موتور بنزینی درونسوز چگونه نیرو تولید می‌کند؟
به موتورهای درونسوز بنزینی، موتور‌های چهار زمانه گفته می‌شود چرا که روال تولید قدرت در آنها شامل چهار مرحله پیوسته “مکش هوا”، “تراکم هوا و تزریق سوخت”، “انفجار مخلوط سوخت و هوا پس از جرقه شمع” و نیز “تخلیه دود” است.

در مرحله سوم یعنی انفجار مخلوط سوخت و هوا (با کمک جرقه شمع)، این انفجار نیروی شدیدی ایجاد کرده و با برخورد به سر پیستونها به نوبت آنها را به پایین میراند و نتیجتا موجب دوران میل‎لنگ می‌شود. این نیرو در سمت میل لنگ به نیروی گرداننده یا “گشت آور” (اصطلاح انگلیسی Torque) معروف است. همین نیروی دورانی است که منشا اصلی ایجاد حرکت خودرو و شتاب و کشش در آن می شود.

واحد گشتاور در سیستم بین المللی SI برحسب نیوتن بر متر (N.M) است. در واقع مقدار گشتاور میگوید، چند نیوتن نیرو توسط پیستون با فرض در نظر گرفتن طول ۱ متر برای قطر میل لنگ بر سر میل لنگ اعمال می‌شود.

دلیل اینکه با فشردن پدال گاز توسط راننده دور موتور افزایش می‌یابد نیز بسیار ساده است؛ با فشردن پدال گاز، دریچه هوای ورودی بیشتر باز شده و با افزایش پاشش بنزین به نسبت ورود هوای بیشتر، در نتیجه انفجار مخلوط سوخت و هوا قویتر شده پیستون را سریعتر به پایین هل می‌دهد. این موارد در کنار هم باعث افزایش سرعت دوران میل لنگ یا همان دور موتور می‌شود.

همانطور که عنوان شد با افزایش دور موتور تزریق سوخت و مکش هوا بیشتر شده و در نتیجه نیروی ضربه زننده به پیستون افزایش می‌یابد (افزایش گشتاور). این نیرو بسته به طراحی موتور و مدل تنفس آن، تا محدوده خاصی از دور موتور افزایش یافته و به حداکثر میزان خود میرسد. بعد از این محدوده از دور موتور، نیروی گشتاور بدلایلی مانند کاهش فرصت مکش هوا، کاهش نسبی قدرت انفجار مخلوط سوخت و هوا و نیز کاهش دقت زمان جرقه در دور بالا، دچار افت شده و تدریجا رو به کاهش میگذارد. لذا گشتاور پس از رسیدن به قله، با شیب مشخصی کاهش می‌یابد، اما صفر نمی‌شود.

سرنشینان خودرو افزایش گشتاور تولیدی موتور هنگام شتاب گیری را، بصورت حس افزایش در میزان کشش خودرو حس می‌کنند.

اکثر موتورهای تنفس طبیعی (بدون سیستم توربو) در محدود ۲۵۰۰ تا ۵۰۰۰ به حداکثر مقدار گشتاور خود میرسند.

به عنوان نمونه در موتور TU۵، بر اساس طراحی مشخصی که دارد گشتاور از دور موتور آرام ۷۵۰ تا دور موتور ۴۰۰۰ به حداکثر میزان خود می‌رسد و پس از این دور به مرور دچار افت قدرت مکش هوا و کاهش دقت زمان جرقه و در نتیجه گشتاور تولیدی میگردد.

اندازه گیری گشتاور تولیدی موتور
نیروی گشتاور تولید شده توسط موتور بر روی چرخ‌های خودرو، توسط دستگاهی به نام Dynamometer یا به اختصار “داینو” مستقیما قابل اندازه گیری است. این اندازه گیری با قرارگیری چرخ‌های محرک خودرو روی دستگاه داینو و قرار دادن خودرو در دنده‌ای که معمولا ضریب نزدیک به عدد ۱ دارد صورت میگیرد تا نیروی گشتاور تولیدی موتور به نسبت ۱ به ۱ و بدون تغییر توسط گیربکس، روی چرخ‌ها اندازه گیری شود.

البته بخشی از نیروی گشتاور تولیدی توسط میل لنگ موتور پس از انتقال به گیربکس (از طریق صفحه دواری به نام فلایویل) در اثر اصطکاک صفحات کلاچ و مقاومت بین چرخ‌دنده های گیربکس و تولید گرما تلف می‌گردد. لذا نیروی گشتاوری که به چرخها می‌رسد گاها تا ۱۵ درصد کمتر از میزان تولیدی توسط موتور است.

