شماره 142 - دانش و تکنولوژی
خودرويي براي خانه سبز
علي كاشفيپور:
در بين راهحلهاي مختلف براي بحران سوخت و آلودگي محيطزيست، خودروهاي هيبريدي خوب جواب دادهاند.
مشکل سوخت فقط مخصوص ما نيست؛ مشکل جهاني است. با وجود سهميهبندي، بايد بگوييم در ايران، ما هنوز ارزش سوخت را نميدانيم. وقتي مجبور باشي براي هر باک بنزين، 40 هزار تومان پياده بشوي، آنوقت مثل بقيه دنيا به فکر ميافتي يک کارهايي بکني. بحث انرژيهاي نو و سوختها و روشهاي جايگزين امروز در همهجا داغ است. يکي از راهحلهاي نسبتا جاافتاده، خودروهاي هيبريدي (ترکيبي) است.
سالهاست که سيستم پيشرانش خودروها را موتورهاي احتراقي درونسوز تشکيل ميدهند که انرژيشان را از سوزاندن سوختهاي فسيلي (مثل بنزين) به دست ميآورند. در خودروي هيبريدي، براي کارايي بيشتر، يک سيستم ذخيره انرژي قابل شارژ را با سيستم بالا ترکيب ميکنند. اين روزها هر جا صحبت از خودروي هيبريدي ميشود، بيشتر منظور خودروي هيبريدي الکتريکي است.
خودروهاي هيبريدي الکتريکي از نظر کارکرد، بين خودروهاي احتراقي و برقي هستند و سعي شده در طراحي آنها، مزيتهاي هر دو نوع وجود داشته باشد؛ يک خودروي خوب بايد با يک بار سوختگيري اوليه، حداقل حدود 500 کيلومتر راه برود و ضمنا سوختگيري آن هم آسان و سريع باشد. يک موتور بنزيني اين نيازها را برآورده ميکند اما در عوض آلودگي زيادي دارد.
يک موتور برقي با اينکه آلودگي قابل توجهي درست نميکند اما با يک بار شارژ ميتواند حداکثر حدود 160 کيلومتر راه برود و در ضمن، شارژ شدناش سخت و خيلي زمانبر است. يک خودروي هيبريدي احتراقي – الکتريکي، ترکيبي از 2 نوع سيستم پيشران است تا مکمل همديگر باشند.
اجزاي اصلي خودروهاي هيبريدي احتراقي ـ بنزيني، همان اجزاي معمول متعارف سيستمهاي احتراقي و برقي هستند، منتها با تفاوتهايي:
موتور احتراقي: معمولا بنزيني است. البته انواع ديزل هم دارند. موتور در اين خودروها شباهت زيادي به موتور خودروهاي معمولي دارد ولي کوچکتر و داراي فناوري بالاتري است که باعث کاهش آلودگي و افزايش کارايي ميشود.
باک سوخت: باک در اين نوع خودروها محل ذخيره سوخت براي موتور احتراقي است. از نظر وزني، سوختهاي فسيلي چگالي انرژي بالاتري نسبت به باتري دارند. به عنوان مثال، يک باتري250کيلويي معادل 7 کيلو (حدود8 ليتر) بنزين انرژي دارد.
موتور برقي: موتورهاي الکتريکي در خودروهاي هيبريدي از انواع پيشرفتهاي هستند که هم به عنوان يک موتور ميشود از آنها استفاده کرد و هم به عنوان ژنراتور؛ يعني وقتي که به قدرت اين موتور نياز است، موتور با استفاده از باتريها شتاب موردنظر را ايجاد کرده و زماني که خودرو نيازي به موتور الکتريکي ندارد (مثلا در يک سراشيبي)، موتور الکتريکي به عنوان يک ژنراتور، باتريها را شارژ ميكند.
ژنراتور: ژنراتور بسيار شبيه به موتور الکتريکي است با اين فرق که فقط وظيفه تامين برق مورد نياز موتور را برعهده دارد و کار ديگري نميکند. ژنراتور بيشتر در خودروهاي هيبريدي سري به کار ميرود.
باتري: باتريها يک وسيله ذخيره انرژي براي موتور الکتريکي هستند. برخلاف سوخت موجود در باک که فقط به موتور احتراقي انرژي مي رساند (رابطه يكطرفه)، باتريها، هم به موتورهاي الکتريکي انرژي ميدهند و هم از آنها انرژي پس ميگيرند (رابطه دوطرفه).
