با وجود پیشرفتهای سریع به سمت خودروهای الکتریکی و انتقادات فراوان، موتورهای احتراق داخلی (ICE) همچنان در حال تحول هستند. مزدا با سری موتورهای اسکایاکتیو، بهویژه مدلهای پیشرفتهتر مانند اسکایاکتیو-ایکس و اسکایاکتیو-زد، ثابت کرده که این فناوری هنوز جایگاه ویژهای در صنعت خودرو دارد. این موتورها، که اغلب توسط رقبا نادیده گرفته شدهاند، با تمرکز بر بهبود بهرهوری سوخت و کاهش آلایندگی، بدون نیاز به توربوشارژرهای پرهزینه یا روشهای پردردسر بازچرخش گازهای خروجی، به سمتی گام برداشتهاند که موتورهای آینده بتوانند به جای آلاینده بودن، نقش تصفیهکننده هوا را ایفا کنند.
این نوآوریها نشاندهنده تلاش مزدا برای یافتن تعادل بین عملکرد، راندمان و مسئولیت زیستمحیطی در قلب تپنده خودروهایش است. رویکرد منحصربهفرد این شرکت در بهینهسازی موتورهای بنزینی، نه تنها کارایی را افزایش داده، بلکه راه را برای دستیابی به استانداردهای سختگیرانه زیستمحیطی هموارتر کرده است.
چالشهای موتورهای بنزینی و دیزلی
موتورهای بنزینی با وجود کنترل احتراق و قابلیت ارائه توان متغیر، با چالشهای بهرهوری حرارتی و انتشار آلایندهها دست و پنجه نرم میکنند. از سوی دیگر، موتورهای دیزلی در تولید گشتاور بالا و بهرهوری حرارتی قوی عمل میکنند، اما در کنترل توان متغیر و انتشار آلایندههایی نظیر اکسیدهای نیتروژن (NOx) و ذرات معلق، ضعیف عمل میکنند.
ترکیب ویژگیهای مثبت این دو نوع موتور، که دستیابی به آن به عنوان "جام مقدس" طراحی موتور شناخته میشود، همواره با موانعی چون احتراق زودرس (ناک) یا مشکلات کنترلی همراه بوده است. تفاوتهای اساسی در نسبت تراکم و نسبت هوا به سوخت، مانع اصلی در این مسیر بوده است. نسبت تراکم در موتورهای بنزینی معمولاً حدود ۱۲:۱ است، در حالی که در موتورهای دیزلی این نسبت به ۲۵:۱ نیز میرسد. نسبت تراکم بالاتر، عاملی کلیدی در افزایش بهرهوری حرارتی و تبدیل انرژی احتراق به نیروی حرکتی به جای اتلاف آن به صورت گرماست.
ورود تکنولوژی HCCI
در طراحیهای پیشرفته موتورهای بنزینی با نسبت تراکم بالا، رویکردی که نسبت تراکم دیزل را با بنزین ترکیب میکند، تحت عنوان "احتراق فشاری همگن" یا HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition) شناخته میشود. این طراحی، با استفاده از نسبت هوای بیشتر به سوخت (مخلوط رقیقتر)، مصرف سوخت را در مقایسه با توان خروجی کاهش میدهد.
بزرگترین چالش HCCI، عدم قطعیت در زمانبندی احتراق است. موتورهای دیزل با تزریق سوخت در انتهای کورس تراکم، احتراق را کنترل میکنند؛ اما این تزریق دیرهنگام منجر به احتراق ناقص و آلودگی بیشتر میشود. اگر بنزین به همین شیوه تزریق شود، مشکلات شدیدتری بروز خواهد کرد. بنزینی که در طول کورس مکش تزریق شده و تبخیر میشود، به دلیل تغییرات دمایی، فشار و نسبت هوا به سوخت، مستعد احتراق زودرس است. در نتیجه، احتراق در HCCI ممکن است خیلی زود یا خیلی دیر در کورس سیلندر رخ دهد.
معرفی سری موتورهای اسکایاکتیو مزدا
مزدا ابتدا در اوایل دهه ۲۰۰۰ سری موتورهای اسکای و مزدا پی را معرفی کرد و سپس به نسل با نسبت تراکم بالاتر اسکایاکتیو-جی (بنزینی) ارتقا یافت. نسخه دیزل (اسکایاکتیو-دی) نیز در چندین مدل عرضه شده و عمدتاً یک موتور دیزل استاندارد با نسبت تراکم پایین است، اما با انتشار NOx و ذرات معلق بسیار کمتر. اسکایاکتیو-جی اولین بار در سال ۲۰۱۰ رونمایی شد و نسخه اولیه آن در مدل مزدا ۲ (Mazda Demio) مورد استفاده قرار گرفت.
