چگونه پیشرانه بدون بادامک مصرف سوخت را کاهش می دهد؟

پیشرانه TFG ابرخودرو کونیگزگ جمرا از فناوری «سوپاپ‌آزاد» یا «بدون بادامک» بهره می‌برد که موجب کاهش ۶۰ درصدی انتشار آلایندگی می‌شود و مصرف سوخت آن بین ۱۵ تا ۲۰ درصد از مدل‌های معمولی کمتر است.

پیشرانه‌های احتراق داخلی تاکنون نتوانسته‌اند تمام انتظاراتی که از آن‌ها می‌رود را به‌طور کامل برآورده کنند؛ اما کونیگزگ که در زمینه‌ی ساخت خودرو  سوپراسپرت قدرتمند فعالیت می‌کند، می‌تواند به کمک فناوری سوپاپ‌آزاد یا فری‌ولو (Freevalve) تا حدودی به این انتظارات پاسخ مثبت دهد. 

فناوری سوپاپ‌آزاد دقیقاً کاری را انجام می‌دهد که نام آن به ما می‌گوید؛ سوپاپ‌های ورودی و خروجی را از محدودیت میل‌بادامک سنتی که برای باز و بسته کردن آن‌ها استفاده می‌شود، آزاد می‌کند. این فناوری در پیشرانه TFG یا «The Friendly Giant» موجود در کونیگزگ جمرا (Koenigsegg Gemera) مورد استفاده قرار گرفت. کونیگزگ جمرا در نمایشگاه مجازی خودرو ژنو در ماه مارس رونمایی شد و قرار است در سال ۲۰۲۲ تولید شود.

پیشرانه‌ی به اصطلاح «بدون بادامک» ایده‌ی جدیدی نیست و طرح‌های مفهومی زیادی از شرکت‌هایی مانند بی‌ام‌و، رنو، فیات، لوتوس اینجینیرینگ و اخیرا از شرکت انگلیسی کم‌کان (Camcon) در این زمینه ارائه شده است. کنترل کاملا تکی زمان‌بندی و خیز سوپاپ (زمان باز و بسته شدن و میزان باز و بست هر سوپاپ) به‌طور بالقوه مزایای بزرگی دارد که از جمله این موارد می‌توان به کاهش مصرف سوخت، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و همچنین قدرت و عملکرد فوق‌العاده بالا اشاره کرد.

پیشرانه‌ی TFG کونیگزگ می‌تواند بدون وابستگی به موقعیت دریچه گاز و به عبارت دیگر وضعیت پدال گاز کار کند، بنابراین به‌جای محدود کردن میزان هوای ورودی به داخل پیشرانه توسط دریچه گاز خارجی در بالای پیشرانه، می‌توان آن را با کمتر بازکردن سوپاپ‌ها کنترل کرد. این کار موجب صرفه‌جویی در انرژی می‌شود. پیشرانه به‌راحتی می‌تواند طبق چرخه‌ی کارآمد میلر کار کند؛ چرخه‌ای که در آن هوای مکش‌شده حجم کمتری نسبت به گازهای منبسط‌شده در مرحله‌ی احتراق (انفجار یا کار) اشغال می‌کند و درنتیجه باعث افزایش کارایی می‌شود.

بیشترین میزان انتشار گازهای سمی در پیشرانه‌های مدرن هنوز هم در ثانیه‌های اولیه استارت سرد به دلیل سرد بودن قطعات داخلی، سرد بودن کاتالیزورها و محدودیت مخلوط سوخت و هوا در دورهای پایین پیشرانه رخ می‌دهد. سیستم سوپاپ‌آزاد کونیگزگ برای بهبود چرخش گازهای خروجی در داخل پیشرانه، (زمان‌بندی) سوپاپ‌ها را دستکاری می‌کند و درنتیجه گازهای داغ ناشی از احتراق با مخلوط سوخت و هوای تازه مخلوط و باعث کاهش انتشار آلایندگی می‌شود. سازنده‌ی سیستم «بدون بادامک» ادعا می‌کند که استفاده از این روش موجب کاهش ۶۰ درصدی انتشار آلایندگی در مقایسه با پیشرانه سه سیلندر سنتی مجهز به میل‌بادامک خواهد شد.

تلاش‌های قبلی در زمینه‌ی فناوری‌های بدون بادامک نسبتا ساده بود که معمولاً شامل سولنوئیدهای الکترومغناطیسی یا کاراندازهای الکتروهیدرولیکی می‌شد. سیستم سوپاپ‌آزاد از سولنوئیدهای نیوماتیک برای به کار انداختن سوپاپ‌ها و سولنوئیدهای الکتروهیدرولیکی برای متوقف کردن سوپاپ‌ها در موقعیت معینی بهره می‌برد تا حرکت آن را تعدیل و تنظیم کند.

سیستم یادشده همچنین با بستن تمام سوپاپ‌ها در سیلندرهای خاص و قطع تزریق سوخت، امکان غیرفعالسازی سیلندرها را فراهم می‌کند. طرح‌هایی برای استفاده از هوش مصنوعی وجود دارد تا به پیشرانه اجازه دهد که بهترین استراتژی احتراق را در یک لحظه‌ی مشخص تشخیص دهد.

مغز پیشرانه (واحد کنترل الکترونیکی) دقیقاً تصمیم می‌گیرد که بسته به بار پیشرانه و کارهایی که راننده ازطریق فشار دادن پدال گاز می‌خواهد انجام دهد، هر سوپاپ باید به چه شیوه‌ای عمل کند. پیشرانه‌ی مجهز به توربوشارژر دارای سیستم توربو دو مرحله‌ای است؛ اما سیستم سوپاپ‌آزاد به‌جای استفاده از سوپاپ‌ها برای کنترل اینکه کدام توربوشارژر در چه زمانی فعال شود، با اتصال سه سوپاپ از ۶ سوپاپ خروجی پیشرانه به یک توربین و سه سوپاپ باقیمانده به توربین دیگر، کنترل هر یک از توربوشارژرها را به‌طور مستقل انجام می‌دهد. 

نتایج استفاده از این طرح چشم‌گیر به‌نظر می‌رسند. TFG یک پیشرانه‌ی سه سیلندر ۲ لیتری است که ۶۰۰ اسب‌بخار قدرت و ۶۰۰ نیوتن‌متر گشتاور دارد و مصرف سوخت آن بین ۱۵ تا ۲۰ درصد کمتر از پیشرانه معمولی ۲ لیتری مجهز به سیستم تزریق مستقیم است. این پیشرانه می‌تواند با انواع سوخت‌ها کار کند و گفته می‌شود که با استفاده از سوخت‌های تجدیدپذیر الکلی نسل دوم، هیچ‌گونه دی‌اکسیدکربنی تولید نخواهد کرد.

گزینه‌ی جایگزین بی‌ام‌و

بی‌ام‌و سیستم خیز متغیر سوپاپ ولوترونیک (Valvetronic) را در سال ۲۰۰۱ معرفی و عرضه کرد که استفاده از آن هنوز هم ادامه دارد. اگرچه هنوز در این سیستم یک میل‌بادامک وجود دارد و تمام سوپاپ‌های ورودی به یک‌باره و نه به‌صورت جداگانه فعال می‌شوند، ولوترونیک مؤثر و ساده است. استفاده از ترکیب ولوترونیک و Vanos برای تغییر زمان‌بندی میل‌بادامک، کم‌هزینه و مقرون‌به‌صرفه است و روشی مناسب برای بهره‌گیری از مزایای فناوری «بدون بادامک» به شمار می‌رود.