مقالات
موتور خودرو چگونه کار می کند؟
فروردین
برای اکثر افراد خودرو تنها وسیله ای برای جابه جایی است، اما چه چیزی باعث این جابه جایی است؟ یا اگر در هتگام خرید ماشین با کلماتی مانند موتور 2.5 لیتری، توربوشارژ یا فناوری استارت استاپ روبه رو شده اید به چه معنا هستند؟ موتور چیست و چگونه کار می کند؟ برای اینکه به این سوالات پاسخ دهید، پیشنهاد می کنیم این مقاله را تا انتها بخوانید.
به طور خاص، یک موتور احتراق داخلی یک موتور حرارتی است که انرژی حاصل از گرمای سوختن بنزین را به کار مکانیکی یا گشتاور تبدیل می کند. این گشتاور به چرخ ها اعمال می شود تا ماشین حرکت کند. فرقی نمیکند چه برندی را برای سواری انتخاب می کنید، تمامی آن ها با همین سازوکار باعث حرکت چرخ های خودرو می شوند و بر اساس همین اصول اولیه کار می کنند.
دو نکته قابل توجه:
- موتورهای احتراق داخلی انواع مختلفی دارند. موتورهای دیزلی یک نوع و موتورهای توربین گازی نوع دیگری هستند. هر کدام مزایا و معایب خود را دارند.
- موتور احتراق خارجی نیز وجود دارد. موتور بخار در قطارها و قایق های بخار قدیمی بهترین نمونه از موتورهای احتراق خارجی است. سوخت (زغال سنگ، چوب، روغن) در موتور بخار در خارج از موتور می سوزد و بخار ایجاد می کند و بخار باعث ایجاد حرکت در داخل موتور می شود. احتراق داخلی بسیار کارآمدتر از احتراق خارجی است، به علاوه یک موتور احتراق داخلی بسیار کوچکتر است.
در ادامه به فرآیند احتراق داخلی با جزئیات بیشتری نگاه کنیم.
موتور احتراق داخلی
نحوه عملکرد موتور احتراق داخلی: اگر مقدار کمی سوخت با چگالی انرژی بالا (مانند بنزین) را در یک فضای کوچک و بسته قرار دهید و آن را مشتعل کنید، مقدار باورنکردنی انرژی به شکل گازِ در حال انبساط آزاد می شود. که می توان از آن انرژی برای اهداف جالب استفاده کرد.
به عنوان مثال، اگر بتوانید چرخه ای ایجاد کنید که انفجارهایی مانند این را صدها بار در دقیقه ایجاد کند، درصورتیکه بتوانید انرژی آزاد شده را به روشی مفید مهار کنید، آنچه دارید هسته موتور یک خودرو است.
تقریباً هر خودرویی با موتور بنزینی از چرخه احتراق چهار زمانه برای تبدیل بنزین به حرکت استفاده می کند. رویکرد چهار زمانه به افتخار نیکولاس اتو که در سال 1867 آن را اختراع کرد به عنوان چرخه اتو نیز شناخته می شود. این چرخه شامل:
- مکش :مخلوط هوا و سوخت از طریق دریچه ی ورودی توسط مکش حاصل از حرکت
- تراکم: همه ی دریچه ها بسته می شوند و پیستون به سمت بالا حرکت می کند تا مخلوط متراکم شود.
- احتراق: جرقه زده می شود و سوخت متراکم شده اشتعال م یابد و پیستون دوباره
- تخلیه: پیستون باز به بالا حرکت می کند و دریچه ی تخلیه باز میشود در این هنگام گاز حاصل از سوخت می تواند تخلیه شود.
- مرحله ی مکش
در موتور احتراق داخلی ابتدا پیستون در نقطه ی مرگ بالایی قرار میگیرد و با باز شدن دریچه ی ورودی هوا و سوخت و پایین آمدن پیستون تا نقطهی مرگ پایینی، مخلوط سوخت و هوا به درون سیلندر مکیده میشود. - مرحله ی تراکم
در این مرحله دریچه های ورودی و خروجی در موتور کاملا بسته میشوند و با حرکت پیستون به سمت نقطه ی مرگ بالایی، مخلوط درون سیلندر متراکم میشود و از حجم آن کاسته و به فشار آن اضافه میشود. - مرحله ی تولید توان
هنگامی که پیستون در موقعیت مرگ بالایی واقع شد، توسط شمع تعبیه شده در بالای سیلندر، جرقه زده میشود و انرژی شیمیایی محتویات درون سیلندر توسط فرآیند احتراق آزاد میشود. این جرقه و آزاد شدن انرژی باعث حرکت پیستون به سمت پایین و در نهایت سبب چرخش محور اصلی خودرو و تولید توان در موتور میشود. - مرحله ی خروج دود
در آخرین مرحله، دریچه ی خروجی کاملا باز میشود و پیستون از موقعیت مرگ پایینی به سمت نقطه ی مرگ بالایی حرکت میکند. در نتیجه گازهای حاصل از احتراق درون سیلندر در موتور احتراق داخلی از طریق اگزوز خارج میشوند.
