چرا سفرهای کوتاه با خودرو آلایندگی بیشتری دارند؟ راز چند دقیقه اول استارت زدن موتور

برای بسیاری از رانندگان، روشن کردن خودرو برای مسافتی چند کیلومتری کاملاً عادی است؛ مسیری کوتاه تا فروشگاه، مدرسه، محل کار یا حتی یک خرید روزانه؛ اما از دیدگاه فنی، خودروهای مجهز به موتور درون‌سوز در چند دقیقه ابتدایی فعالیت خود در شرایطی قرار دارند که میزان آلایندگی آن‌ها می‌تواند به‌مراتب بیشتر از زمانی باشد که موتور به دمای کاری رسیده است. به همین دلیل، سفرهای بسیار کوتاه، به‌ویژه زمانی که خودرو در فواصل کوتاه چند بار خاموش و روشن می‌شود، از نظر آلایندگی شرایط نامطلوبی ایجاد می‌کنند.

دلیل اصلی این مسئله را باید در پدیده‌ای به نام استارت سرد Cold Start جست‌وجو کرد؛ مرحله‌ای که موتور، روغن و مهم‌تر از همه سیستم کنترل آلایندگی هنوز به دمای مناسب عملکرد نرسیده‌اند.

هنگامی که موتور برای نخستین بار پس از چند ساعت خاموش بودن روشن می‌شود، دمای اجزای موتور و سیستم اگزوز تقریباً با دمای محیط یکسان است. در موتورهای بنزینی، این وضعیت باعث می‌شود تبخیر سوخت و تشکیل مخلوط هوا و سوخت در شرایط ایده‌آل انجام نشود. دمای پایین دیواره محفظه احتراق نیز می‌تواند به تشکیل لایه سوخت و احتراق ناقص‌تر در لحظات اولیه منجر شود.

از طرف دیگر، مبدل کاتالیستی یا همان کاتالیزور هنوز سرد است. کاتالیزور یکی از مهم‌ترین اجزای کنترل آلایندگی خودرو است و وظیفه دارد بخشی از آلاینده‌هایی مانند هیدروکربن‌های نسوخته، مونوکسید کربن و اکسیدهای نیتروژن را به ترکیبات کم‌ضررتر تبدیل کند.

اما این قطعه برای رسیدن به بازده مناسب به دمای بالا نیاز دارد. پژوهش‌های فنی نشان می‌دهند که پیش از رسیدن کاتالیزور به دمای ایده آل، راندمان تبدیل آلاینده‌ها پایین است و به همین دلیل بخش قابل‌توجهی از آلایندگی خودرو می‌تواند در دوره کوتاه پس از روشن شدن موتور ایجاد شود؛ بنابراین مشکل سفر کوتاه فقط این نیست که موتور برای چند دقیقه روشن است؛ مسئله مهم این است که ممکن است تقریباً تمام سفر در همان مرحله‌ای انجام شود که سیستم کنترل آلایندگی هنوز در بهترین شرایط خود قرار نگرفته است.

موتور و کاتالیزور برای رسیدن به دمای کاری به زمان و انرژی نیاز دارند. در یک سفر طولانی، بخش ابتدایی مسیر دوره گرم شدن خودرو محسوب می‌شود، اما پس از رسیدن موتور و سیستم اگزوز به شرایط کاری مناسب، سهم این دوره ابتدایی از کل مسافت طی شده کاهش پیدا می‌کند.

برای مثال، اگر خودرو در یک سفر ۵۰ کیلومتری چند دقیقه نخست را در شرایط استارت سرد سپری کند، آلایندگی ناشی از این مرحله در کل سفر پخش می‌شود؛ اما اگر همان خودرو تنها دو یا سه کیلومتر حرکت کند و خاموش شود، ممکن است قسمت قابل‌توجهی از کل سفر در دوره گرم شدن انجام شده باشد.

