تأثیر سیستم های هوشمند و فناوری های نو در بهینه سازی الگوی مصرف سوخت

مقاله حاضر, ریشه ها و عوامل فناورانه موجود در تولید خودرو و عدم به کارگیری تکنولوژی های نو در ساخت آن را مورد بررسی قرار می دهد

مقاله حاضر، ریشه‌ها و عوامل فناورانه موجود در تولید خودرو و عدم به کارگیری تکنولوژی‌های نو در ساخت آن را مورد بررسی قرار می‌دهد. همچنین، به کارگیری سیستم‌های هوشمند در تولید تجهیزات کنترل ترافیک، مسیریابی، مکان‌یابی و مدیریت ناوگان حمل و نقل عمومی و تأثیر آنها در بهینه‌سازی الگوی مصرف سوخت خودرو را مد نظر قرار داده است. این فناوری‌ها در دو بخش فناوری‌های ساخت خودرو و فناوری‌ها و سیستم‌های کنترل جاده و ترافیک (چه در خودرو و چه در سیستم حمل و نقل جاده‌ای) مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در نهایت، نقش سوخت‌های جایگزین به عنوان فناوری‌های نو در صنعت خودروسازی، به اختصار شرح داده می‌شود.

نقش حیاتی سوخت در جوامع امروزی، قابل انکار نبوده و وابستگی تمامی ابعاد زندگی به سوخت‌های فسیلی دغدغه کنونی محدودیت منابع آن را به همراه آورده و متصدیان امر را به چالش‌هایی دشوار در این زمینه واداشته است. از جمله این چالش‌ها، بررسی راهکارهای نو و به‌کارگیری سیستم‌ها، منابع و ذخایر نو فناوری است که در کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی و یا به بیانی دیگر، بهینه‌سازی مصرف آنها، مؤثر واقع شوند.

● نانو فناوری

نانو فناوری، توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستم‌های جدید با در دست گرفتن کنترل سطح مولکولی و اتمی آنها و استفاده از خواصی است که در این سطح ظاهر می‌شود. نانو فناوری به عنوان انقلابی در شرف وقوع، به سرعت جایگاهی ویژه در تمام زمینه‌های علمی و صنعتی، پیدا کرده است. کاربرد نانو فناوری در هر فعالیتی، همراه با هزینه کمتر، دوام و عمر بیشتر، مصرف انرژی پایین‌تر، هزینه نگهداری کمتر و خواص بهتر است.

● نانو فناوری در صنعت خودرو

صنعت خودرو، یکی از بزرگترین صنایع جهان است و به‌کارگیری فناوری‌هایی جدید همچون نانوفناوری در چنین صنعتی، بسیار ضروری است. بدنه‌های سبکتر و مقاومتر برای خودرو، لاستیک‌های دارای مقاومت سایشی بهتر و دوام بیشتر، نانو ساختارهای مبتنی‌بر کربن به‌عنوان سوپر اسفنج هیدروژنی در خودروهای پیل سوختی، حسگرهای چندمنظوره برای کنترل فرایندهای مختلف در خودرو، کاتالیزورهای اگزوز خودرو به منظور کاهش آلودگی هوا، لایه‌های بسیار محکم با خصوصیاتی ویژه نظیر الکتروک رومیک (رنگ‌پذیری الکتریکی) با خاصیت خود پاک‌کنندگی برای استفاده در شیشه و آینه‌های خودرو، سازگار کردن خودرو با محیط‌زیست و بسیاری از دیگر موارد، نمونه‌هایی از کاربردهایی هستند که نانو فناوری در صنعت خودرو خواهد داشت. این فناوری، جایگزینی جدید است که تایرهایی سازگار با محیط زیست و مقاوم در برابر ساییدگی را به ارمغان می‌آورد.

خصوصیات ویژه صنعت خودرو، آن را به بازاری مستعد برای ورود نانوفناوری تبدیل کرده است. این بازار، بسیار بزرگ بوده و با پیشرفت زمان، توسعه‌ای سریع برای ایجاد محصولات جدید دارد.

