انواع خودروها با انرژی‌ جایگزین

محدود بودن منابع فسیلی و افزایش دائمی قیمت آنها از یک سو، مشکلات و آلودگی‌های زیست محیطی که ناشی از استفاده از این گونه سوخت‌ها ایجاد می‌شود، جامعه جهانی را به سمت یافتن و استفاده از انواع دیگر انرژی جایگزین سوق می‌دهد.
صنعت خودرو نیز از این امر مستثنی نیست در مقاله‌های دانستنی‌های سوخت خودرو و انرژی‌های جایگزین در خودرو‌ها در مورد انواع انرژی‌های متداول برای ایجاد نیروی محرکه در خودرو مطالبی ارائه شد. در این مقاله با انواع خودرو با انرژی‌های جایگزین  و همچنین با اصطلاحات مربوط به آن‌ها آشنا خواهید شد و در مقاله‌های بعدی در مورد تکنولوژی مورد استفاده در این خودروها مطالبی ارائه می‌شود.

خودروها با سوخت‌های جایگزین در دنیا تحت عنوان AFV (Alternative Fuel Vehicle) شناخته و دسته‌بندی می‌شوند. در واقع هر خودرویی که غیر از بنزین یا گازوئیل از انرژی دیگری به‌صورت مجزا و یا هم‌زمان استفاده کند در مجموعه انواع خودرو با انرژی جایگزین می‌تواند دسته‌بندی شود. یکی از روش‌های دسته‌بندی در شکل 1 نشان داده می‌شود.

شکل 1- روش‌های دسته‌بندی خودروها با انرژی‌ جایگزین

نوع اول: یک سوخت اصلی + یک سوخت جایگزین در یک باک

یکی از روش‌های متداول در خودروها استفاده از باک مشترک برای چند نوع سوخت است. نظر به اینکه موتور این خودروها تغییرات زیادی نسبت به موتور با سوخت اصلی ندارد سوخت جایگزین نباید تفاوت ساختاری و شیمیایی زیادی نسبت به سوخت اصلی داشته باشد. باتوجه‌به اینکه ساختار موتورهای احتراق داخلی به دودسته بنزینی (احتراق جرقه‌ای) و گازوئیلی (احتراق تراکمی) دسته‌بندی می‌شوند بنابراین منطقی به نظر می‌رسد که خودروها با سوخت‌های جایگزین از این نوع نیز به دودسته تقسیم‌بندی می‌شوند. (شکل 2)

شکل 2- دسته‌بندی خودرو با انرژی جایگزین نوع اول

خودروهای Flex fuel

این نوع خودروها دارای موتور تطبیق شده با چند نوع سوخت مختلف نزدیک به بنزین است. در واقع این خودروها دارای یک باک ذخیره سوخت هستند و مالک خودرو می‌تواند از سوخت‌هایی که شرکت سازنده توصیه کرده استفاده کند. ضرورتی ندارد حتماً باک کاملاً خالی شود تا سوخت جدید اضافه شود. سیستم نیرومحرکه این خودروها طوری طراحی شده که به سوخت‌های توصیه شده (حتی مخلوط آنها) نیز بتواند کارایی معقولی داشته باشد. شکل 3 شماتیک اجزا این خودرو را نشان می‌دهد.

1- نازل سوخت 2- باک (بنزین/اتانول) 3- پمپ‌بنزین 4- مسیر اگزوز 5- لوله سوخت
6- جعبه‌دنده 7- باتری 8- سیستم تزریق سوخت 9- موتور تطبیق داده شده 10- ECM
شکل 3- شماتیک سیستم‌های خودرو Flex-fuel

سوخت‌های متداول در بیشتر خودروهای Flex-fuel بنزین و اتانول است. همانطور که در شکل 2 نیز مشاهده می‌شود اجزا این خودروها تفاوتی با اجزا خودروهای بنزینی معمولی ندارد. فقط تغییراتی جهت تطبیق پذیری بهتر به خواص مختلف سوخت‌های موجود در باک در سیستم اعمال می‌شود تغییراتی مانند:

تغییرات جزئی در پمپ‌بنزین
انژکتورها و سیستم پاشش سوخت
تغییرات مدیریت سوخت و جرقه (مخصوصاً تغییر در بازخورد از سنسور اکسیژن)

تمامی سوخت‌های مورداستفاده در خودرو در دفترچه راهنما خودرو درج می‌شود. گاهی نیز برای راهنمایی بهتر در کنار علامت‌های مختلف نوع سوخت نیز مشخص می‌شود. شکل 4 نمونه‌ای ازاین‌گونه علامت‌ها روی خودرو را نشان می‌دهد.

شکل 4- نمونه علایم درج شده روی خودرو Flex-fuel

همانطور که در مقاله‌های انرژی های جایگزین در خودروها امده است معروف ترین سوخت اتانول موجوددر بازار E85 است. جایگاههای این نوع سوخت نسبت به دیگر سوخت های اتانول گستردگی بیشتری دارد. به همین دلیل عبارت E85 نیز درج میشود.