بعد از این مرحله، موتور برای چرخه بعدی آماده است، بنابراین بار دیگر ترکیبی از هوا و سوخت را دریافت می کند. و این چرخه در هرثانیه بارها تکرار می شود.
در یک موتور، حرکت خطی پیستون ها توسط میل لنگ به حرکت دورانی تبدیل می شود و این حرکت دورانی باعث چرخش چرخ های خودرو می شود.
موتورها دارای پیستون هایی هستند که در داخل لوله های فلزی به نام سیلندر به سمت بالا و پایین حرکت می کنند. آنچه این پیستون ها را بالا و پایین می کند هزاران انفجار کنترل شده کوچک است که در هر دقیقه رخ می دهد و از مخلوط کردن سوخت با اکسیژن و مشتعل کردن مخلوط ایجاد می شود.
نحوه عملکرد موتور خودرو
در موتورهای احتراق داخلی احتراق را با استفاده از گرما به وجود می‌آورند. در موتور خودرو مسئول تولید گرما بر عهده شمع خودرو است.
جرقه در موتور خودرو باید در زمان مناسبی زده شود، تا مخلوط متراکم شده سوخت و هوا در بهترین زمان و به صورت کامل سوخته شود. وظیفه تنظیم زمان جرقه در خودروهای قدیمی بر عهده دلکو بود؛ که با استفاده از تجهیزات مکانیکی این کار را با توجه به دور موتور انجام می‌داد.
همانگونه که می‌دانید باتری خودرو از نوع ۱۲ ولت می‌باشد؛ که برای تولید جرقه قدرتمندی که بتواند به خوبی مخلوط سوخت و هوا را محترق کند انرژی لازم را ندارد. به همین دلیل در سیستم جرقه زنی از کوییل استفاده میشود.
همچنین می توانید مقاله انواع باتری ماشین را نیز مطالعه نمایید.
برق به موتور استارتر منتقل شده و میل لنگ شروع به چرخش می کند. میل لنگ از طریق شاطون ها به پیستون ها متصل است. با چرخش میل لنگ، با توجه به نظمی که طراحی آن دارد، اتفاقات زیر به طور هزمان رخ می دهند:
در ویدیو زیر نحوه عملکرد خودرو به خوبی نشان داده شده است.
- پیستون ها به حرکت در می آیند.
- میل سوپاپ که از طریق تسمه تایم (یا زنجیر) به میل لنگ متصل شده، به چرخش در می آید.
- چرخش میل سوپاپ، با نظم و زمان بندی خاصی، سوپاپهای سر هر یک از سیلندر ها را باز و بسته می کند.
- با چرخش میل لنگ، سنسور مغناطیسی میل لنگ تحریک شده و ECU، پمپ بنزین را به کار انداخته و بنزین را به پشت نازلهای سوخت می رساند.
- ECU، پیام جرقه زدن را به کوئل و شمع ها ارسال می کند.
- پیستون هایی که به سمت پایین حرکت می کنند، در اثر ایجاد مکش، هوا و بنزین را به داخل سیلندر می کشند. با ادامه حرکت و رسیدن پیستون به پایین ترین حد خود، میل سوپاپ، سوپاپهای ورودی بنزین و هوا را می بندد.
- هنگام بالا آمدن پیستون، کلیه سوپاپ های سیلندر بسته هستند (خروجی دود ، و ورودی بنزین و هوا)، مخلوط بنزین و هوا متراکم شده و با جرقه شمع انفجار صورت می گیرد.
- نیروی حاصل از این انفجار، پیستون را به سمت پایین فشار داده و میل لنگ را می چرخاند.
- در ادامه، پیستون دوباره به سمت بالا می آید و سوپاپ های خروج دود باز شده و دود حاصل از احتراق از محفظه سیلندر خارج می شود.
- وقتی پیستون به بالاترین حالت خود رسید، برای تکرار فرایند آماده می شود .
- مشابه همین مراحل، برای کلیه پیستون ها اتفاق می افتد، با حرکت پیستون به سمت پایین در اثر انبساط گاز در موتور اتومبیل تبدیل به حرکت پیچشی محور شده و با انتقال این حرکت توسط گیربکس به چرخ ها باعث حرکت خودرو خواهد شد.
