عمر کوتاه یک پیستون‏ مسابقه ‏ای، پاشنه آشیل مزدا

مهندس کیوان بنی هاشمی/ «مجله ماشین» - در دور 52 مسابقه، ضربان قلب موتور از کار افتاده، روغن داخل آن روی سطح پیست مسابقه ریخته می‏شود و غباری داخل کابین را پر می‏کند. این سانحه‏ای است که برای مزدا6 با موتور دیزلی در پیست مسابقه دیتونا اینترنشنال روی داد. هر سه مزدای شرکت کننده در این مسابقه، دچار خرابی و از کار افتادگی شدند و ایراد همه آنها ناشی از داغ شدن بیش از حد پیستون‏ها بود که منجر به ذوب شدن آنها در داخل سیلندر می شد. این رویداد که در سال 2013 به وقوع پیوست، پایانی بود برای کمپانی مزدا و موتورهای مسابقه‏ای دیزلی آن؛ ولی بلافاصله پس از آن 60 تن از پرسنل فنی مزدا با جمع کردن تمامی تجهیزات برجای مانده، عازم ایالت فلوریدای آمریکا شدند تا به بررسی دقیق تر مسئله بپردازند.

اصولاً چرا خودروسازان مهم و معروف برای شرکت در مسابقات اتومبیلرانی، سرمایه‏گذاری می‏کنند؟ به‏عنوان یک ورزش، هزینه آن بالاست و برای تیم‏های مطرح، هزینه انجام این کار یعنی شرکت در مسابقات در طول یک فصل معادل هزینه یک برنامه فضایی است. 

برای اطلاع از میزان سرمایه‏گذاری جالب است بدانید که در سال 2014 هزینه گروه فولکس‏واگن برای شرکت دادن آئودی و پورشه در مسابقات 24 ساعته لمان فرانسه، بالغ بر یک میلیارد دلار بوده است. در جایی دیگر شاهد تعطیلی کارخانه ها آن هم فقط چند هفته پس از کسب موفقیت و قهرمانی در مسابقات اتومبیلرانی هستیم. اتفاقی که برای کمپانی کرایسلر بعد از موفقیت مدل وایپر در مسابقات Tudor(TUSCC) روی داد. پس واضح است که اصطلاح «یکشنبه برنده شو و دوشنبه بفروش» دهه ها است که دیگر واقعیت ندارد.

البته هنوز این تفکر که پیست مسابقه ثابت کننده استقامت خودرو است وجود دارد و گفته می‏شود که هر یک کیلومتر از پیست مسابقه، معادل هزار کیلومتر حرکت در مسیرهای بزرگراهی و اتوبانی است، چرا که از نقطه نظر مکانیکی، دشواری یک مسابقه اتومبیلرانی استقامت مانند لمان فرانسه واقعاً باور نکردنی است. 

در یک مسابقه مانند دیتونا که 24 ساعت به طول می‏انجامد، صدها هزار احتراق در پیستون‏ها و سیلندرها روی می‏دهد و گرمای غیرقابل تصوری همراه با اصطکاک و تنش به آن ها وارد می‏شود و طول مسیری که طی می‏شود چندین هزار کیلومتر و شاید به اندازه دور کره زمین است. 

همین چالش منجر به عدم موفقیت سه مدل مسابقه‏ای مزدا در مسابقات دیتونای 2 سال پیش شد. این خودروساز ژاپنی که ارتباطات نزدیکی با برگزارکنندگان مسابقات در آمریکا دارد، به جانشینی برای مدل قهرمان خود، RX-8 مجهز به موتور وانکل که تولید آن در سال 2011 متوقف شد نیازمند بود. مزدا 6GX روی همان شاسی فضایی و فولادی RX-8 شکل گرفته و در ساخت موتور 2/2 لیتری آن تا میزان 51 درصد از قطعات موجود استفاده شده بود که از جمله آنها می‏توان به بلوک بالایی موتور، بدنه پائینی موتور، درپوش تایمینگ جلویی و سرسیلندر اشاره کرد. 

