اگر تا به حال در تبلیغات خودروسازان دیده اید که از نکات مثبت انواع موتور توربو به مصرف سوخت پایین اشاره می کنند، باید بدانید که این موضوع فقط یک ترفند تبلیغاتی بوده و در عمل دروغی شاخدار بیش نیست. به طور مثال، شورولت یک موتور 1.4 لیتری توربو به نام اِکوتِک (Ecotec) دارد که می تواند 153 اسب بخار قدرت تولید کند، قدرتی که یک موتور تنفس طبیعی با 2.0 لیتر حجم می توانست ایجاد کند یا کمپانی فیات-کرایسلر که به جای موتورهای تنفس طبیعی با 2.0 یا 2.4 لیتر حجم، از موتورهای کم حجمِ توربو استفاده می کند. حتی در برخی خودروها شاهد موتورهای توربو با حجم بیشتر هستیم: به طور مثال، مزدا CX-9 به یک موتور چهار سیلندرِ توربو با 2.5 لیتر حجم مجهز است که جایگزین موتوری 6 سیلندرِ V شکل با توان خروجی مشابه شده است.
اما نکته جالب اینجاست که تمام خودروسازان در تبلیغاتشان درباره مصرف سوخت کمترِ موتورهای توربو در مقایسه با موتورهای قبلی از نوع تنفس طبیعی با حجم بیشتر صحبت می کنند. اما چطور چنین چیزی ممکن است؟ شاید جادو یا معجزه ای در کار است؟ اما در واقع این موضوع فقط یک دروغ است، یک حیله برای دور زدن و غلبه بر قوانین سختگیرانه آلایندگی که بر بازارهای مهمی همچون آمریکا و اروپا حکمفرماست. اما برای این که نشان دهیم چرا این تبلیغات دروغ است، در این نوشته نگاهی به نحوه کارکرد یک موتور توربو خواهیم انداخت و روش سنجش میزان مصرف سوخت در تست ها را مورد بررسی قرار می دهیم.
منحنی های قدرت و گشتاور
یک موتور تنفس طبیعی ساختاری نسبتاً ساده دارد. در این نوع موتورها، قدرت با یک روال ساده و تکراری تولید می شود. اگر به منحنی قدرت این نوع موتورها دقت کنید، معمولاً شاهد روندی مشابه خواهید بود: در دور موتور پایین، قدرت تولیدی کم بوده و با افزایش دور موتور شاهد افزایش قدرت هستیم، اما در نزدیکی محدوده خط قرمز، قدرت موتور با کمی افت مواجه می شود. در شکل زیر، این موضوع به خوبی نمایش داده شده است. در این تصویر که متعلق به موتور 206 تیپ 5 از نوع تنفس طبیعی است، منحنی قرمز رنگ نمایانگر منحنی قدرت موتور است. محور افقی در پایین تصویر، دور موتور از 1500 تا 6500 دور بر دقیقه را نشان می دهد و محور عمودی در سمت راست، میزان قدرت تولیدی موتور را بر حسب کیلووات نمایش می دهد.
موتور 206 تیپ 5 که با کد TU5JP4 شناخته می شود. این موتور در نمونه فرانسوی می تواند 110 اسب بخار قدرت در 5750 دور بر دقیقه و 147 نیوتن متر گشتاور در 4000 دور بر دقیقه تولید کند.
با افزایش سرعت موتور، جریان هوای ورودی به موتور نیز افزایش پیدا می کند و همانطور که می دانید، برای ایجاد آتشی با شدت بیشتر، به هوای بیشتری نیاز خواهید داشت. وظیفه توربوشارژر نیز دقیقاً همین کار است و این کار را از طریق غنی کردن پروسه احتراق با هوای فشرده شده انجام می دهد. البته عمل مهیا کردن هوای فشرده برای موتور به زمان نیاز دارد (هر چند بسیار کوتاه) و این مکانیزم همیشه در موتورهای توربو فعال نیست، به طور مثال هنگامی که فشار زیادی بر روی موتور وجود ندارد.
به جهت دلایل ذکر شده، موتورهای توربو دو نوع منحنی قدرت متفاوت دارند: یک منحنی برای زمانی که بوست ایجاد شده است موسوم به آن بوست (on boost) و منحنی دیگری برای مواقعی که بوست ایجاد نشده است موسوم به آف بوست (off boost). منحنی آف بوست رفتار موتور را هنگامی که بار زیادی بر روی آن وجود ندارد نشان می دهد، مواقعی که راننده پدال گاز را بسیار آهسته و کم فشار می دهد و سیستم های مدیریت موتور تشخیص می دهند که نیازی به تولید حداکثر قدرت توسط موتور نیست. در چنین شرایطی، توربوشارژر اصلاً فعال نیست و برای تامین هوای مورد نیازِ موتور، از همان جریان طبیعی هوا استفاده می شود.