خودروهای Biodiesel

خودروهایی که می‌توان هم سوخت گازوئیل و هم بیودیزل استفاده کنند در دسته انواع خودرو با انرژی جایگزین قرار می‌گیرند. همانطور که در مقاله قبلی ذکر شده است. حجم بیودیزل مورداستفاده در سوخت‌های جایگزین بسیار ناچیز است. شرکت‌های خودروساز عموماً B5 (5% بیودیزل + 95% گازوئیل) یا حداکثر B20 (20% بیودیزل +80% گازوئیل) استفاده می‌کنند. شکل 5 شماتیک سیستم‌های مختلف این خودرو را نشان می‌دهد.

1-ورودی مخزن Ad-blue 2- ورودی باک 3- مخزن ad-blue 4- پمپ اولیه سوخت 5- باک 6- مبدل کاتالیستی
7- لوله‌کشی سوخت 8- جعبه‌دنده 9- باتری 10- موتور دیزل 11- ECM
شکل 5- شماتیک سیستم‌های خودرو با سوخت بیودیزل

عموماً خودروهای تجاری سنگین از بیودیزل کمتر استفاده می‌کنند. شکل 6 دو نمونه خودرو و علامت مورداستفاده برای شناسایی بیودیزل بودن را نشان می‌دهد.

شکل 6- دو نمونه خودرو با سوخت بیودیزل

نوع دوم: یک سوخت اصلی + یک انرژی جایگزین در واحد مجزا

یکی دیگر از انواع خودروها با انرژی جایگزین این نوع خودرو است. باتوجه‌به اینکه انرژی یا سوخت جایگزین مورداستفاده در این خودروها قابلیت نگه‌داری با سوخت اصلی را در یک جایگاه ندارد. به همین دلیل دو محل برای ذخیره وجود دارد. یکی برای سوخت اصلی و دیگری برای سوخت یا انرژی جایگزین خواهد بود. این خودروها می‌توانند یک واحد نیروده یا دو واحد نیروده داشته باشد. جدول شکل 7 دسته بندی این گروه را نشان میدهد.

شکل 7- دسته‌بندی خودرو با انرژی جایگزین نوع دوم

خودروهای LPG – CNG

شاید بیشتر کسانی که این مقاله را می‌خوانند با این نوع خودرو آشنا باشند. نسل اول خودروهای دو سوخته (یا با دو مخزن) در ایران با اضافه‌کردن واحد LPG روی خودروهای بنزینی معرفی شد. نظر به شباهت بسیار زیاد پروپان/بوتان به خواص بنزین (برای اطلاعات بیشتر به مقاله انواع سوخت خودرو ) تقریبا عملکرد سیستم موتور خودرو هیچ تفاوت چشمگیری در حالت LPG با بنزین ندارد. پس از مدتی به خودرو های LPG با معرفی خودرو های دو سوخته از نوع بنزین/CNG کاهش یافتند. در دنیا خودرو های CNG نسبت هب LPG با اقبال بیشتری روبرو شدند. حتی نسل های بعدی یعنی ANG و LNG نیز برای خودرو های تجاری رده متوسط و گاهی سنگین نیز معرفی شدند. شکل 8 اجزا خودرو بنزین/CNG را نشان میدهد.

1- مخزن CNG 2- شیر فشارشکن 3- رگولاتور مخزن 4- ورودی باک بنزین 5- ورودی مخزن CNG
6- فیلتر مخزن CNG 7- لوله انتقال CNG (سبزرنگ) 8- باک بنزین 9- پمپ‌بنزین
10- لوله انتقال بنزین (رنگ بنفش) 11- کلید بنزین -CNG 12- جعبه‌دنده 13- رگولاتور CNG
14- انژکتور بنزینی 15- باتری 16- موتور بنزینی 17- انژکتور CNG 18-ECM بنزین 19- ECM برای CNG
20- سیستم اگزوز
شکل 8- شماتیک سیستم‌های خودرو دو سوخته بنزین/ CNG

خودروهای هیبریدی

باتوجه‌به تفاوت حجم آلایندگی استفاده از انرژی الکتریکی نسبت به انواع سوخت‌های فسیلی و زیست‌توده‌ها، استفاده مجدد از این خودروها تقریباً از میانه دهه 90 میلادی موردتوجه جدی شرکت‌های خودروساز قرار گرفت. گروه معروف خودروهای هیبریدی در این دسته قرار می‌گیرند.
به روش‌های مختلف می‌توان این خودروها را دسته‌بندی کرد اما در این مقاله فقط از دید بسیار ساده مورد مقایسه قرار می‌گیرند.
خودروهای هیبرید معمولاً از یک مخزن با سوخت اصلی (بنزین یا گازوئیل) و یک باتری به‌عنوان انرژی جایگزین استفاده می‌کنند. شکل 9 اجزا سیستم خودرو نوعی خودرو هیبریدی را نشان می‌دهد.