اجزای موتور خودرو
حال که نحوه عملکرد موتور را توضیح دادیم لازم است بدانیم اجزای آن هرکدام چه کاری انجام میدهند و نقش هریک از آنها در این چرخه چیست؟
سیلندر
هسته موتور سیلندر است که پیستون در داخل سیلندر بالا و پایین می رود. موتورهای تک سیلندر برای بیشتر ماشین های چمن زنی استفاده می شوند، اما معمولاً اتومبیل ها بیش از یک سیلندر دارند (چهار، شش و هشت سیلندر معمول هستند). بر حسب نوع موتور، سیلندرها شمار و ترتیب قرارگیری مختلفی دارد.
- ترتیب قرارگیری خطی: در این مدل سیلندرها پشت سرهم و در یک خط چیده شده است. موتورهای ۴ سیلندری از این نوع چینش بهره می‌برد. در واقع باید گفت امروزه از این مدل آرایش سیلندر در موتور اکثر اتومبیل‌ها استفاده میشود.
- ترتیب قرارگیری زاویه‌دار: در این مدل سیلندرهای خطی باتوجه‌به زاویه قائم با ۱۵ تا ۶۰ درجه واقع میشود. در این مدل چینش موتور اتومبیل از مرکز ثقل کمتری به‌دلیل فضای مورب داخل سیلندرها برخوردار است.
- ترتیب قرارگیری V شکل یا همان چینش خورجینی: در این نوع سیلندرها در دو ردیف خطی به‌صورت V در روبه‌روی هم واقع میشود. با این چینش معمولاً موتور اتومبیل‌ها نیاز به ۱۲ سیلندر دارد.
شمع موتور
شمع جرقه ای را تامین می کند که مخلوط هوا/سوخت را مشتعل می کند تا احتراق رخ دهد. جرقه باید در لحظه مناسب اتفاق بیفتد تا همه چیز به درستی کار کند.
سوپاپ
سوپاپ که یکی از قطعات خودرو است، شامل دو دسته میشود که یک دسته سوپاپهای ورودی (هوا) و دیگری سوپاپهای خروجی (دود) است که موظف به جداسازی اتاقک احتراق از کانال‌های هوا و دود است. گاهی بر روی بلوک سیلندر و گاها روی واشر سر سیلندر قرار میگیرد و بایستی ورود سوخت و هوا به درون سیلندر و در عین حال خروج گازهای ایجادشده از احتراق را از داخل آنها کنترل کند.
دریچه های ورودی و خروجی در زمان مناسب باز می شوند تا هوا و سوخت وارد شوند و دودها خارج شوند. توجه داشته باشید که هر دو سوپاپ در هنگام فشرده سازی و احتراق بسته می شوند تا محفظه احتراق پلمپ شود.
پیستون
پیستون یک قطعه فلزی استوانه ای شکل است که در داخل سیلندر به سمت بالا و پایین حرکت می کند که با حرکت به سمت بالا به پایین جرقه‌زنی و احتراق کامل میشود و باعث منبسط‌شدن گازهای ایجادشده از احتراق میشود. پیستون مسئول انتقال نیروی حاصل از احتراق گازهای در حال انبساط در درون سیلندر است که به‌وسیله یک میله رابط (همان شاتون) به میل‌لنگ در موتورها متصل است؛ ولی در پمپ‌ها و کمپرسورها داستان برعکس است، یعنی انرژی از میل‌لنگ به پیستون انتقال می‌یابد تا باعث فشرده‌شدن و یا دفع مایع درون سیلندر شود.
رینگ پیستون
رینگ پیستون، حلقه ای از جنس چدن با قابلیت انعطاف پذیری بالا ساخته شده که مقاومت بالایی در برابر حرارت دارد و از این جهت می توانند حرکت درون سیلندر ها را عایق بندی کنند. رینگ پیستون که از قطعه هام مهم در عملکرد مناسب موتور می باشد، به وسیله بست های حلقه ای روی پیستون سوار شده اند.
رینگ پیستون دو وظیفه اصلی دارد:
- از نشت مخلوط سوخت/هوا و اگزوز در محفظه احتراق در حین فشرده سازی و احتراق به داخل مخزن جلوگیری می کنند.
- هدایت روغن درون سیلندر و پیشگیری از نفوذ آن به محفظه احتراق
شاتون
شاتون پیستون را به میل لنگ متصل می کند. می تواند در دو انتها بچرخد به طوری که با حرکت پیستون و چرخش میل لنگ زاویه آن تغییر کند.