نسخههای با حجم موتور بالاتر سری -G از سال ۲۰۱۳ تا کنون در سایر مدلهای مزدا معرفی شدند و این موتور در مزدا-ساخت تویوتا iA/Yaris نیز به کار رفت. موتور اسکایاکتیو-جی به صورت چهار و شش سیلندر خطی تولید میشود. این موتورها از جنس آلومینیوم با نسبت تراکم بین ۱۳:۱ تا ۱۴:۱ و حجم موتور از ۱.۳ تا ۳.۳ لیتر (۱۲۹۸ تا ۳۲۸۳ سیسی) متغیر هستند. بیشتر این مدلها تنفس طبیعی دارند، مگر نسخههای ۲.۵ لیتری توربو و ۳.۳ لیتری توربو با نسبت تراکم پایینتر. لازم به ذکر است که این موتورهای اولیه اسکایاکتیو از HCCI بهره نمیبردند، به همین دلیل نسبت تراکم آنها نسبتاً پایین بود.
معرفی اسکایاکتیو-جی به زودی منجر به تولید مدل هیبریدی به نام اسکایاکتیو-هیبرید شد که -G را با سیستم هیبریدی تویوتا (Hybrid Synergy Drive) ترکیب میکرد. با این حال، مجوز موقت تویوتا قبل از توسعه کامل یک سیستم هیبریدی داخلی منقضی شد. بعدها، نسخه e-Skyactiv-G به عنوان یک سیستم هیبریدی ملایم (mild hybrid) برای مدلهای کوچکتر مزدا مانند مزدا ۳، CX-30 و CX-5 معرفی شد. مزدا همچنین آزمایشهایی با نسخههای بنزین فشرده (CNG) و روتاری (R) از طراحی اسکایاکتیو انجام داده است که هیچکدام فراتر از مرحله نمونه اولیه نرفتند. اسکایاکتیو-R در سال ۲۰۲۳ به عنوان یک ژنراتور بالقوه برای افزایش برد خودروهای الکتریکی یا هیبریدی-الکتریکی معرفی شد.
در نهایت، مزدا موفق شد راهی برای جلوگیری از احتراق زودرس (detonation) بنزین در سیلندرهای با نسبت تراکم بالا بیابد. مهندسان نحوه تزریق و احتراق سوخت را تغییر دادند. مزدا این سیستم را که در موتورهای جدیدتر اسکایاکتیو به کار میرود، SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition) یا احتراق فشاری کنترلشده با جرقه مینامد. همانند طرحهای سنتی موتور بنزینی، سوخت در طول کورس مکش تزریق شده و در هوا تبخیر میشود، اما با مخلوطی بسیار رقیق (حدود ۳۰:۱ یا رقیقتر). بخش تراکم در چرخه سیلندر، مخلوط را به نزدیکی نقطه احتراق در آن نسبت رقیق میرساند. سپس، مقدار بسیار کمی سوخت درست در نزدیکی سر شمع و همزمان با جرقه تزریق میشود. این احتراق اولیه باعث افزایش ناگهانی فشار شده که سوخت تبخیر شده در سیلندر را به طور همزمان مشتعل میکند. نتیجه، احتراق کامل سوخت بدون ایجاد نقاط غنی (که دوده تولید میکنند)، در دمای احتراق کلی پایینتر (که NOx را کاهش میدهد) و با بهرهوری حرارتی بالاتر (قدرت بیشتر برای سوخت مصرفی) است.
این تحول در سیستم اسکایاکتیو به موتور اسکایاکتیو-ایکس (Skyactiv-X) منجر شد که HCCI (به شکل SPCCI) را در خود جای داده است. این موتور نسبت تراکم را به ۱۶:۱ افزایش داده و بسیار رقیقتر از نسل قبل و با بازدهی سوخت ۲۰ تا ۳۰ درصد بیشتر عمل میکند. در این موتور از توربوشارژر استفاده نشده، اما یک سوپرشارژر کوچک از نوع Roots، با افزودن هوای بیشتر به موتور، پنجره احتراق فشاری را گسترش داده و امکان استفاده از مخلوطهای رقیقتر را فراهم میکند؛ به ویژه در سرعتهای بالا که اجتناب از ناک چالشبرانگیزتر است. طراحی اسکایاکتیو-X همچنین اجازه عملکرد عادی موتور بنزینی در نسبت تراکمهای کمی پایینتر را در هنگام بار سنگین (مانند موقعیتهای گشتاور/سرعت بالا) میدهد.
موتور اسکایاکتیو-X در مدلهای مزدا ۳ و CX-30 (از سال ۲۰۱۹ به بعد) عرضه شده است و در حال حاضر تنها چهار سیلندر است، اما یک نسخه شش سیلندر در دست توسعه قرار دارد.