کاربردهای نانو در صنعت خودرو، به طور عام عبارتند از:

الف) قابلیت جلوگیری از نشت گازها و مایعات

ب) نانو فناوری فلزی

پ) رنگ و پوشش

ت) حسگرها

ث) مبدل‌های کاتالیستی و فیلترها

● سیستم‌های هوشمند حمل و نقل

صف‌های طویل در ایستگاه‌های عوارضی، راه‌بندان‌های طولانی، تغییر مسیرهای ناخواسته و یا اشتباهات مربوط به انتخاب مسیر و... نمونه مواردی هستند که باعث افزایش مصرف سوخت می‌شوند. با انجام اقدامات زیر می‌توان هر یک از موارد یادشده را حذف کرد:

● سیستم‌های اطلاعات ترافیک

یکی از انواع کلیدی سیستم‌های ITS مربوط به خودروهای شخصی، سیستم اطلاعات ترافیک است. در واقع هر رادیوی خودرو، از پیش واجد این قابلیت است که اطلاعات ترافیکی را دریافت کند- چه از طریق برنامه‌های رادیویی و چه از طریق کانال‌های رادیویی مختص پخش آخرین اطلاعات ترافیکی.

● پخش صوتی دیجیتال (DAB)

سیستم‌های پخش صوتی دیجیتال، به‌علت محدودیت ظرفیت پخش رادیویی FM ایجاد شده‌اند. سیستم‌های DAB به‌منظور انتقال داده‌های متنی تصویر در حرکت با سرعت‌های بالا، مورداستفاده قرار گرفته است.

● خدمات WAP

پروتکل کاربرد بی‌سیم (WAP) استاندارد صنعتی در حال ظهوری است که به‌منظور ارائه خدمات اطلاعاتی مشابه اینترنت، به‌صورت بی‌سیم و توسط دستگاه‌های بی‌سیم دستی، به‌کار برده می‌شود.

● کانال ارسال پیام ترافیکی (TMC)

گزینه‌ای دیگر برای ارائه مستمر اطلاعات بهنگام در مورد وضعیت ترافیک، استفاده از کانال ارسال پیام ترافیکی مبتنی‌بر پخش FM است. این سیستم تک کاربرد خاص، از سیستم انتقال داده‌ها توسط امواج رادیویی (TMC)، اخبار و اطلاعات لحظه‌ای درباره ترافیک استفاده می‌کند.

● جهت‌یابی و راهنمایی مسیر

اغلب اوقات، خدمات اطلاعات ترافیکی، با یک سیستم جهت‌یابی درون خودرو ترکیب می‌شوند که ارائه‌دهنده خدمات راهنمای تعیین مسیر و سایر خدمات جانبی همچون خدمات اطلاعاتی پارکینگ است. سیستم راهنمای مسیر، می‌تواند به‌صورت نصب شده بر روی خودرو و یا سیستم‌های جدا از خودرو، پویا و یا ایستا باشد.

● صدور بلیط‌های الکترونیکی

هدف این سیستم آن است که از طریق توسعه سیستمی ابتکاری، به کاربران خود امکان دهد تا هزینه مربوط به برخی خدمات پخش حمل و نقل مانند عوارض بزرگراه‌ها، وسایل حمل و نقل عمومی و هزینه پارکینگ را از طریق اینترنت و یا همراه، پرداخت کنند.

● توزین خودرو در حال حرکت (WIM)

سیستم‌های توزین در حال حرکت که امروزه در سراسر دنیا به‌کار می‌روند، دستگاه‌هایی هستند که امکان توزین مستمر و بدون انقطاع خودروهایی را فراهم می‌آورد که با سرعتی در حدود سرعت مجاز حرکت در آزادراه‌ها، در حرکتند. اکثر خودروهای تجاری باید هر روز توزین شوند تا از افزایش مصرف سوخت ناشی از بار اضافی جلوگیری شود.

● سیستم الکترونیک اخذ عوارض

ما با صف‌های نسبتاً کسل کننده جاده‌ها که وقت زیادی از افراد را در انتظار رسیدن به باجه اخذ عوارض آن هم با موتورهای روشن تلف می‌کنند، آشنا هستیم. از مدت‌ها قبل، گردانندگان امور زیربنایی جاده‌ای، به ناکارامدی این شیوه اخذ عوارض پی برده و تلاش کرده‌اند تا راهکارهایی نوین برای پرداخت الکترونیک عوارض، به‌منظور سرعت بخشیدن به روند کار ایجاد کنند.

