آشنایی با موتورهای آدیاباتیک؛ فناوری ای قدیمی که می توانست دنیا را نجات دهد

موتور اصلی ترین بخش هر خودرو است که وظیفه دارد سوخت موجود در باک را از طریق سوزاندن و ایجاد انفجارهای کوچک به انرژی مکانیکی تبدیل کند. سوزاندن بنزین یا هر سوخت دیگری، گرما تولید می کند. در واقع آنچه که چرخ های خودرو را به حرکت در می آورد، همین گرمایی است که از سوختن یا به عبارت دقیق تر انفجارهای درون سیلندر حاصل می شود.

برای افزایش راندمان، موتور باید بتواند بیشترین میزان گرما (انفجار) را جذب کند. اما نکته تامل برانگیز اینکه موتور نصب شده در زیر کاپوت خودروی شما، تنها 20 الی 30 درصد از گرمای تولیدی را جذب می کند.

در علم ترمودینامیک از رقم فوق با نام بازده حرارتی (thermal efficiency) یاد می شود. چنانچه تاریخ را ورق زده و به سال 1975 برویم، خواهیم دید که ارتش ایالات متحده در آن زمان کامیونی را با موتور آدیاباتیک (adiabatic engine) و بازده حرارتی 48 درصد تست کرده است. این موتور ضمن تولید اسب بخارهای بیشتر، مصرف بهتری نیز داشته؛ حال سوال مهمی که پیش می آید اینست که چه بر سر آن موتور آمد و چرا اکنون شاهد استفاده از موتورهای آدیاباتیک در خودروها نیستیم؟

در نوشتار حاضر قصد داریم به چرایی این مساله بپردازیم. اگر به مباحث مهندسی علاقه دارید و دوست دارید درباره موتورهای آدیاباتیک بیشتر بدانید، دعوت می کنیم با ادامه مطلب همراه دیجیاتو باشید.

مفهوم آدیاباتیک پیشینه ای به قدمت مهندسی خودرو دارد و به عبارت ساده آن را می توان سیستمی توصیف کرد که گرما نمی تواند به آن وارد شده یا از آن خارج شود. چنانچه گرما درون یک سیستم به دام بیفتد، مفهوم آدیاباتیک شکل می گیرد.

در موتورهای امروزی حدود یک سوم از سازه موتور به سرد کنندگی از طریق رادیاتور و مایع خنک کننده اختصاص یافته است؛ با این حساب به دام انداختن حرارت در داخل موتور چه توجیهی می تواند داشته باشد؟

به لحاظ تئوری، گرما برای بخار کردن بنزین مورد نیاز است. همانطور که در جریان هستید، بنزین در حالت مایع به خوبی مشتعل نمی شود و آنچه که می سوزد در اصل بخاری است که روی سطح مایع شکل می گیرد.

بنابراین برای اشتعال مناسب باید بخار بنزین وجود داشته باشد. حمل، ذخیره سازی، پمپاژ و استفاده راحت تر از بنزین در حالت مایع، دلیلی است که سبب شده این سوخت به شکل مایع توزیع شود.

در حال حاضر ما از انژکتورها برای تزریق و اسپری کردن بنزین مایع به محفظه احتراق استفاده می کنیم. هر چه بنزین اسپری شده رقیق تر باشد، سرعت بخار شدن آن نیز بالاتر خواهد بود.

حتما این را می دانید که هر چه دمای یک مایع بیشتر باشد، سرعت بخار شدن آن نیز بالاتر می شود. پس در یک سیستمی که حرارت در آن به دام افتاده، فرایند تولید و سوزاندن بخار بهتر انجام می پذیرد.

اگر تجربه کم شدن آب رادیاتور خودروی خود را دارید، این را نیز می دانید که حرارت زیاد چه بر سر موتور می آورد. وقتی دمای یک موتور مدرن از 250 درجه فارنهایت (121 درجه سلسیوس) فراتر برود، با اختلال روبرو شده و نهایتا از کار می افتد.

حامیان موتورهای آدیاباتیک معتقدند چنین موتورهایی توانایی دستیابی به بازده حرارتی 50 درصد و بیشتر را دارند؛ آنها مصرف سوخت حداکثر 4.7 لیتر در صد کیلومتر و قدرت 250 اسب بخاری را برای یک موتور کوچک چهار سیلندر متعلق به دهه 80 میلادی متصور هستند.

ایده خودروهای مجهز به موتور آدیاباتیک به دهه 50 میلادی باز می گردد. عمده شهرت این موتورها به واسطه تلاش های دو تن از علاقه مندان به خودروهای Hot Rod - اتومبیل های کلاسیک قدیمی با موتورهای حجیم - با نام های هنری اسموکی یونیک (Henry Smokey Yunick) و رالف جانسون (Ralph Johnson) حاصل شده است.

ادعای افزایش قدرت در عین کاهش مصرف سوخت در موتورهای آدیاباتیک از یک سو و تفاوت های بنیادین اصول حاکم بر کارکرد آنها با آنچه که طراحان موتور همواره در راستای تخلیه بهتر حرارت انجام داده اند از سوی دیگر، باعث شد که نگرش ها به سمت این دسته از موتورها چندان مثبت نباشد.

به خاطر بی توجهی صنعت خودرو به مزایای موتورهای آدیاباتیک، سرانجام این ارتش آمریکا بود که مستقیما وارد عمل شد. در سال 1975 بخش فرماندهی خودروها و تانک های ارتش ایالات متحده (Tank Automotive Command) در همکاری با شرکت معروف کامینز (Cummins) یک خودروی تست طراحی کردند تا به بررسی ابعاد مختلف تکنولوژی آدیاباتیک بپردازند.

