن است. این موارد باعث می‌شوند تا خودروی دیزل پس از مدتی برتری‌های خود را در مقایسه با خودروی بنزینی از دست داده و عملکرد بدی پیدا کند. بنابراین، برای استفاده از خودروهای دیزل در ایران، لازم است زیرساخت‌هایی فراهم شود تا گازوئیل با سولفور بسیار پایین و مطابق با استانداردهای جهانی تولید شود. از طرفی دیگر، چون خودروهای دیزل با سوخت CNG نیز همخوانی دارند، استفاده از موتورهای دیزل با دیگر مسائل جاری، تقابلی ایجاد نمی‌کند.

از دیدگاهی دیگر، چون ژاپن از لحاظ تحقیقات تکنولوژیک در زمینه موتورهای دیزل ژاپن پیشتاز است، به نظر می‌رسد که در کنار عملیات صنعتی، بخش تحقیقات دانشگاه و صنعت نیز باید شروع به فعالیت کرده و از عملیات اجرایی صنعتی پیشی بگیرند.