تکنولوژی‌ هایی که راندمان خودروهای آینده را افزایش می دهند (بخش اول)

سرمایه گذاری گسترده بر روی زیرساخت‌های سوخت‌رسانی و همچنین کارخانه‌های بین المللی نشان دهنده‌ی این است که پیشرانه‌های احتراق داخلی تا مدت بیشتری به عنوان تکنولوژی غالب و عمده در بخش مولد نیرو باقی خواهند ماند. یکی از تکنولوژی‌هایی که به افزایش بهره وری و راندمان این پیشرانه‌ها کمک می‌کند، سیستم برق ۴۸ ولتی است. بسیاری از پیشرانه‌هایی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند بخش‌هایی مانند آلترناتور (دینام) پمپ مایع خنک کننده، پمپ روغن (اویل پمپ) و کمپرسور کولر را با کمک تسمه یا بصورت مستقیم به چرخش در می‌آورند که معمولا این بخش‌ها بطور پیوسته با پیشرانه درگیر و در حال کار هستند. در حالت عادی، اکثر خودروها از سیستم برقی ۱۲ ولتی استفاده می‌کنند که می‌تواند حداکثر ۲ تا ۳ کیلووات انرژی الکتریکی تولید کند، با توجه به قسمت‌های الکترونیکی بسیاری که در بخش پیشرانه، شاسی، بدنه، سیستم سرگرمی و ارتباطی و سیستم‌های رفاهی وجود دارند، تقریبا تمام این نیرو مصرف می‌شود. همچنان که سیستم‌های الکتریکی بیشتری (نظیر سیستم‌های کمکی رانندگی و رانندگی خودکار) به خودروها اضافه می‌شوند، نیاز به نیروی الکتریکی نیز بیشتر می‌شود. در حال حاضر  دستیابی به انرژی خروجی ۱۰ کیلووات از طریق ژنراتور ۴۸ ولتی میسر است که می‌تواند انرژی مورد نیاز تمام سیستم‌ها الکترونیکی را تامین کند. استفاده از این سیستم بارهای پارازیتی روی پیشرانه را کاهش می‌دهد و این قابلیت را دارد تا مصرف سوخت خودرو را تا میزان ۱۰ درصد کاهش دهد. فعلا تنها دو خودروی آئودی Q7 TDI مجهز به سوپرشارژر الکتریکی و خودروی بسیار گران قیمت بنتلی بنتایاگا به سیستم برقی ۴۸ ولتی مجهز هستند، اما پیش‌بینی می‌شود که استفاده از این سیستم در سال‌های آینده گسترش بیشتری پیدا کند.

نخستین تلاش‌ها برای سیستم های هیبریدی موازی ضعیف، از سوی شرکت جنرال موتورز آغاز شد اما این سیستم در ابتدا با اقبال نه چندان مناسبی از طرف خریداران مواجه شد. این سیستم‌ها از مجموعه‌ی باتری‌های ولتاژ پایین و پیشرانه‌ای ضعیف‌تر از آنچه تویوتا در مدل پریوس بکار می‌برد تشکیل شده‌اند. این سیستم‌ها درحالی که همچنان قیمت بالایی دارند اما راندمان به مراتب کمتری نیز دارند. مهندسین حالا امیدوارند با ظهور سیستم برق ۴۸ ولتی بتوانند راندمان این سیستم را به ۷۰ درصد راندمان سیستم هیبریدی تویوتا برسانند در حالی که قیمت آن تنها ۳۰ درصد قیمت سیستم تویوتا باشد. سیستم‌های هیبرید موازی ضعیف قدیمی با ولتاژ ۱۰۰ الی ۱۷۰ ولت کار می‌کردند که سبب شده بود این سیستم‌ها به امکانات ایمنی مورد استفاده در سیستم‌های بالای ۶۰ ولت نیاز داشته باشند، اما با استفاده از ساختار برقی ۴۸ ولتی می توان از سیم کشی نازک‌تر و اتصالات ارزان قیمت‌تری استفاده کرد در حالی که همچنان امکان استفاده از سیستم بازیابی انرژی ترمز، سیستم استاپ استارت و سیستم قدرت برقی وجود خواهد داشت.

