به گزارش «اخبار خودرو»،لازمه به‌حرکت در آوردن جسم دینامیکی مانند خودرو، ایجاد نیروی نسبتا زیادی است. تامین این نیروی لازم از ماحصل احتراق یا انفجار سوخت فسیلی در اتاق‌های محبوس‌شده‌ای به‌نام سیلندر امکان‌پذیر است و بیش از 80 درصد نیروگاه‌های خودروها را موتورهای احتراق‌داخلی پیستونی تشکیل می‌دهند. به‌صورت کلی پیشرانه‌ها به دو دسته احتراق‌داخلی و احتراق‌خارجی تقسیم می‌شوند؛ اما موتور خودروهای ما از نوع احتراق‌داخلی است. بنابراین دو مولفه قدرت و گشتاور همواره در راستای تامین نیروی لازم برای به‌حرکت در آمدن خودرو بسیار مهم است. بر این اساس در این مطلب شما را با عواملی که در ایجاد قدرت و گشتاور موتور سهیم هستند، آشنا خواهیم کرد تا بدانید قدرت در موتورهای احتراق‌داخلی پیستونی براساس فرآیند و پروسه خاص خود تولید می‌شود.

پیشینه موتورهای احتراق‌داخلی
نخستین‌موتور احتراقی در سال 1680 میلادی توسط یک آلمانی به‌نام هویگنس طراحی شد. در این موتور قدرت با استفاده از انفجار باروت تولید می‌شد. البته تئوری سیکل کاری موتورهای احتراقی، نخستین‌بار توسط کارنو در سال 1824میلادی ابداع شد. او نخستین کسی بود که در این زمینه کارهای علمی زیادی انجام داد و تئوری‌های مربوط به‌موتورهای احتراقی را پایه‌گذاری کرد. پس از آن تلاش‌های بسیار زیادی در راستای طراحی موتورهای احتراقی شکل گرفت که یکی از مهم‌ترین‌ آن‌ها، موتوری بود که توسط لونیر در سال 1860 میلادی طراحی شد. مکانیزم این موتور مشابه موتورهای بخار بود. با این تفاوت که به‌جای بخار از گازهای حاصل از احتراق استفاده شده بود. گام مهم دیگری که در سال 1867 میلادی برداشته شد، طراحی نخستین‌موتور احتراق‌داخلی چهار زمانه توسط نیکلاس اتو بود. این مهندس آلمانی پایه‌گذار تئوری موتورهای اشتعال جرقه‌ای است که امروزه درخودروهای سواری کاربرد زیادی دارد. درحقیقت اساس کارکرد موتورهای بنزینی خودروها همان موتور اتو است که با شکل به‌روزشده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نوع آرایش موتور و قرارگیری پیستون‌ها

