همه چیز درباره نحوه عملکرد موتور خودروها

حتما بارها شده به این فکر کنید که خودرو چگونه حرکت می‌کند؟ یا به طور مشخص، موتور خودرو چطور کار می کند؟ چطور ممکن است با سوختن بنزین در موتور، چرخ های خودرو به حرکت درآیند؟ قطعات اصلی موتور خودرو کدامند؟ ارتباط کیفیت سوخت با عملکرد خودرو چیست؟ این مطلب را تا انتها بخوانید تا طرز کار موتورهای متداول امروزی را به طور کامل باهم بررسی کنیم، در این مطلب به معرفی انواع موتورهای درون سوز، مهمترین اجزای موتور، روند خنک کاری موتورها و بالاخره نحوه کارکرد موتور خودروها پرداخته ایم؛ همچنین در انتها به توضیح مفهوم ضریب تراکم و رابطه کیفیت سوخت و کارکرد موتور خودرو نیز اشاره کرده ایم.

موتور درون سوز یا احتراق داخلی

به طور کلی هر موتوری که در آن مخلوط سوخت و اکسید کننده(معمولا اکسیژن هوا) در داخل یک محفظه بسته (محفظه احتراق) واکنش داده و محترق می شوند موتور درون سوز یا احتراق داخلی می گویند، پیشرانه های احتراق داخلی از نظر ساختار و نحوه عملکرد انواع مختلفی دارند، اما مهم‌ترین و متداول‌ترین نوع آنها مو تورهای احتراق داخلی پیستونی یا رفت و برگشتی است که امروزه تقریبا در اکثر خودروها استفاده می‌شود، این نوع موتورها نیز خود در اشکال و چینش‌های متفاوتی ساخته می شوند و با سوخت‌هایی نظیر بنزین، گازوییل و اتانول کار می‌کنند، اما اجزا و طرز عملکرد تمام آنها با یکدیگر مشابه است.

اجزای اصلی موتور خودرو

برای توضیح مراحل مختلف کارکرد موتورهای درون سوز ابتدا لازم است با اصلی ترین قسمت های این موتورها آشنا شوید؛ اجزای اصلی این موتورها شامل سیلندر،  پیستون، سوپاپ، سرسیلندر، شاتون، میللنگ و فلایویل می‌باشد که در ادامه توضیحی اجمالی در مورد هر قطعه خواهیم داد.

1.     سیلندر
   

سیلندرها عملا قسمت اصلی موتورهای درون سوز هستند، سیلندر در واقع محیطی برای حرکت پیستون است که پیستون در داخل آن حرکت رفت و برگشتی خود را انجام می دهد و از این رو سطح سیلندرها را با کمترین سایش ممکن طراحی می کنند.

قسمت ابتدایی هر سیلندر محفظه احتراق نام دارد، این قسمت محوطه ای است که عمل فشرده سازی و احتراق در آن صورت می گیرد. با بالا و پایین رفتن پیستون، محفظه احتراق تغییر اندازه می دهد. نقطه مرگ پایین پیستون و بالای سیلندر، حداکثر و حداقل حجم محفظه را مشخص می کنند. اختلاف این دو حجم را حجم موتور می نامند که با مقیاس لیتر یا سی سی (سانتیمتر مکعب) سنجیده می شود.

2.     پیستون :
   

پیستون استوانه‌ای توخالی است که در سیلندر حرکت می‌کند، البته معمولا قطر پیستون در سطح پایینی (سطح باز) مقداری جزئی کمتر از سطح بالایی آن طراحی می‌شود.

پیسون با انجام عمل رفت و برگشتی درون سیلندر موتور، کار متراکم کردن مخلوط سوخت و همچنین خروج دود از محفظه سیلندر پس از احتراق را انجام می دهد، حرکت خطی پیستون درون سیلندر موجب تولید نیرو در موتور و انتقال انرژی ایجاد شده از احتراق به میللنگ می شود. هر پیستون در هر سیکل کاری موتور دوبار حرکت می کند!

در موتورهای چهار سیلندر، پیستون ها طوری تنظیم می شوند که هر کدام در یک مرحله از مراحل احتراق باشند. مثلاً اگر یک سیلندر در مرحله ورود سوخت باشد، سه سیلندر بعدی به ترتیب در مراحل تراکم، احتراق و خروج دود قرار دارند.

3.     شاتون

شاتون اهرمی است که پیسون ها را به میللنگ متصل می‌کند و عامل تبدیل حرکت رفت و برگشتی پیستون به حرکت دوار میللنگ است. شاتون ها دو سر دارند، سر کوچک‌تر به پیستون و سر بزرگ‌تر آن‌ها به میللنگ متصل می شود. یاتاقان ها نیز بین شاتون و میللنگ قرار می گیرند تا مانع اصطکاک زیاد بین این دو قطعه باشد.