کمپانی مزدا در زمینه این که تا چه میزان می‏توان از قطعات تولیدی انواع غیرمسابقه‏ای در این موتور مسابقه‏ای استفاده کرد از یکی از معروف‏ترین دست‏اندرکاران تست مسابقات خودرو مشورت گرفته بود. او در پاسخ گفته بود که بهترین کار، کنار گذاشتن آن موتور و نصب یک موتور مسابقه‏ای با قطعاتی سفارشی است که متأسفانه مزدا به این پیشنهاد عمل نکرد.

بعضی از خودروسازان از انتقال تکنولوژی زیاد می گویند، اما شما حتی نمی‏توانید یک پیچ از موتورهای دیزلی آنها باز کرده و آن را در موتورهای مسابقه‏ای مورد استفاده قرار دهید، ولی شرکت‏هایی مانند Speed Source قادر به انجام این کار هستند. 

یک خودروی مسابقه‏ای معمولاً در یکی از دو حالت زیر است: یا از کار افتاده (البته در حین انجام مسابقه) و یا در شرف از کار افتادن است. برای درک کامل یک مسابقه اتومبیلرانی باید ابتدا یک مدیریت جامع در خصوص مبحث از کار افتادن و بروز عیب مورد بررسی قرار گیرد. برای این منظور باید اتفاقات روی داده در یک فصل مسابقه تحلیل شود. در مورد یک خودروی مسابقه‏ای، یکی از مهم‏ترین اجزاء موتور، پیستون آن بوده که قطعه‏ای فلزی به اندازه یک مشت دست است.

در دوم ژانویه 2013 (24 روز قبل از شروع مسابقه دیتونا) پیستونی با نام اختصاری BO3 به مرکز مزدا در اسپید سورس رسید. این پیستون نتیجه یک طراحی یک ماهه برای ارتقاء پیستون استاندارد مزدا و مورد استفاده قرار دادن آن برای مسابقه بود. 

بعد از آنکه مباحث گرمایی و سازه‏ای آن با کمک شبیه‏سازها نهایی شد، فایل CAD آن به یک قطعه‏ساز در ایالت کالیفرنیا ارسال شد و این قطعه‏ساز اقدام به ساخت پیستون با استفاده از بیلِت فرجکاری شده آلومینیم کرد. 

بعد از دریافت پیستون‏ها یکی از مهندسین آن را وارد فرایند نیم ساعته کنترل کیفیت کرد و ابعاد حساس آن را با استفاده از یک نرم افزار مهندسی معکوس مورد بازرسی قرار داد. در هفتم ژوئن پیستون‏های BO3 روی موتور با مشخصات 5005 نصب شد.

چندین روز بعد و در حضور ده‏ها هزار علاقه‏مند مسابقات، پیستون BO3 به‏دلیل دمای وحشتناک داخل موتور ذوب شد و موتور خودروی مسابقه‏ای از کار افتاد. پس از آن، بدون این که تحقیقی روی مزدای شماره 70 انجام گیرد، به اسپید سورس انتقال پیدا کرد تا طی یک دوره 5 روزه از آن بازرسی کامل به عمل آید. یکی از اقدامات برش دادن پیستون برای انجام آزمایش سختی در نقاط مختلف آن بود. جمع‏آوری نتایج این آزمایش‏ها و تحقیقات 6 هفته به طول انجامید. 

براساس این نتایج مشخص شد که طراحان موتور باید فشار سیلندر را پائین آورده و قابلیت خنک کنندگی آن را ارتقاء می دادند که هر دوی آنها ارتباطی به طرح پیستون نداشت، ولی امیدوار بودند با چنین تغییراتی، شاهد ذوب شدن مجدد پیستون‏ها نباشند.

به گزارش پایگاه خبری «مجله ماشین»، تلاش‏هایی دیگر نیز در خصوص پائین آوردن دمای مخلوط ورودی و همینطور خروجی و کالیبره کردن مجدد سامانه تزریق سوخت، آن هم از طریق استفاده از 2 یا 3 نازل تزریق به جای یکی انجام گرفت.