مطالعه‌ای که در EPA درباره استارت سرد منتشر شده، نشان می‌دهد پس از حدود سه تا چهار دقیقه کارکرد خودرو، موتور و کاتالیزور عموماً گرم‌تر شده و آلایندگی کاهش محسوسی پیدا می‌کند؛ البته مدت زمان گرم شدن به دمای محیط و شرایط خودرو وابسته است. این پژوهش همچنین بر اهمیت ترکیب سفرها برای جلوگیری از تکرار مداوم استارت سرد تأکید دارد. به همین دلیل، یک سفر بسیار کوتاه لزوماً به این معنا نیست که خودرو در مجموع سوخت زیادی مصرف کرده است؛ بلکه نکته مهم این است که آلایندگی تولیدشده به ازای هر کیلومتر می‌تواند بالا باشد.

واحد کنترل موتور در هنگام سرد بودن موتور باید شرایطی را مدیریت کند که با شرایط موتور گرم متفاوت است. در موتورهای بنزینی، کنترل دقیق نسبت هوا و سوخت، عملکرد سنسور اکسیژن و رسیدن کاتالیزور به دمای مناسب، همگی در کاهش آلایندگی اهمیت دارند.

در دوره استارت سرد، سیستم مدیریت موتور می‌تواند برای پایدار نگه داشتن احتراق و گرم کردن سریع‌تر کاتالیزور، استراتژی متفاوتی نسبت به حالت عادی داشته باشد. از سوی دیگر، همان‌طور که پژوهش‌های SAE توضیح می‌دهند، دمای پایین محفظه احتراق تبخیر سوخت را دشوارتر می‌کند و احتمال احتراق ناقص در این مرحله افزایش می‌یابد.

در نتیجه، آلاینده‌هایی مانند هیدروکربن های نسوخته و مونوکسید کربن در دقایق ابتدایی اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند. پژوهش‌های مهندسی خودرو نیز سال‌هاست که دوره سرد شدن و گرم شدن کاتالیزور را یکی از مهم‌ترین چالش‌های کنترل آلایندگی خودروهای احتراق داخلی می‌دانند.

دمای محیط نیز در این میان نقش مهمی دارد. هرچه هوا سردتر باشد، موتور و اجزای اگزوز برای رسیدن به دمای مناسب زمان بیشتری نیاز دارند؛ بنابراین در زمستان، سفرهای بسیار کوتاه می‌توانند شرایط نامطلوب‌تری ایجاد کنند.

در هوای سرد، روغن موتور نیز ویسکوزیته بالاتری دارد و تا رسیدن به دمای کاری، مقاومت داخلی موتور بیشتر است. ADAC نیز تأکید می‌کند که موتور سرد بیشترین میزان سایش را دارد و رسیدن موتور به دمای کاری اهمیت زیادی دارد. این سازمان همچنین هشدار می‌دهد که استفاده از بخاری بلافاصله پس از استارت می‌تواند در شرایط سرد، روند گرم شدن موتور را طولانی‌تر کند.

البته این موضوع به معنای گرم کردن خودرو در حالت درجا نیست. برعکس، ADAC توصیه می‌کند موتور برای گرم شدن، بی‌دلیل در حالت توقف روشن نماند و خودرو پس از روشن شدن، به شکل عادی و با رانندگی ملایم حرکت کند.

فرض کنید راننده صبح خودرو را روشن می‌کند و تنها دو کیلومتر تا مقصد حرکت می‌کند. خودرو خاموش می‌شود و چند ساعت بعد دوباره برای دو کیلومتر دیگر روشن می‌شود. در این شرایط، موتور در هر بار شروع به کار، دوباره باید فرآیند گرم شدن را طی کند. اگر فاصله بین دو سفر به اندازه‌ای باشد که موتور و کاتالیزور دوباره سرد شوند، مزیت گرم بودن سیستم از بین می‌رود و چرخه استارت سرد تکرار می‌شود.

به همین دلیل، از نظر آلایندگی بهتر است چند کار کوتاه و نزدیک به یکدیگر، در صورت امکان، در قالب یک سفر ترکیبی انجام شوند. این کار باعث می‌شود خودرو پس از رسیدن به دمای کاری، برای چند مقصد مختلف مورد استفاده قرار گیرد و تعداد دفعات استارت سرد کاهش پیدا کند. پژوهش‌های مرتبط با آلایندگی منابع متحرک نیز تجمیع سفرها را به‌عنوان یکی از راهکارهای کاهش سهم استارت سرد مطرح کرده‌اند.