موتورهای نصب‌شده در خودروهای بنزینی و دیزلی را موتورهای احتراق داخلی یا Internal Combustion Engine می‌نامند. در موتورهای احتراق‌داخلی، احتراق درون محفظه‌ای بسته و محدود به‌نام محفظه احتراق Combustion Chamber شکل می‌گیرد. به‌همین دلیل به‌این دسته از موتورها، موتورهای درون‌سوز نیز گفته می‌شود. در فرآیند احتراق، سوخت با اکسیژن موجود در هوا ترکیب شده و با تبدیل شدن به‌محصولات احتراق، مقدار زیادی نیز انرژی آزاد می‌شود که سبب افزایش فشار و درنهایت افزایش حجم گازهای حاصل از احتراق می‌شود. همین انرژی عامل تولیدکننده قدرت مکانیکی است. توجه داشته باشید که در موتورهای احتراق‌داخلی خود سیال عامل (مخلوط هوا و سوخت) درسیکل موتور می‌سوزد و به‌صورت کلی چهار نوع موتور احتراق‌داخلی پیستونی در خودروها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
1-موتور خطی (ردیفی)
این مدل یکی از ساده‌ترین و متداول‌ترین حالت‌هایی است که در اکثر خودروها از آن استفاده می‌شود. در مدل خطی، صرفا یک میل‌لنگ وجود دارد که تمام پیستون‌ها توسط شاتون به‌آن متصل شده‌اند. به‌همین دلیل موتورهای خطی دارای حجم مناسب و مکانیزم ساده‌ای هستند که یک مزیت برای آن‌ها محسوب می‌شوند.
2-موتور V شکل (خورجینی)
هنگامی که تعداد سیلندرهای موتور زیاد است، معمولا از ساختار V شکل استفاده می‌شود. هرچند که موتور شش‌سیلندر خطی نیز وجود دارد، اما فلسفه موتورهایی با آرایش V برای تعداد سیلندر بالا و کسب راندمان بیش‌تر است. در مدل V شکل، سیلندرها در دو ردیف قرار می‌گیرند و به‌منظور فراهم آمدن امکان اتصال شاتون کلیه سیلندرها به‌یک میل‌لنگ مشترک، سیلندرها به‌صورت متمایل قرار می‌گیرند. به‌طوری که سیلندرهای روبه‌روی هم با یکدیگر زاویه 60 الی 90 درجه می‌سازند. در این حالت اگر از نمای جلو به‌موتور نگاه کنیم، موتور به‌شکل V دیده می‌شود. اگرچه کمپانی‌هایی مانند فراری موتورهای V 120درجه‌ای نیز طراحی کرده‌اند، اما اساس این موتورها همانند یکدیگر است. در موتور با ساختار V شکل به دلیل متمایل بودن سیلندرها، ارتفاع موتور کمتر است. طول موتور نیز خیلی زیاد نیست. اما پهنای موتور از پهنای موتورهای خطی بیش‌تر است. مکانیزم موتورهای V شکل به‌گونه‌ای طراحی شده که حرکت پیستون در سیلندرهای مقابل هم برعکس است. این موضوع یعنی هنگامی که یک پیستون بالا می‌رود، پیستون سیلندر مقابل پایین می‌آید. اغلب خودروهای اسپرت از موتور V شکل برخوردارند.

3-موتور خوابیده (خورجینی تخت)
موتور خوابیده حالت خاصی از موتورهای خورجینی است و در این حالت نیز سیلندرها در دو ردیف قرار گرفته‌اند. اما زاویه بین سیلندرهای روبه‌روی هم 180 درجه است. از میان موتورهای خوابیده می‌توان به‌پیشرانه پورشه 911، محصولات سوبارو و تویوتا GT86 اشاره کرد.
4-موتور W شکل
در مواردی که تعداد سیلندرها خیلی زیاد است (مانند پیشرانه بوگاتی 16سیلندر یا پیشرانه 12 سیلندر آئودی A8) از این حالت استفاده می‌شود.
در این مدل، سیلندرها درچهار ردیف قرار دارند و شاتون هر دو سیلندر روبه‌روی یکدیگر به‌یاتاقان گرد میل‌لنگ متصل می‌شود. در این مدل معمولا دو عدد میل‌لنگ وجود دارد که شاتون نیمی از سیلندرها به‌یک میل‌لنگ و بقیه به‌میل‌لنگ دیگر متصل می‌شود. قدرت تولیدشده در میل‌لنگ‌ها درنهایت از طریق یک محور مشترک به‌خارج از موتور منتقل می‌شود.
رابطه تعداد سیلندر بالا و قدرت بیشتر
به‌فضای محبوس‌شده‌ای که توسط پیستون از ناحیه پایین و به‌وسیله سوپاپ‌ها از ناحیه بالا احاطه شده است، سیلندر می‌گویند و به‌هر میزان که تعداد سیلندرها افزایش یابد، قدرت تولیدشده از موتور نیز بیش‌تر خواهد بود. مثال بارز این مساله دوچرخه است. اگر دوچرخه توسط یک فرد به‌حرکت در آید، پس از مدتی انرژی کمتری به‌رکاب‌ها برای تولید نیرو منتقل می‌شود. اما اگر دو نفر روی دوچرخه قرار بگیرند، نیروی بیش‌تری نیز تولید خواهد شد. همچنین یکی از مزیت‌های تعداد سیلندر بالا، استهلاک کمتر ناشی از ضربه و دورانی است که از سوی نیروی حاصل از احتراق به‌پیستون‌ها وارد شده و نهایتا به‌لنگ‌های میل‌لنگ وارد می‌شود. بر این اساس تعداد سیلندر بالا، توزیع وزن یکنواخت‌تری خواهد داشت و ارتعاش موجود در لنگ‌های میل‌لنگ نیز کاهش خواهد یافت. به‌همین دلیل پیشرانه هشت‌سیلندر می‌تواند حداکثر تا 1000 اسب‌بخار قدرت تولید کند؛ اما حداکثر توانی که پیشرانه سه‌سیلندر تولید می‌کند، 150 اسب‌بخار است.