4.     میل لنگ:

میل‌لَنگ میله ای با طراحی خاص در موتورها است که حرکت خطی پیستون‌ها را تبدیل به حرکت دورانی می‌کند.

میل لنگ ها دارای لنگ‌ها یا نقاط اتصال ثابت و متحرکی می‌باشند، لنگ‌های ثابت به وسیله یاتاقان‌ ثابت روی بلوک موتور بسته می‌شوند و فقط حرکت چرخشی دارند و به همین جهت به این نام خوانده می‌شوند. لنگ‌های متحرک اما علاوه بر حرکت چرخشی حرکت دورانی هم دارند و به وسیله یاتاقان های متحرک به شاتون متصل می‌شوند؛ به این ترتیب حرکت رفت و برگشت پیستون که کورس پیستون نامیده می‌شود به حرکت دورانی تبدیل می‌شود.

در قسمت جلویی میل لنگ یک دنده‌ وجود دارد که به وسیله زنجیر یا تسمه تایم میل سوپاپ‌ها را نیز می چرخاند. نیروی چرخش واتر پمپ، دینام، پمپ هیدرولیک و کمپرسور کولر نیز از طریق اتصال تسمه ها به فولی میللنگ تامین می شود.

در سر دیگر میللنگ نیز فلایویل بسته می شود.

5.     فلایویل:

فلایویل در قسمت انتهایی میل لنگ بسته می‌شود تا دیسک و کاور کلاچ روی آن بسته ‌شوند، فلایویل نیروی میللنگ را به گیربکس و سپس به چرخ ها منتقل می کند.

بنا بر آنچه در برخی منابع ذکر شده، میل‌لنگ نخستین بار توسط یک ایرانی به نام بدیع‌الزمان جزری (۱۱۳۶–۱۲۰۶) در سال ۱۲۰۰ میلادی اختراع شده است، وی از میل‌لنگ در دستگاه های بالا بردن آب استفاده کرده‌بود.

6.     سرسیلندر:

قسمتی از موتور است که سوپاپ ها و میل سوپاپ را در خود جای می دهد، سر سیلندر بر روی بخش بالایی موتور نصب می شود و فضای موتور را تکمیل می کند.

7.     سوپاپ:

سوپاپ ها قطعاتی قارچی شکل در موتور هستند که روی سرسیلندر بسته می شوند و وظیفه باز و بسته کردن مجرای ورودی هوا و سوخت و مجرای خروج دود را بر عهده دارند.

سوپاپ‌ها وظیفه دارند تا در زمان‌ مناسب ابتدا مخلوط سوخت و هوا را وارد سیلندر کرده و پس از آن در مراحل تراکم و قدرت (احتراق سوخت) بسته بمانند و سپس در مرحله تخلیه، گازهای ناشی از احتراق را از سیلندر خارج کند.

• میل سوپاپ یا میل بادامک

زمانبندی و تنظیم زمان‌های باز شدن یا بسته ماندن سوپاپ‌ها با قطعه‌ای به نام میل بادامک یا میل سوپاپ انجام می‌شود؛ زمان باز و بسته شدن سوپاپ‌ها باید با حرکات بالا و پایین رفتن پیستون در سیلندر، کاملاً هماهنگ باشد، از این رو میل سوپاپ از طریق تسمه یا زنجیر تایم با میللنگ در ارتباط است.

موتور 4 زمانه خودرو چگونه کار می‌کند؟

حال که با اجزای اصلی موتور آشنا شدیم بهتر می توان از مراحل و چگونگی کارکرد موتور احتراق داخلی مطلع شویم، به طور کلی موتور اکثر خودورهای امروزی از نوع موتورهای 4 زمانه هستند، به این ترتیب که سیکل کارکرد کلی موتور به چهار مرحله یا سیکل تقسیم می‌شود .

1_مکش

2_تراکم

3_ قدرت

4_تخلیه

مراحل تولید قدرت در موتورهای احتراق داخلی و یا درون سوز 4 زمانه

سیکل اول، مکش :

در مرحله مکش پیستون شروع به حرکت اولیه رو به پایین می‌کند، در این مرحله سوپاپ هوا یا دریچه ورودی سوخت درسیلندر باز می‌شود تا مخلوط سوخت و هوا وارد محفظه سیلندر شود.

سیکل دوم، تراکم (فشرده سازی):

در این مرحله پس از بسته شدن سوپاپ یا دریچه هوا، پیستون از پایین به سمت بالا ( سرسیلندر ) حرکت می‌کند .در این حالت مخلوط سوخت و هوا در یک فضای بسیار کوچک جمع شده و متراکم می شود و در انتها به وسیله جرقه شمع ها سوخت متراکم شده مشتعل می‌شود.

سیکل سوم، قدرت (انفجار) :

در این سیکل مخلوط سوخت و هوای مشتعل شده، با شدت منفجر می‌شود، با این انفجار نیرو و فشار زیاد ایجاد شده در محفظه احتراق باعث می‌شود پیستون با شدت به سمت پایین حرکت کرده و یک نیم دور میل لنگ را بچرخاند که باعث چرخیدن فلایویل و سپس انتقال قدرت به گیربکس می‌شود.