به عنوان نمونه حداکثر گشتاور تولیدی موتور TU۵ مقدار ۱۴۲ نیوتن بر متر است که توسط کارخانه و با کمک تجهیزات خاص روی میل لنگ آن اندازه گیری شده است. در صورتیکه در تست های عملی پژو ۲۰۶ با همین موتور روی دستگاه داینو، حداکثر گشتاور انتقالی به “چرخ‌ها” کمتر از ۱۳۰ نیوتن بر متر اندازه گیری میشود.

دقت کنید که مقدار گشتاوری که در مشخصه های موتور اعلام می‌شود حداکثر میزان آن و در دور موتور خاصی است، لذا موتور خودرو همواره این میزان از گشتاور را تولید نمی‌کند.

بهتر است موتور خودرو بیش از ۸۰ درصد توزیع نیروی گشتاور خود را در دامنه بزرگی از دور موتور حفظ کند تا اینکه سریعا یک گشتاور حداکثری در یک محدوده کوچک تولید کرده و سپس دچار افت سریع گشتاور شود. این مورد به نوع مهندسی و طراحی موتور و مدل تنفس آن مستقیما وابسته است.

نمودار گشتاور واقعی (آبی) و توان محاسبه ای (قرمز) یک موتور فرضی

توان اسب بخار (Horsepower) چیست؟
توان موتور (Power) به “سرعت انجام کار در فاصله مشخص در زمان مشخص” معروف است. کاری که اینجا از آن صحبت میشود، جابجایی وزن خودروست.

بگذارید قبل از توضیح مثالی بزنیم. اگر به شما گفته شود یک موتور تنفس طبیعی در ۴ هزار دور در دقیقه حداکثر گشتاوری معادل ۲۱۵ نیوتن بر متر تولید میکند، اما موتوری دیگر در ۳ هزار دور در دقیقه ۲۳۵ نیوتن گشتاور را ایجاد میکند، چگونه میتوان متوجه شد کدام موتور در دامنه کارکرد خود در کشش وزن خودرو قویتر عمل میکند؟ آیا اینکه موتوری قدرت انفجاری بیشتری در درون خود تولید کند (گشتاور بیشتر) به معنای توان بالاتر آن است؟ در ظاهر جواب مثبت است. اما واقعیت تا حدی با این جواب تفاوت دارد.

برای پاسخ دقیق به این سوال لازم است نمودار دقیق گشتاور تولیدی موتور غیر از دور حداکثری، در دورهای مختلف را نیز در اختیار داشتیم . به عبارت بهتر هر کدام از موتورها که در مقایسه مستقیم در هر دور گشتاور بیشتری تولید کند برنده میدان است. (مساحت بیشتر زیر نمودار گشتاور، معادل توزیع بهتر نیرو)

همانطور که متوجه شدید اینکه توزیع نیروی گشتاور در دور موتورهای مختلف چگونه و با چه شیبی صورت گیرد تا منجر به انجام کار جابجایی وزن خودرو در واحد زمان شود اهمیت بیشتری نسبت به حداکثر مقدار نیروی گشتاور تولیدی موتور در یک دور مشخص دارد.

اما بجای نمودار، برای رسیدن به جواب سوال بهتر است فاکتور توان موتور مطرح شود.

توان یک موتور در هر دور، در عمل با میزان تولید گشتاور با ضریب دور موتور مرتبط است که منجر به انجام کار جابجایی وزن خودرو در واحد زمان میشود. به عبارت ساده تر، تغییرات آهنگ تولید گشتاور با سرعت دور موتور است که تعیین کننده شتاب نهایی در هنگام دور گرفتن موتور خودرو است نه صرفا حداکثر میزان گشتاور تولیدی موتور در دوری خاص.

مقدار محاسبه شده توان با واحد اسب بخار در واقع تاثیر هر دو فاکتور “نیروی گشتاور” و “دور موتور” (تعداد دفعات اعمال گشتاور) را در خود دارد. یعنی گاها “گشتاور کمتر با آهنگ دور بالاتر” میتواند نسبت به “گشتاور بیشتر با آهنگ دور موتور کمتر”، در جابجایی وزن بهتر عمل کند!

از آنجاییکه “جیمز وات” دانشمند اسکاتلندی در قرن ۱۸ ام، سعی بر تعیین قدرت موتورهای بخار بر اساس توان اسب بارکشی داشت، این واحد یعنی “اسب بخار” برای اندازه گیری توان موتورهای درونسوز باقی ماند.

۱ اسب بخار توان، معادل بلند کردن ۷۵ کیلوگرم بار تا ۱ متر توسط اسب بارکش در ۱ ثانیه است!

امروزه تقریبا برای اندازه گیری قدرت اکثر موتورها از واحد بین المللی وات استفاده میشود (هر کیلووات ۱۰۰۰ وات است). در محاسبات فیزیک هر ۷۵۰ وات، معادل توان یک اسب بخار است. واحد اسب بخار امروزه دیگر تنها برای محاسبه توان موتورهای درونسوز در خودروها استفاده میشود.

