پس از دهه ۷۰ میلادی، ورودی سیستم‌های پرخوران برای بهبود راندمان و درنهایت ورود علم الکترونیک و کنترلرهای هوشمند برای قطعات و بخش‌های مکانیکی خودرو. اگرچه سیر تکامل موتورهای درون‌سوز به‌نوعی به اوج خود رسیده، اما این جمله به‌معنای توقف پیشرفت و عدم ارائه سیستم‌های نوین و جدید برای این نوع قوای محرکه نیست.
مروری بر تاریخچه پیشرانه‌های دیزلی
سال ۱۸۷۸ یک مهندس مکانیک دانش‌آموخته در دانشگاه پلی‌تکنیک‌یوم مونیخ، با مطالعه دقیق روی سیکل ترمودینامیکی کارنو موفق شد یک موتور احتراق‌داخلی را به‌صورت تئوری و در قالب چند مقاله به‌جهان معرفی کند.
این مهندس مکانیک آلمانی رودلف دیزل نام داشت. وی در سال ۱۸۹۲ موفق به‌ثبت اختراع ایده جالب و شگفت‌انگیز خود شد. از آن‌جا که سرمایه‌گذاری بسیاری برای تولید یک نمونه از این پیشرانه جدید دیزلی لازم بود، رودلف دیزل موفق شد در سال ۱۸۹۲ با سرمایه‌گذاری موریتز شروتر (Moritz Schröter) و مکس گوت‌مث (Max Gutermuth) تا تابستان ۱۸۹۳ یک نمونه از موتور جدید خود را بسازد.
این قوای محرکه جدید از نظر ساختار و حتی سیکل کاری مشابه اتو بود (که بعدها با نام موتور بنزینی شناخته شد) و تنها در زمان احتراق و البته فشرده‌سازی هوا با یکدیگر تفاوت داشتند. پس از مرگ رودلف دیزل، این موتور به‌یاد او و افتخاراتش، با نام دیزل شناخته شد.
پیشرانه دیزل بزرگ‌ترین تحول در تاریخ موتورهای احتراق‌داخلی است که دارای معایبی از جمله دور پایین و راندمان نه‌چندان مناسب بود. این مشکلات توسط روبرت بوش و با طراحی یک پمپ انژکتور برای سیستم سوخت‌رسانی برطرف شده و سبب شد توجهات به این پیشرانه بیشتر شود.
امروزه در صنایع مختلفی از جمله خودروسازی، کشتی‌سازی، نیروگاه‌ها و حتی تولید ماشین‌آلات کشاورزی و صنعتی از این سیستم استفاده می‌شود.
موتورهای دیزلی چگونه کار می‌کنند؟
موتور دیزل همان‌طور که اشاره شد، از نظر شکل ساختمانی و اجزای داخلی سیلندرها مشابه موتور بنزینی است؛ با این وجود در زمان پاشش سوخت، نحوه تراکم و شکل‌گیری احتراق، تفاوت‌هایی بین این دو پیشرانه وجود دارد. به‌عبارت دیگر در مرحله نخست، سیلندر مکش را انجام می‌دهد و پس از حرکت پیستون به‌نقطه مرگ بالا TDC، هوای متراکم شده به‌حدی داغ می‌شود که تنها با پاشش سوخت احتراق صورت می‌گیرد.
پس از احتراق، پیستون به نقطه مرگ پایین BDC رسیده و بعد از آن با ایجاد یک افزایش حجم و کاهش فشار، دود حاصل از احتراق به‌وسیله حرکت پیستون به نقطه مرگ بالا خارج می‌شود.
به صورت کلی می‌توان گفت سه تفاوت اساسی در پیشرانه دیزل نسبت به‌پیشرانه اتو وجود دارد؛ نخست آن‌که احتراق در موتور دیزلی تدریجی بوده و هیچ‌گونه انفجاری رخ نمی‌دهد. همچنین دیگر نیازی به‌سیستم جرقه‌زنی برای ایجاد انفجار و وارد آمدن نیروی ناگهانی نیست. درعین حال در موتور دیزل می‌توان نسبت تراکم را بالاتر از موتور بنزینی در نظر گرفت (بین ۱۴ به یک تا ۲۲ به یک)؛ این نسبت تراکم هر قدر بیشتر باشد، دما و فشار نیز افزایش یافته و احتراق قوی‌تری ایجاد می‌شود.