شاتون ضمن برقراری این ارتباط حرکت عمودی (رفت و برگشتی) پیستون را به حرکت چرخشی یا دورانی تبدیل میکند. همچنین انرژی لازم برای حرکت پیستون به سمت بالا را جهت ایجاد تراکم بین مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق، به آن منتقل میکند. شاتون نیروی لازم به منظور حرکت دادن پیستون را از میل‌لنگ دریافت میکند. بنابراین شاتون وظیفه انتقال نیرو بین میل‌لنگ و پیستون و بالعکس را بر عهده دارد. علاوه بر اینکه این نیرو را ضمن انتقال به حالت چرخشی یا عمودی تبدیل میکند. شاتون عمل تبدیل نیروی چرخشی به عمودی و بالعکس را به کمک یاتاقان انجام می‌دهد.
میل لنگ
این قطعه در موتورهای احتراق داخلی یکی از مهم‌ترین قطعات موتور خودرو می‌باشد. حرکت خطی پیستون‌ها به‌وسیله این قطعه تبدیل به حرکت دورانی میشود؛ یعنی این میل‌لنگ است که نیروی ایجادشده بر اثر حرکت رفت و برگشت پیستون را تبدیل به حرکت چرخشی جهت دوران و حرکت چرخ‌ها می‌نماید. تعداد میل لنگ‌ها با تعداد سیلندرهای خودرو ارتباط دارد به طوری که در موتورهای خطی برابر با تعداد سیلندرها و در موتورهای خورجینی نصف تعداد سیلندرها می باشد.
انواع مختلف موتور
درست است که اساس کار تمامی موتورهای احتراق داخلی مشابه است اما استثنا و تفاوت های جزیی در بین برخی از مدل های آن ها نیز وجود دارد.
موتورهای چرخه اتکینسون
تفاوتی که موتورهای اتکینسونی با موتورهای چرخه اتو دارند در این است که زمان باز ماندن سوپاپ هوا نسبت به چرخه اتو بیشتر است. این تفاوت سبب می شود مقداری از مخلوط سوخت و هوای واردشده، هنگام شروع تراکم توسط پیستون، از سیلندر و از همان مسیری که وارد شده است خارج شود. به این ترتیب مخلوط سوخت و هوای کمتری مشتعل می شود و به دنبال آن مصرف سوخت نیز کاهش می یابد. به همین علت از این چرخه بیشتر در موتور خودروهای هیبرید (Hybrid) مانند تویوتا پریوس استفاده می شود تا مصرف سوخت را کاهش دهند.
موتورهای توربو شارژر
این موتور کمپرسوری است که وظیفه آن فرستادن میزان بیشتری از هوا به درون پوسته احتراق است و این کار در نتیجه موجب سیستم جرقه‌زنی و بهبود فرایند احتراق میشود و در آخر افزایش بازدهی موتور میشود. اتلاف انرژی در این نوع موتورها بسیار پایین است و شرکت‌های خودروسازی که میزان مصرف سوخت خودرو و بازدهی بالای موتورها مدنظرشان است، معمولاً از این نوع موتور بهره می‌برند.
موتورهای سوپر شارژر
کاربرد اصلی این نوع موتورها استفاده آنها در خودروهای مسابقه‌ای و خودروهایی است که با سرعت بالا حرکت می‌کنند. وظیفه این موتورها افزایش فشار هوای ورودی به میزانی پیش از فشار جو است و انرژی مکانیکی را از طریق میل‌لنگ نیرو و با استفاده از تسمه و زنجیر دریافت میکند. این نوع سیستم با واردکردن هوای بیشتری به درون محفظه احتراق، وضعیت تنفس خودرو را بهبود می‌بخشند که این موجب به افزایش شتاب و سرعت میشود.
انژری مورد نیاز برای سوپرشارژر توسط تسمه ای که مستقیماً به موتور متصل است تامین می شود. سوپرشارژر هوایی که فشار اتمسفر دارد را فشرده می کند. در ادامه این هوا را با فشار به داخل موتور می فرستد. همین امر باعث می شود تا احتراق بیشتر شود و در نتیجه قدرت موتور در دستگاه های مولد برق مانند دیزل ژنراتور افزایش یابد.
موتور دیزلی
موتور دیزلی به این صورت است که ابتدا هوا وارد سیلندر می شود، سپس به وسیله پیستون هوا به شدت در سرسیلندر متراکم می شود و سپس بعد از داغ شدن بسیار شدید هوا در این نقطه، سوخت به درون هوای داغ شده پاشش می شود و منفجر شده سپس پیستون را به سمت پایین حل می دهد .در این صورت میل لنگ چرخیده و فلایویل را می چرخاند، در این لحظه خودرو شروع به حرکت کردن می کند.
این موتورها به‌واسطه استفاده از سوخت‌هایی چون گازوئیل، موتورهای دیزلی نامیده میشوند و از آن جایی که سیستم جرقه‌زنی ندارند و برای تولید نیروی بیشتر، نیاز به هوای بسیار بیشتر دارند، معمولاً یک سیستم توربو شارژ را سوار بر خود دارند.