به منظور پایین آوردن فشار بر پیستون، اقدام به انجام تغییراتی در تنظیم موتور و منحنی تولید نیرو توسط آن شد که البته در تولید حداکثر نیرو تغییری حاصل نشد، ضمناً دمای داخل سیلندر نیز اندکی کاهش پیدا کرده و برای آنکه حداکثر بازدهی از آن دریافت شود، تغییراتی در مدیریت کنترل موتور به انجام رسید تا ضمن به حداکثر رساندن قابلیت اطمینان از عملکرد آن از میزان کارآیی موتور کمتر کاسته شود. علیرغم همه این تلاش ها، این تغییرات در عملکرد خودرو تأثیر فاحشی داشت؛ به ‏طوری‏که در مسابقات تگزاس و در کلاسی که فقط 3 شرکت‏کننده حضور داشتند، مزدا مقام‏های دوم و سوم را به‏دست آورد.

پیستون اصلاح شده و تغییر شکل یافته در سوم ماه می، به محل شرکت رسید و یکی از مسؤولین فنی به این جمع‏بندی رسید که از کار افتادگی پیستون‏های BO3 ناشی از خستگی حرارتی بوده و به‏دلیل انجام محاسبات غلط در شبیه سازی‏های اولیه بروز کرده است. چون پیستون اولیه برای خودروهای مسافرتی طراحی و ساخته شده بود و مدل مسابقه‏ای آن برای شرکت در رقابت‏ها مورد آزمایش قرار نگرفته بود، بنابراین شرکت اسپید سورس با بهره‏گیری از استانداردهای مختلف صنعتی به‏عنوان نقاط راهنما در طول انجام آزمایش‏ها، اقلامی را به‏دست آورد که نشان می‏داد میزان گرم شدن قطعات مختلف موتور در حین انجام مسابقات دست کم گرفته شده است.

تحقیقات نشان داد که درجه حرارت اگزوز در مزدای شماره 70 به حدود 648 تا 704 درجه سانتی‏گراد رسیده بود و حداکثر فشار سیلندر به 248 بار و دمای پیستون قبل از آنکه از کار بیفتد، به بیش از 398 درجه سانتی‏گراد رسیده بود (برای اطلاع بد نیست بدانید که حداکثر فشار سیلندر در یک خودروی توربو دیزلی به حدود 200 بار می‏رسد)، البته به‏طور کلی فشار سیلندر در موتورهای دیزلی، به مراتب بالاتر از موتورهای بنزینی بوده که همین امر باعث بالاتر بودن راندمان آنها می‏شود، اما در عین حال روی پیستون‏ها فشار وارد می‏آید و فشار بالاتر یعنی گرمای بیشتر.

در طرح جدید پیستون، شکل تاج تغییر پیدا کرده که تأثیر آن افزایش پایداری و کاهش اندک راندمان بود، همچنین از دو جت روغن برای هر پیستون به منظور توان سرمایش بیشتر و یک پوشش سرامیکی در بخشی که در مجاورت محفظه احتراق قرار داشت، به عنوان مانعی برای جلوگیری از انتقال حرارت استفاده شده بود.

تغییرات هندسی باعث پائین آمدن ضریب کمپرس موتور شد ، چرا که فشار داخل سیلندر و به دنبال آن دمای آن کاهش پیدا کرده بود. کمپانی مزدا با چنین پیستونی برای موفقیت و قهرمانی در 9 مسابقه باقیمانده فصل 2013 خیز برداشت.

متأسفانه فصل مسابقات 2014 یک شکست کامل برای مزدا بود چون مجدداً مشکل گرمای بیش از حد برای سرسیلندر، دامن‏گیر آنها شد و هیچ یک از خودروهای این خودروساز شرقی نتوانست جزء 5 خوردوی اول در پایان خط مسابقه باشد و ساخته های مزدا در 9 مسابقه از 11 مسابقه حتی نتوانستند به خط پایان برسند. 

مخاطبان پایگاه خبری «مجله ماشین» از این پس می‌توانند مهم‌ترین اخبار روز خودروسازی ایران و جهان را در اسرع وقت روی تلفن‌ همراه و رایانه خود دریافت کنند.

جهت عضویت از طریق لـیـنـک زیر وارد کانال پایگاه خبری «مجله ماشین» شوید و گزینه join (پیوستن) را بزنید. 

telegram.me/machine_magazine