شکل مهندسی موتور کامنز
کامنز یک کمپانی آمریکایی است که بیش از ۱۰۱ سال در زمینه طراحی و تولید ژنراتورها، سلول سوختی توربوشارژ، فیلتراسیون و پیشرانه‌های خودروهای کار و تجاری فعالیت دارد. این کمپانی در آخرین دستاورد خود موفق به‌طراحی یک پیشرانه دیزلی فوق قدرتمند شده که نسبت به‌تمام قوای محرکه درون‌سوز دنیای خودرو متفاوت است.
مهندسان کامنز در یک همکاری با کمپانی اکدز پاور (Achates Power) توانسته‌اند نسل جدیدی از یک موتور احتراق‌داخلی قدرتمند و کارآمدتر را برای نیروهای مسلح طراحی کنند. کامنز با حفظ تکنولوژی ACE که مخفف Advanced Combat Engine یا همان موتور پیشرفته جنگی است، شاید ساختاری مشابه موتورهای دیزل ایجاد کرده باشد، اما این ساختار نسبت به‌پیشرانه‌های دیزلی معمولی، متفاوت‌تر است. لازم به‌ذکر است ۴۷.۷ میلیون‌دلار برای تولید این پیشرانه سرمایه‌گذاری شده است. اگرچه این موتور، یک پیشرانه جدید و دارای ۴ سیلندر و ۸ پیستون است و دیگر قطعه‌ای به‌نام سوپاپ در آن وجود ندارد، اما از راندمان بالایی برخوردار است که شاید بعدها به صنعت‌خودرو نیز وارد شود.
قابلیت مجهز شدن به موتور الکتریکی
جان تاسدمیر (John Tasdemir) در پایان گفت‌وگویش به‌الکتریکی و هیبرید شدن چنین قوای محرکه‌ای اشاره کرده و می‌گوید: «مجموعه برنامه‌های بعدی ما برقی‌سازی وسایل نقلیه نظامی خواهد بود. سیستم‌های هیبرید به‌دلیل بی‌صدا بودن و راندمان بالا می‌توانند گزینه مناسب‌تری باشند. همچنین فضای ذخیره‌سازی بسیار مهم است که اگر با استفاده از باتری‌های ظرفیت بالا به آن دست یابیم، پیشرانه‌های جدید را برای خودروهای غیرنظامی در طیف گسترده‌تری ارائه می‌کنیم.»
پیشرانه جدید کامنز چگونه کار می‌کند؟
در موتورهای پیستونی احتراق‌داخلی، یک بلوکه سیلندر وجود دارد که هر سیلندر آن یک بانک جداگانه را تشکیل می‌دهد. همچنین هر سیلندر متشکل از یک پیستون، شاتون (دسته‌پیستون)، میل‌لنگ و در بخش بالایی خود، سوپاپ و میل‌بادامک است. در موتور جدید کامنز و اکدز پاور (Achates Power) به‌جای طراحی ۴، ۶ یا ۸ پیستون در سیلندرهای جداگانه، همه آن‌ها پشت‌سرهم و به‌صورت V شکل روی یک میل‌لنگ می‌چرخند و در هر سیلندر هم ۲ پیستون قرار دارد. بله؛ درست متوجه شدید!
در هر سیلندر ۲ پیستون طراحی شده؛ به‌طوری که هر پیستون مخالف دیگری کار می‌کند. همچنین هر سیلندر و ۲ پیستون از یک مخلوط هوا و سوخت و دود برخوردارند. به‌عبارت دیگر ۲ پیستون به‌صورت افقی و مخالف جهت یکدیگر قرار دارند و در زمان مکش، پیش از آن‌که به نقطه مرگ پایین BDC برسند، انژکتور سوخت را به‌فضای میان هر دو پیستون می‌پاشد و احتراق صورت می‌گیرد.