مسلم است که در این شرایط، حداقل میزان سوخت مورد نیاز نیز تزریق می شود. به طور مثال در شرایط ذکر شده، شورولت کروز (Cruze) با موتور 1.4 لیتری توربو، مصرفی معادل با یک موتور 1.4 لیتری تنفس طبیعی خواهد داشت که قطعاً بسیار پایین خواهد بود.
اما منحنی آن بوست، همان منحنی است که حداکثر قدرت موتور را نشان می دهد، یعنی زمانی که توربو با حداکثر سرعت در حال چرخش بوده و بیشترین هوای ممکن را برای پروسه احتراق تامین می کند. بنابر این، حداکثر قدرت و گشتاور موتور حاصل می شود. به طور مثال در چنین شرایطی شورولت کروز می تواند 153 اسب بخار قدرت و 240 نیوتن متر گشتاور تولید کند که تقریباً با یک موتور تنفس طبیعی با حجمی بین 2.0 الی 2.2 لیتر برابری می کند.
اما در این بخش یک مشکل وجود دارد: به همان نسبت که هوای بیشتری وارد پروسه احتراق می شود، به سوخت بیشتری هم احتیاج است. سنسورهای تشخیص دهنده میزان جریان هوا در قسمت ورودی هوای موتور، تشخیص می دهند که چه میزان هوا وارد موتور می شود و به سیستم سوخت رسانی اطلاع می دهند که میزان سوخت تزریقی به موتور را بسته به میزان هوا تنظیم کند. در شرایطی که فشار وارده بر موتور متوسط تا زیاد باشد یعنی زمانی که توربوشارژر فعال است، سوخت بیشتری به موتور وارد می شود تا حداکثر قدرت و گشتاور حاصل شود.
واضح است که تزریق بیشتر سوخت به معنی مصرف سوخت بالاتر است. مهم نیست که حجم یک موتور توربو چقدر کم باشد، زمانی که بوست ایجاد می شود و موتور توربو قدرتی معادل با یک موتور تنفس طبیعی با حجم بیشتر تولید می کند، به همان میزان سوخت مورد نیاز برای یک موتور حجیم تر نیاز دارد. باید اعتراف کنیم که موتور کم حجمِ توربو ایده ای هوشمندانه است، موتوری که می تواند بسته به شرایط دو نوع رفتار و عملکرد متفاوت از خود نشان دهد. اما خودروسازان از این قابلیت به نفع خودشان بهره می برند تا بتوانند در تست های غیر واقعی مصرف سوخت رقم بهتری ثبت کنند.
تست های سنجش مصرف سوخت چگونه انجام می شود؟
روش انجام تست های مصرف سوخت در آمریکا نسبت به اروپا بیشتر به روز می شود، اما در عمل همه این تست ها قدیمی هستند. این تست ها از سه مرحله تشکیل شده اند که همه آنها در شرایط آزمایشگاهی بسته و بدون در نظر گرفتن متغیرهای مختلف انجام می شوند. همچنین به غیر از یک مورد، در هیچ کدام از این تست ها بخش های تکمیلی در نظر گرفته نمی شود: به طور مثال، تفاوت مصرف سوخت هنگام خاموش بودن و روشن بودن کولر سنجیده نمی شود.
اولین مرحله که اصطلاحاً UDDS نامیده می شود، مصرف سوخت داخل شهر را اندازه گیری می کند. این تست که اولین بار سال 1972 به وجود آمد و با نام LA4 هم شناخته می شود، رانندگی در ساعات اوج ترافیک در لوس آنجلس را شبیه سازی می کند. اما در آن زمان تعداد وسایل نقلیه در خیابان ها بسیار کمتر بود و ترافیک ها هم نسبت به امروز روان تر بودند. به علاوه، وسایل نقلیه و نوع موتورها در آن زمان با امروز بسیار متفاوت بوده است.