1-ورودی باک بنزین 2- باک بنزین 3- باتری سیستم هیبریدی 4- موتور الکتریکی 5- مولد الکتریکی
6- جعبه‌دنده 7- باتری موتور بنزینی 8- رادیاتور 9- مبدل DC/AC 10- مدیریت برق قدرت
11- موتور 12- سیستم اگزوز
شکل 9- شماتیک سیستم‌های خودرو هیبریدی

خودروهای هیبریدی معمولاً مسافت زیادی را باانرژی الکتریکی نمی‌تواند طی کنند. معمولاً مسافت طی شده این نوع خودروها فقط با باتری بین 30 الی 80 کیلومتر است؛ بنابراین در مسافت‌های طولانی پس از مدتی حرکت خودرو به‌صورت اتوماتیک از سوخت اصلی (بنزین/گازوئیل) استفاده می‌کند و هم‌زمان باتری سیستم هیبریدی را با کمک موتور/ژنراتور الکتریکی قرار گرفته در سیستم شارژ می‌کنند.

نوع سوم: خودرو فقط با یک انرژی جایگزین

خودروهای نوع سوم از هیچ نوع سوخت اصلی استفاده نمی‌کنند. بلکه فقط از یکی از سوخت/انرژی‌های جایگزین استفاده می‌کنند. شکل 10 انواع خودروهای زیرمجموعه این نوع را نشان می‌دهد.

شکل 10- دسته‌بندی خودرو با انرژی‌های جایگزین

شکل 11 و 12 شماتیک و اجزا عمومی سیستم سوخت‌رسانی خودروهایی که تنها سوخت مورداستفاده در خودرو
CNG یا LPG را نشان می‌دهد.

1- مخزن CNG 2- شیر فشارشکن 3- رگولاتور مخزن 4- فیلتر مخزن 5- ورودی مخزن CNG
6- لوله سوخت 7- جعبه‌دنده 8- باتری 9- موتور 10- انژکتور 11- ECM 12- سیستم اگزوز
شکل 11- شماتیک سیستم‌های خودرو CNG

1- واحد کنترل پرشدن 2- گیج فشار 3- شیر کنترل فشار 4- شناور مخزن 5- مخزن گاز 6- ورودی مخزن LPG
7-فیلتر مخزن 8- شیر مخزن 9- لوله انتقال 10- جعبه‌دنده 11- انژکتور 12- باتری
13- موتور 14- ECM 15- سیستم اگزوز
شکل 12- شماتیک سیستم‌های خودرو LPG

مهم‌ترین خودرو باانرژی جایگزین که امروزه به‌سرعت درحال‌توسعه تکنولوژی و تولید است خودروهای برقی هستند. نظر به اینکه بسیاری از کشورهای دنیا قوانینی را تصویب کرده‌اند که در دهه 2030 الی 2040 تولید خودروهای با سوخت بنزینی – گازوئیلی – CNG – LPG – LNG – بیودیزل و غیره را متوقف یا به‌شدت محدود کنند، عرصه برای خودروهای الکتریکی کاملاً باز خواهد شد. خودروهای تمام برقی با استفاده از باتری‌های لیتیوم – یون یا نیکل متال و باتری‌های سوختی انرژی موردنیاز خود را تأمین می‌کنند. شکل 13 اجزا اصلی سیستم انرژی در این خودروها را نشان می‌دهد.

1- باتری اصلی 2- ورودی به دستگاه شارژ 3- سیستم انتقال قدرت 4- یونیت شارژ
5- یونیت شارژ 6- رادیاتور خنک‌کننده 7- مبدل DC 8- یونیت قدرت 9- موتور الکتریکی
شکل 13- شماتیک سیستم‌های خودرو تمام برقی – باتری

در چند سال گذشته نسل دیگری از خودروهای تمام الکتریکی که با استفاده از پیل سوختی (Fuel cell) نیز معرفی شده بود. این خودروها برای تأمین برق از هیدروژن و تزریق آن به باتری سوختی استفاده می‌کردند. باتوجه‌به نیاز به نگهداری هیدروژن در مخازن فشار بالا (200 الی 300 بار)، ایمنی این خودروها مورد تردید واقع شد. بعد از مدتی استفاده از باتری‌های لیتیوم یون و ایمنی آن نسبت به هیدروژن، تقریباً استفاده از این نوع باتری در خودروها بسیار محدود شد. شکل 14 اجزا اصلی تولید قدرت در این نوع خودروها را نشان می‌دهد.

1- باتری کمکی 2- ورودی مخزن هیدروژن 3- مخزن 4- سیستم انتقال قدرت 5- یونیت قدرت
6- باتری تجهیزات جانبی 7- رادیاتور 8- مبدل DC 9- موتور الکتریکی 10- واحد پیل سوختی
شکل 14- شماتیک سیستم‌های خودرو تمام برقی – پیل سوختی

در این مقاله با انواع خودرو های با انرژی‌های جایگزین آشنا شدید. مقاله‌های بعدی در مورد نحوه عملکرد این خودرو‌ها خواهد بود.

نویسنده: مهندس بهروز خطیبی