● سیستم هوشمند مدیریت ناوگان حمل و نقل عمومی

استفاده از مدیریت هوشمند حمل و نقل عمومی، می‌تواند باعث کاهش هزینه‌های رفت و آمد مسافران برای دریافت بلیط اتوبوس، قطار، هواپیما و... شود. با استفاده از این سیستم، می‌توان هزینه این رفت و آمدها را کاهش داد. با کم شدن تعداد مراجعات، مسلماً مصرف سوخت نیز کاهش خواهد یافت.

استفاده از سیستم هوشمند دریافت عوارض، می‌تواند باعث کاهش مصرف در تمامی خودروها شود. استفاده از سیستم هوشمند توزین بار کامیون‌ها نیز نقش مهمی در کاهش مصرف دارد.

● استفاده از power max

سوختن بنزین در موتور، باعث به‌وجود آمدن لایه‌ای کربنی می‌شود که به‌صورت رسوب بر جداره موتور باقی می‌ماند. مولکول‌هایی ناهمگون در سوخت‌های بنزینی و دیزلی وجود دارد. به‌تدریج که مولکول‌ها به‌صورت خوشه‌ای رشد می‌کنند، مولکول‌های لایه درونی نمی‌توانند با مولکول‌های هوا ترکیب شوند. لذا سوخت به‌صورت کامل نمی‌سوزد و در نهایت به‌صورت پسماند باقی می‌ماند. در واقع، قابلیت Max power این است که می‌تواند توده‌های مولکولی یاد شده را بشکافد و به اکسیژن اجازه دهد تا با نفوذ درون آنها، با مولکول‌ها ترکیب شود.

● توربوشارژر

سوپر شارژرها هوای بیشتری برای سیلندرهای موتور تأمین می‌کنند. تأمین هوای بیشتر، در واقع آماده‌سازی شرایطی بهتر برای انجام احتراق است. این امر باعث احتراق بهتر سوخت در محفظه و در نهایت قدرت بیشتر موتور خواهد بود. توربوشارژر، شامل یک کمپرسور و توربین است که هر دو روی یک شفت نصب شده‌اند و توربین توسط گازهای خروجی حاصل از احتراق چرخانده می‌شود. به این‌ترتیب، انرژی این گازها که در صورت نبودن توربوشارژر تلف می‌شد، برای چرخاندن کمپرسور استفاده شده و هوای بیشتری برای سیلندرهای موتور تأمین می‌کند. این وسیله، باعث بهینه‌سازی مصرف سوخت خودرو شده و سرعت موتور با افزایش مصرف سوخت، بیشتر می‌شود. استفاده از توربوشارژر، زمینه‌ساز رعایت نسبت دقیق‌تر سوخت- هوا و احتراق بهتر است.

● گسترش تجارت الکترونیکی

گسترش تجارت الکترونیکی، زمینه‌ساز کاهش رفت و آمدها و تمرکززدایی از شهرهای بزرگ شده و می‌تواند باعث کاهش مصرف سوخت شود. با نزدیکتر شدن به برنامه‌های «دولت الکترونیک»، حجم رفت و آمدهای کشور در مدتی کوتاه تا مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد. این کاهش، تأثیری مستقیم بر کاهش مصرف می‌گذارد. زندگی در دنیای کنونی، نیازمند استفاده سیستم‌های هوشمند الکترونیکی و مخابراتی است تا بتواند پاسخگوی نیازهای جمعیت رو به رشد کنونی باشد.

تجارت الکترونیکی می‌تواند بدون نیاز مراجعه فرد به محل داد و ستد کالا، صورت گرفته و فرد را از هزینه سوخت و دیگر هزینه‌های جانبی، خلاص می‌کند. دولت می‌تواند با سرمایه‌گذاری در این بخش، از هزینه‌هایی سنگین که برای یارانه سوخت می‌پردازد، بکاهد. برای اینکه این نوع تجارت سهم بیشتری در تبادلات اقتصادی کشور داشته باشد، دولت باید آموزش‌های لازم را برای آشنایی افراد (بویژه مدیران و تجار) بدهد تا از زیان‌های احتمالی آنها به دلیل نداشتن اطلاعات لازم و صحیح در این زمینه، بکاهد.