عرضه‌ی یک تکنولوژی درحالی که این تکنولوژی بطور کاملا تکامل نیافته است ریسک بزرگی است و بسیاری از خودروسازان نیز از این ریسک به خوبی آگاهند. در سال ۱۹۸۱ کادیلاک از اختراع جدید خود در یک پیشرانه‌ی V8 رونمایی کرد که می توانست به صورت خودکار دو عدد از سیلندرها را غیر فعال کند. این سیستم کار خود را با کمک دریچه‌ی گاز، سیستم تزریق سوخت و سیستم الکتریکی اضافه‌ای انجام می‌دهد. امروزه اما سیستم غیرفعال‌سازی سیلندرها تبدیل به یک سامانه‌ی عادی و معمول برای رانندگان شده است. در سال‌های آتی، با استفاده از حسگرهای اضافی و الگوریتم کنترل پیچیده‌تر، این سیستم خواهد توانست که شرایطی را فراهم کند که پیشرانه بیشتر مواقع را با کمترین تعداد سیلندرهای فعال کار کند. تا پایان این دهه، شرکت‌های جنرال موتورز و دلفی تکنولوژی را با نام Tula Technology را در پیشرانه‌های V8 عرضه خواهند کرد که یک سیستم غیر فعال‌سازی سیلندر متغیر پیشرفته است. این به این معنی است که در حالتی که کمترین بار روی پیشرانه قرار دارد تنها دو سیلندر فعال خواهند بود و سایر سیلندرها نیز به ترتیب و بسته به شرایط کاری پیشرانه احتراق خواهند داشت. بنابر اعلام جنرال موتورز، این سیستم می‌تواند مصرف سوخت را تا ۱۵ درصد کاهش دهد.

اگرچه ادعا شده که تکنولوژی سلول سوختی هیدروژنی در ۲۰ سال گذشته، ۱۰ سال آن را در حاشیه بوده‌اند اما حالا با عرضه‌ی تویوتا میرای و هوندا کلاریتی به بازار در اواخر امسال و همچنین عرضه‌ی هیوندای توسان سلول سوختی به صورت اجاره در محدوده‌ی ایالت کالیفرنیا، بار دیگر این امید ایجاد شده است که سرانجام خودروهای سلول سوختی هیدروژنی به بازار بیایند. البته سیستم سلول سوختی همچنان گران قیمت است و زیرساخت‌های لازم برای سوخت گیری این خودروها نیز هنوز محدود هستند. یکی از راه حل‌های موجود برای این مشکل، تقریبا ده سال پیش توسط فورد و با رونمایی از خودروی مفهومی Airstream ارائه شد. فورد در این خودروی مفهومی از ترکیب سیستم پلاگین هیبرید استفاده کرده بود تا بتواند به ترکیبی متناسب از عملکرد و قیمت دست پیدا کند. این خودروی مفهومی از مدل کاملا قابل استفاده‌ی سیستم نیرومحرکه‌‌ای استفاده می‌کرد که در خودروی کراس‌اوور فورد اج استفاده شد. اما مشکل اینجا بود که سیستم سلول سوختی، بیشترین راندمان خود را زمانی ارائه می‌دهد که جریان قدرت خروجی ثابت باشد، برای همین آن‌ها از یک باتری استفاده کردند تا به عنوان حائل و نوسانات اجتناب ناپذیر موجود در جریان نیرو را تنظیم کند. همچنین استفاده از تکنولوژی سلول سوختی به عنوان راه حلی برای افزایش شعاع حرکتی خودروها نیز روشی بسیار عالی و با بهره‌وری بالا است که می‌تواند گازهای خروجی از اگزوز را نیز به صفر برساند. (از لحاظ مفهومی، این همانند آن است که پیشرانه‌ی بنزینی شورولت ولت را با یک سیستم سلول سوختی جایگزین کنیم). فورد از این خودرو که بعدها مدل اج بر اساس آن به تولید رسید تنها یک دستگاه تولید کرد. اخیرا مرسدس بنز اعلام کرده است که در سال ۲۰۱۷، مدل پلاگین هیبرید سلول سوختی را برای خودروی کراس اوور GLC با نام GLC F-Cell تولید خواهد کرد.