تست UDDS حدوداً 31 دقیقه طول می کشد و حداکثر سرعت خودرو در این تست از 90 کیلومتر بر ساعت تجاوز نمی کند. خودرو در این تست 23 بار توقف می کند و متوسط سرعت فقط 32 کیلومتر بر ساعت است. اما زمان در نظر گرفته شده برای شتاب گیری در این تست نیز با رانندگی واقعی بسیار متفاوت است: مثلاً برای رسیدن از حالت سکون به سرعت 36 کیلومتر بر ساعت، 12 ثانیه زمان در نظر گرفته می شود. همچنین در این تست هنگام توقف، خودرو ایست کامل می کند. بدین ترتیب، قابلیت استاپ/استارت فعال شده و موتور را خاموش می کند که این امر به طور محسوسی مصرف سوخت را کاهش می دهد. اما مشکل این است که در رانندگی واقعی، معمولاً خودرو در ترافیک ایست کامل نمی کند و با سرعت بسیار کم به سمت جلو حرکت می کند (همانند مواقعی که دنده را در حالت D قرار می دهید و پدال ترمز را رها می کنید). بخش دوم که مصرف سوخت را در بزرگراه می سنجد، اصطلاحاً HWFET نام دارد. این تست با یک موتورِ از پیش گرم شده آغاز می شود و طی آن خودرو هیچ توقفی نخواهد داشت. متوسط سرعت در HWFET برابر با 77 کیلومتر بر ساعت بوده و حداکثر سرعت به 96 کیلومتر در ساعت می رسد. همچنین این تست پیمایش یک مسیر 16 کیلومتری را شبیه سازی می کند.
دستگاهی که در تصویر مشاهده می کنید، دستگاه سنجش میزان آلایندگی با قابلیت حمل (PEMS) نام دارد. این دستگاه توسط محققین سازمان حفاظت از محیط زیست ایالات متحده آمریکا (EPA) اختراع شده و برای کشف تقلب فولکس واگن در زمینه میزان آلایندگی از همین دستگاه استفاده شده است.
سپس طبق محاسباتی که در سال 1984 انجام شده است، ارقام بدست آمده برای مصرف سوخت در شهر و بزرگراه به ترتیب 10 درصد و 22 درصد افزایش داده می شوند. اما نکته جالب اینجاست که این درصدها بیش از 30 سال است که ثابت مانده و به روز نشده اند. از سال 2008 به بعد، سازمان حفاظت از محیط زیست آمریکا پروسه سومی را به تست ها اضافه کرد تا نتایج به واقعیت نزدیکتر شوند.
این پروسه که اصطلاحاً SFTP نام دارد، از سه سیکل تشکیل شده است. اولین سیکل 10 دقیقه طول می کشد، پیمایش مسیری در حدود 13 کیلومتر را شبیه سازی می کند، متوسط سرعتی معادل با 77 کیلومتر بر ساعت داشته و حداکثر سرعت خودرو در این سیکل به 129 کیلومتر در ساعت می رسد. نکته مهم در مورد این پروسه، سنجش مصرف سوخت در سرعت های بالاتر و از آن مهمتر، در شتاب گیری سریع تر است. به این ترتیب، موتور تحت فشار بیشتری قرار می گیرد که در نتیجه مصرف سوخت با منحنی قدرتِ آن بوست مربوط به مواقع فعال بودنِ توربو با تزریق سوخت بیشتر سنجیده می شود.
سیکل دوم از این پروسه که پیمایش مسیری در حدود 5 کیلومتر را شبیه سازی می کند، مصرف سوخت را هنگامی که کولر روشن باشد مورد ارزیابی قرار می دهد. در سیکل سوم، مصرف سوخت داخل شهر در هوای سرد مورد سنجش قرار می گیرد. می توان گفت پروسه SFTP ارقام مصرف سوخت را به واقعیت نزدیکتر می کند، اما نتایج این پروسه تحت تاثیر تست های دو مرحله قبلی با روش های بسیار قدیمی قرار می گیرند، تست هایی که شرایط واقعی رانندگی و فشار وارده بر موتور در این شرایط را شبیه سازی نمی کنند.
اگر تست های این دو مرحله فشاری شبیه به رانندگی واقعی به موتور خودرو وارد می کردند، مصرف سوخت هنگامی که توربو فعال است مورد ارزیابی قرار می گرفت. در این صورت، ارقام اعلامی مصرف سوخت با افزایش قابل توجهی همراه میشد. به طور مثال، دو خودروی زیر با موتور 1.4 لیتری توربو اعداد بسیار بیشتری را برای مصرف داخل شهر ثبت می کردند:
شورولت کروز: 8.71 لیتر در هر صد کیلومتر
فیات 500 ایکس: 9.4 لیتر در هر صد کیلومتر
اما موضوع فقط به همین جا ختم نمی شود، بلکه یک مشکل اساسی دیگر هم وجود دارد...