● سوخت‌های جایگزین

▪ ضرورت استفاده از سوخت‌های جایگزین

ادامه تولید خودروهایی که با فناوری قدیمی و تفکر یارانه‌ای عرضه می‌شوند و تردد خودروهای فرسوده، روز به‌روز بر مشکلات اقتصادی، اجتماعی و زیست‌محیطی کشور می‌افزاید. در چنین شرایطی، تلاش برای شناسایی و تأمین سوختی ارزان و پاک که جایگزینی مناسب برای سوخت‌های فسیلی متداول باشد، امری ضروری است.

مهمترین و معمول‌ترین سوخت‌ها برای استفاده در وسائط حمل و نقل در بسیاری از کشورهای دنیا، بنزین و گازوئیل است. خودروهایی که سوخت بنزین یا گازوئیل مصرف می‌کنند، موجب انتشار مواد مضر و آلاینده با ترکیبات شیمیایی پیچیده شده و به‌نوبه خود، سبب تولید ازن در جو زمین می‌شوند. گرچه در کشورهای پیشرفته تمهیداتی مختلف نظیر معاینه فنی یا نصب سیستم‌های کنترل انتشار آلاینده در اگزوز خودروها برای کاهش آلودگی به کار گرفته شده، اما این برنامه‌ها در شهرهای بزرگ مسئله تولید ازن و سایر آلاینده‌ها را به حد کافی کاهش نداده است.

▪ سوخت‌های گازی

در حال حاضر، میزان متوسط مصرف بنزین هر خودروی سواری در کشور روزانه ۱۰ تا ۷۵ لیتر است که این میزان بیش از ۴ برابر کشور انگلیس و ۵/۵ برابر کشور فرانسه است. با توجه به روند صعودی تولید خودر و در کشور، انتظار می‌رود تعداد خودرو در سال ۱۴۰۰ افزون‌بر ۱۵ میلیون دستگاه باشد که به این ترتیب، میزان کسری بنزین در کشور طی ۲۰سال آینده، افزون‌بر ۵۰۰ میلیارد لیتر خواهد بود.

با درک این شرایط، تفکر در مورد سوخت‌های جایگزین، امری اجتناب‌ناپذیر است. با توجه به اینکه ایران به تنهایی حدود ۵/۱۵ درصد از ذخائر گاز طبیعی دنیا را در اختیار داشته و از این نظر دارای مقام دوم جهان است، استفاده از گاز به‌عنوان راه‌حل مناسب مطرح است. بررسی‌ها نشان می‌دهند که این سرمایه‌گذاری از نظر اقتصادی نیز دارای توجیه کافی بوده و از جنبه زیست‌محیطی نیز سوختی کاملاً پاک و سالم است.

▪ سوخت‌های سری p

سوخت‌های سری p مخلوطی از ترکیبات سنگین گاز طبیعی، شامل پنتان و ترکیبات سنگین‌تر از آن، پنتان+ اتانول و حلال‌های تولید شده از بیوماس۱ مانند متیل تترا هیدروفوران۲ است. از بوتان نیز برای برطرف کردن اشکال دیر روشن شدن خودرو در هوای سرد، استفاده می‌شود.

سوخت‌های سری P مایعاتی شفاف، بیرنگ با عدد اکتان ۸۹ تا ۹۳ بوده و در خودروهای انعطاف‌پذیر در مقابل سوخت، قابل استفاده‌اند. این سوخت‌ها را می‌توان به‌صورت خالص و یا مخلوط با بنزین در هر نسبت دلخواه، مورد استفاده قرار داد.

▪ سوخت الکتریکی

الکتریسیته به‌عنوان سوخت خودرو، از طریق ذخیره در باتری‌های الکتریکی و خودروهای سلول سوختی (FCV) مورد استفاده قرار می‌گیرد. باتری‌های خودروهای برقی ظرفیت محدودی دارند و باید با اتصال خودرو به یک منبع الکتریکی، شارژ شوند. الکتریسیته موردنیاز برای شارژ باتری‌ها را می‌توان از شبکه نیروی برق یا منابعی قابل تجدید همچون خورشید و انرژی باد، تأمین کرد.