اسکایاکتیو-زد (Skyactiv-Z): هیبریدیسازی X
این روند ممکن است تغییر کند، زیرا مزدا موتور جدید اسکایاکتیو-زد را معرفی کرده است. این موتور، تکامل دیگری از سری -G و -X به سمت یک طراحی هیبریدی جدید است که استانداردهای انتشار آلایندگی بسیار بالاتری را برآورده میکند. هدفگذاری برای استانداردهای Euro 7، LEV4 و Tier 4، مدل -Z یک موتور ۲.۵ لیتری چهار سیلندر خطی است که در مدل CX-5 Hybrid مدل ۲۰۲۷ معرفی خواهد شد.
موتور اسکایاکتیو-زد دو مزیت بزرگ نسبت به نسلهای قبلی خود دارد: قابلیت کار با مخلوط سوخت حتی رقیقتر، به لطف افزودن نیروی موتور الکتریکی، و بهرهمندی از فناوری عایق حرارتی. این فناوری، گرمای اتلافی در طول عملکرد موتور را به نیرویی برای راهاندازی همان موتور الکتریکی که بازدهی را بهبود میبخشد، تبدیل میکند. مزدا هنوز جزئیات این فرآیند را فاش نکرده است، اما این به معنای رعایت استانداردهای سختگیرانهتر انتشار گازهای خروجی (که معمولاً با کاهش دمای احتراق و در نتیجه کاهش قدرت همراه است) بدون افت توان خواهد بود. گمانهزنیها حاکی از استفاده از بازیابی حرارت اتلافی یا تولید حرارتی-الکتریکی، یا ترکیبی از هر دو است.
بهرهوری حرارتی از دیرباز بخش مهمی از فرآیند طراحی موتور اسکایاکتیو بوده است. موتور اسکایاکتیو-G در محدوده دور موتور میانی، فشار متوسط مؤثر ترمز (BMEP) خوبی دارد که مستقیماً به بهرهوری حرارتی بهتر منجر میشود. اسکایاکتیو-X این روند را یک گام فراتر برد و دامنه BMEP مؤثر را گسترش داد. مزدا اعلام کرده است که اسکایاکتیو-Z بسیار مؤثرتر از آن خواهد بود.
موتور اسکایاکتیو-Z به احتمال زیاد ابتدا به صورت یک سیستم هیبریدی ملایم قدرتمند یا هیبریدی بنزینی-الکتریکی ظاهر خواهد شد و سپس به سمت برقیسازی بیشتر حرکت خواهد کرد. مهندسان مزدا، -Z را از ابتدا برای برقیسازی طراحی کردهاند، بنابراین میزان برقیسازی آن انعطافپذیر است. این امکان وجود دارد که اسکایاکتیو-Z به عنوان یک واحد محرکه اصلی با هیبریدی ملایم تا یک افزایشدهنده برد برای خودروهای برقی باتریدار مورد استفاده قرار گیرد. مزدا همچنین در حال تحقیق بر روی سوختهای خنثی کربن و فناوریهای جذب CO2 مبتنی بر زئولیت در اگزوز است. این فناوریها میتوانند به حذف CO2 یا حتی دستیابی به نتیجه خالص منفی کربن منجر شوند – مهندسان مزدا آیندهای را متصورند که در آن موتورها، CO2 منفی تولید کنند.
مهندسان مزدا آیندهای نزدیک را در ذهن دارند که در آن اوج تکامل موتورهای احتراق داخلی، فراتر از صرفاً به حرکت درآوردن خودرو در جادهها و بزرگراهها باشد. این موتورها همچنین تصفیهکنندههای هوا خواهند بود و در حین حرکت، CO2 را جذب خواهند کرد. نتیجهای که نیازمند تغییرات زیرساختی قابل توجه، تغییرات بنیادین در طراحی خودرو، و استفاده از مواد جدید با زنجیره تأمین پرهزینه نیست.
قطعاً این نقطه اوج برای موتورهای احتراق داخلی خواهد بود.
تحلیل اثرگذاری
معرفی موتور اسکایاکتیو-زد نشاندهنده تعهد مزدا به نوآوری در حوزه موتورهای احتراق داخلی در حالی است که جهان به سمت حملونقل پایدارتر حرکت میکند. این فناوری با ترکیب بهرهوری سوخت، کاهش چشمگیر آلایندگی و پتانسیل تبدیل شدن به یک راهحل مثبت از نظر کربن، میتواند جایگاه موتورهای ICE را در آینده خودروها تثبیت کند. اگر مزدا بتواند این وعدهها را در تولید انبوه عملی کند، نه تنها استانداردهای زیستمحیطی سختگیرانهتر آینده را برآورده خواهد کرد، بلکه مسیر جدیدی را برای بهینهسازی موتورهای احتراق داخلی باز خواهد گشود و خودروسازان دیگر را نیز به تحقیق در این زمینه ترغیب خواهد کرد. این رویکرد میتواند پاسخی عملی و قابل دسترس به چالشهای زیستمحیطی حملونقل، بدون نیاز به زیرساختهای گرانقیمت و کاملاً جدید، ارائه دهد.