ظرفیت محدود برای انجام تست مصرف سوخت، اعتمادِ بیش از حد به خودروسازان
سازمان حفاظت از محیط زیست آمریکا برای سنجش مصرف سوخت ظرفیت محدودی دارد که در سال 2010 بین 200 تا 250 وسیله نقلیه در سال بوده است. با در نظر گرفتن فاکتورهای متفاوت در تیپ های مختلف یک خودرو که شامل ابعاد رینگ و لاستیک و قدرت های مختلف می شود، در سال 2010 این سازمان فقط توانایی سنجش مصرف سوخت 15 درصد از خودروهای جدید در بازار را داشت. در واقع در بیشتر موارد سازمان حفاظت از محیط زیست آمریکا مصرف سوخت خودروها را مورد آزمایش قرار نمی دهد و ادعای خودروساز مربوطه را بدون تست کردن می پذیرد.
این سازمان از میان خودروها مدل هایی را به صورت تصادفی انتخاب کرده و آزمایش می کند و فقط در شرایطی که دلیل خاصی برای شک کردن به ادعای خودروساز درباره مصرف سوخت یک خودرو وجود داشته باشد، این سازمان اقدام به بررسی مصرف سوخت آن خواهد کرد.
فولکس واگن توارگ دیزلی در حین تست مصرف سوخت در هوای سرد در سازمان حفاظت از محیط زیست آمریکا
جمع بندی
در نهایت، فاکتورهای اصلی که برای تعیین مصرف سوخت یک خودرو مورد استفاده قرار می گیرند، ایراد دارند. اعتماد کردن به خودروسازان در مورد مصرف سوخت اعلامی یک ریسک بزرگ محسوب می شود، خصوصاً که آنها در اعلام ارقام دروغین سابقه درخشانی دارند! (به طور مثال فولکس واگن، ولوو، رنو، جیپ، هیوندای، سیتروئن و فیات همگی میزان آلایندگی مدل های دیزلی را کمتر از میزان واقعی اعلام کرده بودند). شکل زیر این موضوع را به خوبی نشان می دهد.
در این نمودار، محور عمودی نشان دهنده میزان آلایندگی اکسیدِ نیتروژن با واحد گرم در هر کیلومتر است و در محور افقی موتورهای دیزلی با حجم های مختلف از خودروسازان مختلف نشان داده شده است. اما خط افقی قرمز رنگ نشان دهنده حداکثر میزان آلایندگی مجاز برای اکسیدِ نیتروژن تحت استاندارد یورو 6 است و میله های سبز نشان دهنده متوسط آلایندگی واقعی هر موتور است.
همانطور که مشاهده می کنید، میزان آلایندگی واقعی این موتورهای دیزلی با حد مجازِ استاندارد یورو 6 تفاوت وحشتناکی دارد. به طور مثال، موتور 2.0 لیتری فیات کرایسلر در واقعیت نسبت به حد مجاز حدوداً 15 برابر بیشتر آلایندگی ایجاد می کند (مورد اول از سمت چپ).
نتایج تست میزان آلایندگی واقعی اکسیدِ نیتروژن در موتورهای دیزل توسط انجمن بین المللی حمل و نقلِ پاک (ICCT)
متاسفانه پروسه های سنجش میزان مصرف سوخت بر پایه اطلاعاتی مربوط به 30 تا 40 سال قبل هستند و در این پروسه ها موتور تحت فشار قرار داده نمی شود. به این ترتیب، در این پروسه ها حالت آن بوست از موتورهای توربو در نظر گرفته نمی شود، حالتی که موتور تحت فشار زیادی قرار می گیرد و توربو بوست قابل توجهی ایجاد کرده و هوای فشرده را به داخل موتور می فرستد. بدیهی است که در چنین شرایطی به سوخت بیشتری هم نیاز است تا حداکثر توان موتور حاصل شود و در نتیجه مصرف سوخت بالا خواهد رفت.
هیچ کس در واقعیت با شرایط تست های سازمان حفاظت از محیط زیست آمریکا رانندگی نمی کند. هیچ کس در یک آزمایشگاه بدون استفاده از سیستم صوتی، کولر یا با چراغ های خاموش رانندگی نمی کند. شرایط خیابان های امروز با خیابان های لوس آنجلس در سال 1972 میلادی بسیار تفاوت دارد. تا زمانی که تست های مصرف سوخت بدون در نظر گرفتن شرایطی که موتورهای توربو در واقعیت مورد استفاده قرار می گیرند انجام می شوند، قطعاً اعداد و ارقام بدست آمده توسط آنها دروغی بیش نیست.