سیستم‌های سلول سوختی، به جز مشکلات زیرساختی و قیمت، مشکل مهم دیگری نیز دارند که مربوط به ذخیره‌سازی هیدروژن می‌شود. تا به امروز، برای ذخیره‌ی هیدروژن در خودروهای سلول سوختی از مخازن بزرگ گاز از جنس فیبر کربن استفاده می‌شد که فشار آن‌ها تا ۶۹۰ بار نیز می‌رسد. اما دپارتمان انرژی آژانس تحقیقات پیشرفته‌ی ایالات متحده (ARPA-E) چند سالی است که برای یافتن روشی آسان‌تر برای ذخیره‌ی گاز تحقیق می‌کند. نتیجه‌ی تحقیقات آن‌ها روشی است که می‌توان آن را در مورد هیدروژن نیز مورد استفاده قرار داد. روش جدید که توسط شرکت Volute در سان فرانسیسکو ابداع شده است از یک ساختار تو در تو مانند روده استفاده شده که تشکیل شده از تعدادی سیلندر کوچک ذخیره‌ی گاز است که با یکدیگر در ارتباط بوده و در پشت و جلوی یکدیگر قرار گرفته‌اند. چنین چیدمانی نه تنها انعطاف پذیری بهتری نسبت به کپسول‌های بزرگ دارد بلکه آن‌ها را برای استفاده در خودروهای کوچک نیز قابل استفاده می‌کند.

قدمت خودروهای الکتریکی باتری دار به اندازه‌ی قدمت خود اتومبیل است. متاسفانه باتری‌های الکترو شیمیایی علیرغم آنکه در دهه‌های اخیر مزایای خود را به اثبات رسانده‌اند، اما هنوز دارای ایرادی هستند که همان غیر قابل رقابت بودن انرژی موجود در این باتری‌ها در مقایسه با سوخت‌های مایع است. برای مقایسه، انرژی موجود در باتری ۴۳۵ کیلوگرمی شورولت بولت EV دارای ۶۰ کیلووات ساعت انرژی هستند که معادل انرژی موجود در ۶.۸ لیتر بنزین است، بد نیست بدانید که هر ۳.۷ لیتر بنزین حاوی انرژی به اندازه‌ی ۳۳.۷ کیلووات ساعت است بنابراین تمام این باتری ۶۰ کیلووات ساعتی با یک گالن بنزین برابری می‌کند.

اما در افق پیش و رو تکنولوژی‌های بسیاری وجود دارند که می‌توانند بسیار امیدوار کننده باشند، مانند باتری‌های سیلیکون آندی. سیلیکون می‌تواند الکترون‌های بیشتری را در خود جذب کند که این مساله تراکم انرژی بیشتری را برای این نوع باتری‌ها در مقایسه با انواع شیمیایی عادی (تشکیل شده از نیکل، منگنز و کبالت) به ارمغان می‌آورد. متاسفانه مشکل این نوع باتری‌ها این است که جذب تمام این ذرات باردار در باتری می‌تواند باعث متورم شدن و باد کردن الکترودها شود که استفاده از این تکنولوژی در خودروها را منتفی می‌کند. با این وجود اما شرکت‌هایی چون نیسان در حال کار روی باتری‌های سیلیکونی ترکیبی هستند که ادعا می‌کنند ظرفیت آن‌ها بین ۱۰ تا ۴۰ درصد نسبت به انواع امروزی بیشتر خواهد بود و در ۵ تا ده سال آینده وارد بازار خواهند شد.

نظر شما در رابطه با تکنولوژی‌های نوین صنعت خودرو چیست؟ نقش کدام یک را در آینده‌ی این صنعت پررنگ‌تر می‌دانید؟