انواع خودروهاي هيبريدي
درست مثل مدارهاي الکتريکي، سيستمهاي پيشرانه احتراقي و برقي را ميشود به انواع مختلف سرهم کرد:
هيبريد موازي: در اين حالت، موتورهاي احتراقي و برقي به طور همزمان کار ميکنند و هر دو هم به سيستم انتقال نيرو وصل هستند. موتور برقي توسط باتري و موتور احتراقي توسط منبع سوخت فسيلي (همان باک بنزين) تغذيه ميشود.
در اين حالت يک ژنراتور (مولد برق) مستقل وجود ندارد و براي شارژ باتريها، موتور برقي به ژنراتور تغيير حالت ميدهد؛ بنابراين سيستم برقي نميتواند همزمان، هم باتري را شارژ کند و هم باعث رانش چرخها بشود.
هيبريدهاي سري: در اين نوع، موتور احتراقي يک ژنراتور را به حرکت درميآورد. اين ژنراتور، هم ميتواند باتريها را شارژ کند و هم بهطور مستقيم به موتور برقي انرژي بدهد. در هيبريدهاي سري، اين فقط موتور برقي است که به سيستم انتقال نيرو متصل است و باعث گردش چرخها ميشود.
هيبريدهاي سري ـ موازي: اين طرح به گونهاي است كه ميشود از آن در شرايط مختلف به صورت سري يا موازي استفاده كرد. در اين حالت، امكان استفاده از سيستمهاي احتراقي و برقي به طور جداگانه يا همزمان وجود دارد؛ به اين ترتيب که در داخل شهر و در سرعتهاي پايين، فقط سيستم برقي فعال ميشود و در سرعتهاي بالاتر يا در خارج از شهر، خودرو ميتواند به طور مستقل با موتور احتراقي يا تركيب 2 سيستم حرکت کند.
در مواقعي چون شتابگيري سريع، هر 2 سيستم با هم عمل ميكنند. با استفاده از سيستمهاي کنترلي پيشرفته، شارژ باتريها هميشه در سطح خوبي باقي ميماند. در اين حالت، 2 موتور ـ ژنراتور برقي وجود دارد كه بسته به شرايط، از تركيبهاي مختلف آنها استفاده ميشود.
تاريخچه
ايده ترکيب موتورهاي احتراقي و سوختي اصلا جديد نيست و از همان اوايل تاسيس صنعت خودرو مطرح بوده. فرديناند پورشه - طراح بزرگ آلماني و بنيانگذار کارخانههاي پورشه و فولکس - در سال1901 يک خودرو هيبريدي سري ساخت که با آن در يک مسابقه رالي هم برنده شد. ماشين او تا 50 کيلومتر در ساعت سرعت ميگرفت و با يک باک ميتوانست 50 کيلومتر راه برود.
آمريكاييها هم در همان سالها کارهاي مشابهي انجام دادند اما پيشرفت سريع موتورهاي احتراقي، قدرت بالا و قابليت استارت زدن بدون هندل آنها، پايين بودن قيمت سوختهاي فسيلي و جدي نبودن بحثهاي آلودگي محيطزيست، باعث شد تا اين نوع خودروها از دايره توجه خارج شوند. اما از دهه 60 ميلادي، خودروهاي هيبريدي دوباره مورد توجه قرار گرفتند؛ ويکتور ووک - که به «پدربزرگ خودروهاي هيبريدي» معروف است - در آن سالها تحقيقات زيادي روي اين موضوع انجام داد.
بحرانهاي نفتي دهه70 ميلادي هم کار روي موضوع را سرعت داد. در دهه90 ميلادي، تحقيقات بهتدريج به نتيجه رسيدند، کار وارد فازهاي تجاري شد و اولين خودروهاي هيبريدي وارد بازار شدند که شاخصترين آنها تا به امروز تويوتا پريوس بوده است.
خودروي محبوب سبزها
تويوتا پريوس - که نخستين مدل آن در سال1997 در ژاپن به بازار آمد - از اولين خودروهاي هيبريدي است که به توليد انبوه رسيد و از زمان ارائه به بازارهاي جهاني در سال 2001، به يکي از محبوبترين خودروهاي طرفداران محيطزيست تبديل شد.
جديدترين مدل اين خودرو (NHW20) که از سال 2004 به بازار آمده، يک هاچبک 5 نفره است که موتور بنزيني4سيلندري 5/1 ليتري آن در هر دور موتور 5 هزار، 76 اسب بخار نيرو توليد ميکند. موتور الکتريکي قوي 500 ولتي آن هم در حداکثر دور 1200 ، 76 اسب قدرت دارد. پريوس با استفاده از هر 2موتور ميتواند به سرعت 169 کيلومتر در ساعت برسد.