نوع قوای محرکه نیز اهمیت زیادی دارد. خودروهای هیبریدی می‌توانند در شرایط مشخص، بخشی از مسیرهای کوتاه و حرکت‌های کم‌سرعت را با موتور الکتریکی طی کنند و موتور احتراق داخلی را در تمام مدت روشن نگه ندارند. این ویژگی می‌تواند تعداد و مدت فعالیت موتور احتراق داخلی در برخی سفرهای شهری را کاهش دهد.

در خودروهای هیبریدی مدرن نیز مدیریت حرارتی سیستم آلایندگی اهمیت زیادی دارد و فناوری‌هایی برای کاهش زمان رسیدن کاتالیزور به دمای مؤثر توسعه یافته‌اند. البته این موضوع به معنای آن نیست که تمام خودروهای هیبریدی در هر سفر کوتاهی فاقد آلایندگی هستند؛ بلکه ساختار قوای محرکه آن‌ها امکان مدیریت متفاوت انرژی و زمان فعالیت موتور احتراق داخلی را فراهم می‌کند.

پاسخ مطلق به این سؤال منفی است. نمی‌توان گفت هر سفر کوتاه الزاماً از هر سفر طولانی آلایندگی بیشتری دارد. میزان آلایندگی به عواملی مانند دمای محیط، مدت توقف خودرو، نوع موتور، وضعیت فنی، نوع سوخت، نحوه رانندگی، ترافیک، بار خودرو و عملکرد سیستم کنترل آلایندگی وابسته است.

آنچه از نظر فنی اهمیت دارد، آلایندگی به ازای مسافت طی شده است. در سفر کوتاه، مقدار مشخصی از آلایندگی استارت سرد روی مسافت کمی تقسیم می‌شود؛ درحالی‌که در سفر طولانی، همان مرحله اولیه سهم بسیار کوچک‌تری از کل مسیر را تشکیل می‌دهد.

بنابراین، اگر هدف کاهش آلایندگی خودرو است، برای مسافت‌های بسیار کوتاه می‌توان در صورت امکان از پیاده‌روی، دوچرخه یا حمل‌ونقل عمومی استفاده کرد. اگر استفاده از خودرو ضروری است، ترکیب چند مقصد نزدیک در یک سفر و کاهش تعداد دفعات روشن کردن موتور می‌تواند راهکار منطقی‌تری باشد.

سفرهای خیلی کوتاه به دلیل آنکه اغلب بخش عمده‌ای از مسیر را در دوره گرم شدن موتور و سیستم کنترل آلایندگی سپری می‌کنند، می‌توانند آلایندگی بیشتری به ازای هر کیلومتر ایجاد کنند. عامل اصلی این پدیده، استارت سرد و سرد بودن کاتالیزور است؛ قطعه‌ای که تا رسیدن به دمای مناسب، توانایی کامل خود برای تبدیل آلاینده‌ها را ندارد.

این مسئله در هوای سرد و در شرایطی که خودرو چند بار در طول روز برای مسافت‌های کوتاه روشن و خاموش می‌شود، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند؛ بنابراین، یکی از ساده‌ترین راهکارها برای کاهش اثر زیست‌محیطی خودرو، کاهش تعداد سفرهای بسیار کوتاه و ترکیب چند مقصد در یک مسیر است.

در نهایت، نکته مهم این است که خودرو برای کاهش آلایندگی تنها به موتور سالم نیاز ندارد؛ مدیریت صحیح نحوه استفاده از خودرو نیز اهمیت دارد. خودرویی که هر بار فقط چند کیلومتر حرکت می‌کند و پیش از رسیدن سیستم آلایندگی به شرایط کاری مناسب خاموش می‌شود، از نظر آلایندگی با خودرویی که یک سفر طولانی و پیوسته انجام می‌دهد، شرایط یکسانی ندارد.