نکته جالب در طراحی چنین پیشرانه‌ای این است که دیگر بخشی بالایی که با عنوان سرسیلندر شناخته می‌شود، وجود ندارد و فضای میان هر دو پیستون در زمان نقطه تلاقی یکدیگر به‌عنوان محفظه احتراق شناخته می‌شود. از طرفی نیروی حاصل از احتراق، هر ۲ پیستون افقی مخالف یکدیگر را به‌عقب می‌راند.
نکته هیجان‌انگیز دیگر در چنین پیشرانه جدیدی، عدم وجود سوپاپ است. این پیشرانه دقیقا از ساختار شبه موتور وانکل (دوار) برخوردار است. در جداره‌های سیلندر و در جایی که پیستون به‌نقطه مرگ پایین BDC می‌رسد، چهار روزنه تعبیه شده است. به‌این ترتیب حجم داخل فضای محبوس‌شده سیلندر افزایش می‌یابد و با توجه به‌اینرسی گاز و قوانین ترمودینامیکی حاکم بر موتورهای پیستونی، دود تولیدشده از روزنه‌ها خارج می‌شود. همچنین در زمان مکش نیز هوای مورد نیاز سیلندر متراکم می‌شود تا پس از پاشش هر انژکتور در هر سیلندر (درمجموع سه انژکتور)، قدرت حاصل از احتراق، میل‌لنگ را به‌گردش در آورد.
در خروجی میل‌لنگ، در هر سمت یک چرخ‌دنده قرار دارد که یک چرخ‌دنده متحرک (فاقد نیرو) در میان آن‌ها قرار گرفته که از ساختار چرخ‌دنده سیاره‌ای و خورشیدی بهره می‌گیرد و چرخ‌دنده مرکزی را به‌گردش در می‌آورد. این ایده موتوری با پیستون‌های مخالف جهت هم، طرح جدیدی نبوده و پیش‌تر و در دهه‌های ۵۰ و ۶۰ میلادی نیز در هواپیمای جانکرز (Junkers) شاهد آن بودیم. مدیر این پروژه یعنی جان تاسدمیر(John Tasdemir) به‌مجله دفاع ملی گفته است: «ما این ایده قدیمی را به‌دنیای مدرن وارد کردیم که می‌تواند قدرت و راندمان بالایی ایجاد کند؛ زیرا از نظر اتلاف توان ۹۰ درصد راندمان دارد و می‌تواند برای موتورهای تانک بسیار مناسب باشد.»
یک مدل ۱۴.۳ لیتری با سیستم پرخوران توربوشارژ و سوپرشارژ می‌تواند ۱۰۰۰ اسب‌بخار قدرت را در ۲۶۰۰ دور در دقیقه تولید کند که چنین قدرتی در این دور موتور نسبتا پایین فوق‌العاده است. همچنین مدلی با حجم موتور ۴ لیتری با قدرت ۲۹۹ اسب‌بخار و یک نمونه با حجم موتور ۲۰ لیتری ۱۲ پیستون با قدرتی برابر با ۱۴۹۹ اسب‌بخار (۱۱۱۸ کیلووات) نیز طراحی شده است.
مدیر این پروژه در ادامه بیان کرد: «کامنز و اکدز پاور (Achates Power) درحال تولید یک نمونه ۲.۷ لیتری غیر نظامی با قدرت ۲۶۹.۵ اسب‌بخار (۲۰۱ کیلووات) و ۶۵۰ نیوتون‌متری برای فورد F-۱۵۰ است.
این پیشرانه‌های فاقد سوپاپ و دارای ۲ سیلندر مخالف است که نسبت به‌موتورهای دیزلی معمولی ۲۵ درصد راندمان بالاتر و ۱۵ درصد آلاینده کمتری تولید می‌کند و امکان طراحی بهتر محفظه احتراق را فراهم می‌کند.» همچنین یک موتور با حجم ۱۰.۶ لیتری نیز برای کامیون‌ها در نظر گرفته شده که توانایی تولید ۴۴۹ اسب‌بخار (۳۳۵ کیلووات) قدرت و ۲۳۷۲ نیوتون‌متر گشتاور را دارد. البته براساس آن‌چه اکدز پاور (Achates Power) اعلام کرده به ۹ میلیون‌دلار سرمایه‌گذاری نیاز است تا این پیشرانه‌ها در خودروهای غیرنظامی هم مورد استفاده قرار گیرند.