سیستم پرخوران
سیستم پرخوران یا همان کمپرسورهای هوا که برای بهبود هوا رسانی به‌موتور طراحی شده‌اند، در دو دسته توربوشارژ و سوپرشارژ طبقه‌بندی می‌شوند و با وضع استانداردهای سخت‌گیرانه برای آلایندگی‌های تولیدی از موتورهای احتراق‌داخلی، پرخوران‌ها بیش از قبل مورد توجه قرار گرفته‌اند. سوپرشارژ یکی از پرخوران‌هایی است که بیش‌تر درمحصولات خودروسازان آمریکایی نصب می‌شود. این قطعه دارای فولی است که توسط تسمه به‌میل‌لنگ موتور متصل شده و با افزایش دور موتور و به‌گردش در آمدن فولی، هوای بیش‌تری به‌داخل سیلندر دمیده می‌شود تا قدرت موتور را افزایش دهد. اما پرکاربردترین سیستم پرخوران توربوشارژ است. توربوشارژ نیز مانند سوپرشارژ، وظیفه فشرده‌سازی هوای ورودی سیلندرها را برعهده دارد و با این کار راندمان حجمی موتور را افزایش می‌دهد. با این تفاوت که توربوشارژ انرژی مورد نیاز خود را از انرژی گازهای خروجی موتور (دود) می‌گیرد. به‌صورت متوسط با نصب توربوشارژ روی پیشرانه‌ها توسط مهندسان خودروساز به‌صورت اصولی بین 10 تا 100 اسب‌بخار قدرت به‌موتور اضافه می‌شود. هرچند کمپانی‌هایی مانند ب‌ام‌و و مرسدس‌بنز که تکنولوژی تویین‌توربو و بایتوربو را به‌این سیستم اضافه کرده‌اند، با قرار دادن دو توربوشارژ به‌صورت هم‌زمان، قدرتی بیش از 250 اسب‌بخار را به‌شکل فوق‌العاده به‌وجود می‌آورند.

پارامترهای مهم در طراحی موتور
آنچه در عملکرد موتور تاثیرگذار است و منجر به‌افزایش راندمان می‌شود به‌عوامل متعددی بستگی دارد. زیرا عوامل بسیاری در عملکرد یک موتور احتراق‌داخلی از زمان ورود هوا به‌داخل سیلندر تا مرحله آخر که تخلیه دود است، دخیل هستند. تایمینگ سوپاپ‌ها که امروزه سیستم‌های فوق‌پیشرفته‌ای هستند (از سیستم تایمینگ متغیر سوپاپ‌های هوشمند هوندا VTEC تا سیستم پیشرفته تایمینگ ‌سوپاپ‌های ب‌ام‌و ولوترونیک) در راستای افزایش راندمان موتور تعبیه شده‌اند و زمان باز و بسته شدن سوپاپ‌ها برای ورود هوا و خروج به‌موقع دود، جزو مهم‌ترین عوامل طراحی موتورهای پیستونی است. بنابراین با ورود این تکنولوژی به‌موتورهای احتراق‌داخلی تا حد زیادی شاهد افزایش راندمان آن‌ها بودیم. از سوی دیگر رابطه نسبت تراکم موتور با قطر و کورس پیستون مهم‌ترین مساله‌ای است که در افزایش قدرت تولیدی از موتور بسیار مهم به‌شمار می‌رود. به‌عبارت دیگر به‌هر میزان که بتوان نسبت تراکم را افزایش داد، راندمان موتور نیز به‌همان میزان افزایش خواهد یافت. این نکته را نباید فراموش کرد که در موتورهای احتراق‌داخلی بهینه‌سازی‌هایی در تاخیر ورود توربوشارژ به‌مدار، کاهش اینرسی گاز، متغیرسازی هوای ورودی به‌سیلندر و اصلاحات در مکانیزم مکانیکی قطعات مهم، منجر به‌این شده است که موتورهای احتراق‌داخلی بیش از قبل هوشمند و دقیق باشند و توان بیش‌تری نیز تولید کنند.