انگیزه اصلی از این کار تحقیق در رابطه با میزان بازده، قدرت یا میزان مصرف سوخت موتورهای آدیاباتیک نبود، بلکه در آن سال ها 60 درصد از خودروهای از کار افتاده ارتش، به دلیل نقص در سیستم خنک کاری زمین گیر شده بودند. به همین جهت حذف سیستم خنک کاری از خرابی بخش اعظمی از خودروها پیشگیری می کرد.

ارتش آمریکا و شرکت کامینز به سراغ یک خودروی سنگین با ظرفیت حمل محموله های 5 تنی رفته و آن را به تکنولوژی آدیاباتیک مجهز کردند. نتیجه این کار حذف اجزای سیستم خنک کننده و کاهش وزن تا 153 کیلوگرم بود.

با مشاوره های مهندسین کامینز، اجزایی مثل سر سیلندر، پیستون ها، سوپاپ ها، جداره داخلی سیلندرها و مجاری اگزوز در موتور آدیاباتیک از جنس سرامیک-فلز ساخته شدند. این اجزا توانایی تحمل حرارتی افزون بر 2000 درجه فارنهایت (1093 درجه) را داشتند.

پس از تجهیز موتور به تکنولوژی آدیاباتیک سیستم عایق بندی پیشرفته و لوله های متعدد در اطراف آن نصب شدند. این لوله ها وظیفه داشتند حرارت را مستقیما به سمت سوخت موجود در داخل موتور هدایت کنند.

نتایج آزمایش ها و تست های 10 هزار مایلی (16 هزار کیلومتری) ارتش ایالات متحده و شرکت کامینز نشان داد که خودروی سنگین مجهز به موتور آدیاباتیک 38 درصد مصرف سوخت بهتری نسبت به دیگر خودروهای حاضر در ناوگان دارد. مهندسین حاضر در این پروژه همچنین دریافتند که بازده حرارتی تا 48 درصد ارتقا پیدا کرده است. آنها بالاخره با این ادعای بسیار جالب که "موتور آدیاباتیک کم مصرف ترین موتور جهان خواهد شد"، به تحقیقات خود پایان دادند.

حتما خواهید پرسید با توجه به تایید کارایی و عملکرد موتور آدیاباتیک توسط ارتش ایالات متحده و کامینز بالاخره چه سرنوشتی برای آن رقم خورد؟

در پاسخ باید گفت: هیچ، واقعا هیچ اتفاق مثبتی نیفتاد. شاید فکر کنید که مثلا شرکت های تولید کننده روغن موتور توطئه ای بر علیه موتورهای آدیاباتیک به راه انداختند، اما اینگونه نبود.

این موتورها گرفتار مشکل وابستگی مسیر شدند، همان مشکلی که گاه و بیگاه دنیای تکنولوژی را درگیر خود نموده و ایده های جدید را پس می زند.

ایجاد یک تغییر مسیر بسیار بزرگ در شرکت های خودروساز، خدمت رسان و دیگر صنایع وابسته و سوق دادن آنها به سمت موتورهای آدیاباتیک نیازمند نیروی فوق العاده زیادی بود؛ حال آنکه ترغیب این شرکت ها به بهبود کارایی و ارایه اجزا و سرویس های بهینه تر کاری بس راحت تر محسوب می شد.

انقلاب در صنعت خودرو و ساخت اجزای سرامیکی آن چیزی نبود که به لحاظ عملی، اقتصادی و علاقه مشتریان با استقبال مواجه شود، به همین خاطر تکنولوژی آدیاباتیک در سکوت خفه شد. در واقع آنچه که جلوی فراگیر شدن تکنولوژی آدیاباتیک را گرفت، مسیر و اولویت هایی بودند که توسط مراکز تحقیق و توسعه تعیین می شدند.

شاید بگویید اکنون که مزایای موتورهای آدیاباتیک بر همه روشن شده، چرا روی آنها سرمایه گذاری نمی شود؟ پاسخ ساده است، اگر در دهه 80 میلادی صنعت خودرو بیش از حد در مسیر خود گیر کرده بود، الان بیش از آن زمان در مسیر موجود گرفتار شده است.

البته نکته مهم دیگری وجود دارد؛ اعداد و ارقامی که تکنولوژی آدیاباتیک با خود آورد، اینک به لطف فناوری های کنونی قابل دستیابی هستند. برای مثال در سال 2014، تویوتا با هیاهوی زیاد از مهندسی یک موتور آزمایشی با بازده حرارتی 38 درصد خبر داد. اخیرا نیز گروهی از انجمن مهندسین خودرویی موتورهایی با بازده حرارتی 50 درصدی تولید کرده اند.

در بحث قدرت خروجی نیز موتورهای امروزی در وضعیت بسیار خوبی به سر می برند. برای مثال تعداد نمونه های چهار سیلندر با قدرت 250 اسب بخار یا بیشتر رو به فزونی است.

می توان اینگونه نتیجه گیری کرد، اگر چه در گذشته موتورهای آدیاباتیک به شکل قابل ملاحظه ای از موتورهای عادی بهتر و برتر بودند، اما با پیشرفت های حاصل شده برتری هایشان رنگ باخته و دیگر دلیلی برای سرمایه گذاری روی آنها وجود ندارد، اما تفاوت بنیادین ماجرا اینجاست که در صورت فراگیر شدن چنین پیشرانه هایی در سال ها قبل، حالا حجم آلایندگی موجود در جو کره زمین به مراتب کمتر بود و شانس بیشتری برای مقابله با گرمایش جهانی وجود داشت، اما با توجه به تعلل مهندسان و کمپانی های بزرگ، حالا چنین شانسی از دست رفته است و کره زمین هر روز بیشتر به پایانی داغ و خطرناک نزدیک می شود.