پريوس چون يک هيبريد سري ـ موازي است، ميتواند فقط با موتور الکتريکياش و با حداکثر سرعت 69 کيلومتر در ساعت حرکت کند. سيستم تقسيم قدرت پيشرفته و جعبه دنده هوشمندي که تويوتا در پريوس نصب کرده، باعث ميشود نحوه فعاليت موتورها به نحوي تنظيم شود که در همه سرعتها، خودرو بهترين کارايي را داشته باشد.
راننده ميتواند ميزان مصرف انرژي و نحوه تقسيم بار روي موتورها را از طريق يک صفحه نمايش ببيند. وزن پريوس 1325 كيلوگرم است و از لحاظ کلاس در ميان محصولات تويوتا، بين کرولا و کمري قرار ميگيرد.
گراني كه ارزان است
يک قرن از ساخته شدن اولين خودروها توسط پيشگامهايي مثل کارل بنز ميگذشت و هنوز باوجود تمام تغييرات در ظاهر و بدنه، موتور خودروها فرق چنداني نکرده بودند؛ سوخت پس از ترکيب با هوا، به داخل سيلندر تزريق و در آنجا محترق ميشد، انرژي آزاد شده از احتراق سوخت، پيستون را به جلو ميراند و اين باعث حرکت خودرو ميشد. اما اوضاع دگرگون سالهاي آخر قرن بيستم، ديگر زياد اين ثبات طراحي را راحت تحمل نميکرد.
از يک طرف نفت و به تبع آن بنزين و ساير سوختها روزبهروز گرانتر ميشدند و از طرف ديگر، مردم عادي، بينياز از غوغاي طرفداران محيطزيست، آلودگي هوا و تغييرات محيطي ناشي از سوختهاي فسيلي را بعينه ميديدند. سنگيني فشار افکار و انتظارات عمومي، شرکتهاي خودروسازي را بهطور جدي به فکر انداخت.
ايده ماشين برقي جواب نداده بود. سرعت و شتاب کم، برد کوتاه و نياز به شارژ سريع باتريها نواقص بزرگي به شمار ميآمدند. ايدههاي جديد مثل پيلهاي سوختي يا موتورهاي هيدروژني هم هنوز در مراحل آزمايشي و گرانتر از آني بودند که بشود به سرعت آنها را وارد بازار کرد. اما يک ايده قديمي وجود داشت که احياي سرمايهگذاري روي آن در شرايط جديد، مقرون بهصرفه به نظر ميرسيد؛ خودروهاي هيبريدي (ترکيبي).
خودروهاي ترکيبي نقاط قوت زيادي دارند؛ مثلا يک خودروي هيبريدى ميتواند انرژي را بازيابي و در باتري ذخيره کند. وقتي شما ترمز ميگيريد، در واقع در حال تلف کردن انرژي جنبشي خودرو به صورت گرما در لنتهاي ترمز هستيد. در خودروهاي هيبريدى مىشود با سيستمي به نام «ترمز احياکننده»، بخشي از اين انرژي را بازيابي كرده و در باتري براي استفاده مجدد ذخيره کرد. همچنين موتورهاى احتراقي براي حداکثر قدرت ساخته شدهاند، در حالي که رانندگان در کمتر از يكدرصد از زمان رانندگي، از حداکثر قدرت موتور استفاده ميكنند.
خودروهاي هيبريدى از موتورهاى احتراقي كوچكترى استفاده ميكنند که براي يک قدرت متوسط ساخته شدهاند؛ در صورت نياز به قدرت بيشتر، موتور الکتريکي به کمک ميآيد.
از ترکيب موتورهاي سوختي و موتورهاي الکتريکي، قبلا در وسايل نقليه بزرگي مانند لوکوموتيوها و زيردرياييها استفاده شده بود اما در مورد خودروها، کوچک کردن فناوري، قيمت آن را بالا ميبرد. امروزه، حدود يک دهه از رواج خودروهاي هيبريدي ميگذرد و با وجود بالا رفتن تيراژ توليد و ارزان شدن فناوري اين خودروها، قيمت خريد يک خودروي هيبريدي هنوز به طور محسوسي (حدود 40 درصد) از يک خودروي معمولي مشابه گرانتر است. اما محاسبات نشان ميدهد با توجه به گراني روزافزون قيمت جهاني سوخت، صرفهجويي خودروهاي هيبريدي باعث ميشود در يک دوره استهلاک 5 ساله، خريد اين خودروها مقرون بهصرفه باشد.