سیکل چهارم، تخلیه :

در این سیکل پیستون از پایین ترین نقطه به طرف بالا حرکت می‌کند، همچنین سوپاپ های دود نیز باز می شوند و  به این ترتیب دودهای حاصل از احتراق، از سیلندر خارج می شود.

پس از طی شدن این چهار مرحله که طی دو دور چرخش میل لنگ انجام شده، یک چرخه موتور چهار زمانه انجام شده است و برای ادامه یافتن تولید توان، این چرخه دوباره به همین ترتیب از مرحله اول تکرار می شود.

اکثر موتورهای امروزی بیشتر از یک سیلندر دارند که در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند، لازم به ذکر است که این مراحل در همه سیلندرها به صورت همزمان اتفاق نمی‌افتند، مثلا در یک موتور 4 سیلندر،همواره هر کدام از سیلندرها در یکی از این مراحل هستند.

نسبت تراکم چیست؟

زمانی که مخلوط بنزین و هوا توسط پیستون به داخل سیلندر و محفظه احتراق مکیده شدند، تا حد مشخصی متراکم می شوند، و میزان متراکم شدن این مخلوط با عددی به نام نسبت تراکم مشخص می گردد، به نسبت حجم محفظه‏ ی سیلندر در زمانیکه پیستون در پایینترین سطح خود قرار دارد به حجم این محفظه در زمانیکه پیستون در بالاترین سطح خود قرار دارد نسبت تراکم می گویند. بعنوان مثال اگر نسبت تراکم موتوری ۱۰ به یک باشد، بدین معناست که حجم مخلوط سوخت و هوای موجود در سیلندر در لحظه‏ ی انفجار (حداکثر تراکم) یک ‏دهم حجم آن در پیش از آغاز عمل تراکم است. (نسبت تراکم در برخی موتورهای قدیمی حدود ۵ به ۱ یا بالاتر بود، اما امروزه و در موتورهای پیشرفته تا 14.5 به ۱ افزایش یافته است)

رابطه نسبت تراکم و عدد اکتان

هرچه ضریب تراکم موتور خودرو بالاتر باشد، به سوخت با عدد اکتان (ضریب خودسوزی) بالاتری نیز نیاز است، در صورتی که عدد اکتان سوخت موجود در باک خودرو پایین تر از حد مورد نیاز موتور خودرو باشد، پدیده مخرب ناک اتفاق می افتد!

ناک چیست؟ منظور از ناک زدن ( ضربه زدن ) موتور چیست؟

اگر عدد اکتان سوخت مورد استفاده پایینتر از حد مجاز باشد، مخلوط سوخت و هوا که ماده ای با قابلیت اشتعال بالاست زودتر از رسیدن پیستون ها به نقطه مرگ بالا و زده شدن جرقه توسط شمع منفجر می شود (بخاطر متراکم شدن و دمای بالا)؛ در این شرایط موتور دچار کوبش (Knock) خواهد شد که این مساله برای موتور بسیار مضر است.(پیستون سعی در بالا آمدن دارد، اما در اثر انفجار زود هنگام مخلوط درون سیلندر، نیرویی با شدت از سمت بالا به آن ضربه می زند)

دراثر ناک زدن، دمای محفظه احتراق خودرو بالا می‌رود، به سوپاپ ها فشار وارد می شود و در اثر ضربه و حرارت،خطر ذوب شدن، شکستن و یا سوراخ شدن پیستون وجود دارد. این موضوع در خودروهای مجهز به سیستم پرخوران (توربو و سوپر شارژ) به دلیل تراکم هوای ورودی به موتور و همینطور دمای بالاتر آن، اهمیت بسیار بیشتری دارد.

رابطه نسبت تراکم و ناک زدن موتور

هرچقدر نسبت تراکم پیشرانه بیشتر باشد، احتمال وقوع پدیده ناک افزایش خواهد یافت. از طرفی یکی از راههای بالا بردن قدرت و بازده موتور خودروها همچنین کاهش آلایندگی، بالابردن نسبت تراکم آنهاست. تنها راه افزایش نسبت تراکم موتور در کنار دوری از خطرناک زدن، افزایش دادن توان مقابله سوخت در برابر خودسوزی، یا همان بالا بردن عدد اکتان سوخت است. 

در مقاله‌ی اکتان چیست؟ هر آنچه باید درباره اکتان و مکمل های سوخت بدانید؛ تفاوت بنزین سوپر و معمولی، به صورت کامل به موضوع حساسیت موتور خودروها به کیفیت سوخت، عدد اکتان، تفاوت های انواع بنزین موجود در کشور و اکتان بوستر ها و مکمل های سوخت موجود در بازار کشور پرداخته ایم.