خودروهای سلول سوختی، الکتریسیته تولید شده حاصل از ترکیب هیدروژن و اکسیژن در سلول سوختی را مورد استفاده قرار می‌دهند. الکتریسیته به دست آمده از سلول‌های سوختی، عاری از هرگونه آلودگی بوده و از خودروهایی که این نوع سوخت را مورد استفاده قرار می‌دهند، تنها بخار آب خارج می‌شود.

سلول‌های سوختی برخلاف باتری‌ها که منبع ذخیره انرژی به حساب می‌آیند، انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. در واقع الکتریسیته، بهترین سوخت جایگزینی است که انرژی مکانیکی لازم، به طور مستقیم از آن به‌دست می‌آید.

● پیل سوختی

بهترین سیکل حرارتی کاربردی که تاکنون مورد استفاده بشر قرار گرفته است، سیکل ترکیبی برایتون رانکین۳ است که در نیروگاه‌های حرارتی تولید برق مورد استفاده قرار گرفته و بازده آن نزدیک به ۴۵ درصد است. امروزه، بشر به فناوری جالب پیل سوختی به‌عنوان جانشینی بسیار مناسب برای موتورهای درونسوز می‌اندیشد.

پیل سوختی، سیستمی الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. کارایی بالای این سیستم، حاصل دوری جستن از سیکل کارنو۴ یا چرخه تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی است که مطابق آن، بازده موتورهای درونسوز نمی‌تواند بیشتر از ۲۰ تا ۳۰ درصد باشد.

● هیبرید الکتریکی

مشکلات زیست محیطی کلان از یک سو و تنگناهای ناشی از سوخت و انرژی از سوی دیگر، درخواست افزایش بازده مصرف انرژی و کاهش هرچه بیشتر آلاینده‌های محیطی را به طوری جدی مطرح ساخته است.

پس از انقلاب، خودروهای متداول با موتورهای درونسوز، از طریق نصب اگزوزهای کاتالیزوری، تقریباً به نقطه اوج تکنولوژی رسیده‌اند، اما از لحاظ تئوری و عملی، سرعت بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش آلاینده‌های آن کند شده است. این در حالی است که این خودروها تا مرز استانداردهای زیست‌محیطی و استانداردهای جهانی مصرف سوخت در حال تدوین، فاصله دارند.

بتازگی بحثی نو و جدی تحت عنوان خودروهای برقی هیبرید مطرح شده است که ایده اصلی آن، ترکیب موتور ژنراتور احتراقی با خودروی الکتریکی است که به واسطه آن، برد و کارایی خودرو تا حد خودروی درونسوز معمولی بالا می‌رود و کاهش چشمگیر آلاینده‌ها و مصرف سوخت را به‌همراه دارد. تحولات صورت پذیرفته در خودروهای هیبرید و سیستم قوای محرکه خودرو، در منابع تخصصی تشریح شده‌اند.

● جمع‌بندی

اهمیت به‌کارگیری سیستم‌های هوشمند حمل و نقل و فناوری‌های نو، همچنین استفاده از سوخت‌های جایگزین و به تبع آنها، تولید خودروهای سازگار با این سوخت‌ها، بررسی شد. تمامی این موارد می‌توانند در راستای کاهش مصرف سوخت در صنعت خودرو، مؤثر باشند. البته تأثیر هر یک از آنها، یکنواخت نیست اما با توجه به میزان مصرف سوخت در کشور، به نظر می‌رسد که می‌بایستی به هر کدام از آنها به‌طور جدی توجه شود.

نویسنده : کاوه بختیاری

پانوشت‌ها

۱. BIOMASS

۲. (MTHF)

۳. Brayton- Rankine

۴. Carno Cycl

منابع

۱. معصومی نژاد، امین (۱۳۸۳) سیستم‌های حمل و نقل هوشمند و کاربرد آن. پایان‌نامه کارشناسی مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد دزفول.

۲. وحدانی‌فر، محمد (۱۳۸۴) مکس پاور، max power پایان‌نامه کارشناسی مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد دزفول.

۳. پور خلیلی، محمد (۱۳۸۴) تکنولوژی قوای محرکه جایگزین در خودرو، پایان‌نامه کارشناسی مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد دزفول.

۴. Social implication of Nanoscience and Nanotechnology, National Science Foundation Report, March, ۲۰۰۱.

۵. ITS Handbook ۹۹, World Road Association (PIARC), Paris, ۱۹۹۹.