فرمول کلی و خلاصه شده محاسبه توان به صورت زیر است. در فرمول ذیل کافیست، گشتاور اندازه گیری شده در هر دور موتور، در آن دور موتور ضرب شده و بر عدد ۹۵۶۵ تفسیم شود.

کافیست برای تبدیل توان کیلووات حاصل از فرمول فوق به اسب بخار (HP)، آنرا در ۱.۳۴۱ ضرب کنیم.

در مجموع احتمالا حدس  زده اید که چه اتفاقی افتاد!

دستگاه داینو که در بخش قبل توضیح دادیم نیروی گشتاور انتقالی موتور به چرخ ها در دورهای مختلف را اندازه گرفته و بر اساس فرمول فوق اسب بخار آن را نیز محاسبه کرده و در نموداری دیگر نمایش می‌دهد. لذا نیروی گشتاور نیروی واقعی و توان اسب بخار مقداری محاسباتی برای مقایسه موتورهاست.

پس با کمک دستگاه داینو شما هم نمودار نیروی گشتاور را در دورهای مختلف در اختیار دارید و هم نمودار محاسبه شده میزان کاری که آن گشتاور موتور می تواند روی وزن خودرو انجام دهد.

به نمودار توان و گشتاور تصویر ارائه شده در بخش قبل مجددا نگاهی بیاندازید. موتور از همان دورهای ابتدایی با کمک قدرت انفجار سوخت، بیش از ۵۰ درصد نیروی گشتاور خود را ارائه میکند و این مقدار با افزایش دور موتور به حداکثر خود رسیده و سپس با شیب مشخصی کاهش می‌یاید، اما توان موتور مضربی از گشتاور بوده و با دور موتور شدیدا وابستگی دارد. لذا نمودار توان از مقادیر کم از دور موتور ۱۰۰۰ آغاز شده و با شیب زیادی به دورحداکثر توان رسیده و سپس بدلیل کاهش شدید گشتاور از یک دور موتور مشخص رو به کاهش میگذارد.

در صورتیکه این موتور، گشتاور بیشتری در محدوده ۱۰۰۰ تا ۶۰۰۰ دور ارائه میکرد (حالت ایده آلتر)، شیب افزایش نمودار توان بسیار بیشتر شده و حداکثر میزان آن نیز افزایش چشمگیری می‌یافت. نتیجتا موتور نیز در این شرایط قویتر عمل خواهد کرد. برای اینکار می‌توان از قطعه ای بنام توربوشارژر جهت تنفس بهتر و انفجار قویتر در مرحله انفجار استفاده نمود که می‌تواند گشتاور تولیدی را از همان دورهای پایین افزایش داده و تا دورهای بالای موتور آن را حفظ نماید.

مقایسه موتورهای مختلف
بگذارید برای درک بهتر مطالب گفته شده یک مثال کلی و یک مثال واقعی را بررسی کنیم. میخواهیم بدانیم با کمک دو معیار حداکثر توان و حداکثر گشتاور که کارخانه ها به اعلام آن اکتفا میکنند، چگونه می‌توان موتورهای مختلف را مقایسه نمود.

در مثال اول دو خودرو با وزن یکسان و گیربکس های دقیقا مشابه را در نظر بگیرید. خودروی اول موتوری با حداکثر گشتاور تولیدی ۲۱۰ نیوتن متر در دور ۳۰۰۰ و توان ۱۴۰ اسب بخار در دور ۵۵۰۰ و خودروی دوم موتوری با حداکثر گشتاور ۱۹۰ نیوتن در دور ۳۵۰۰ و توان ۱۵۶ اسب در دور موتور ۵۵۰۰ دور در دقیقه را در درون خود دارند. فرض کنید هر دو خودرو دقیقا در دنده ۴ و دور موتور ۳۰۰۰ به شیبی نسبتا تند رسیده و شروع به بالا رفتن می‌کنند. بنا بر مفهوم گشتاور و توان محاسبه شده مطابق آن، کدام خودرو در کشش سربالائی تا انتهای مسیر بهتر عمل خواهد کرد؟

همانطور که گفته شد، هر چقدر شیب تولید نیروی گشتاور توسط موتور ملایم تر افزایش و کاهش پیدا کند، نمودار توان اسب بخار با شیب بیشتری افزایش یافته و حداکثر توان بیشتری نیز حاصل خواهد شد. حال در فاصله بین دور موتور ۳۰۰۰ تا ۵۵۰۰ برای این دو موتور چه اتفاقی می‌افتد؟ خودروی دوم اگر چه حداکثر گشتاور کمتری تولید می‌کند، اما توان اعلامی بیشتر آن، نسبت به موتور اول نشان از آن دارد که این موتور گشتاور خود را بطور مناسبی تا ۵۵۰۰ دور حفظ کرده و کشش بهتری ارائه خواهد کرد.

در مورد موتور اول نکته جالب شروع حرکت در ابتدای سربالائی است که به دلیل تولید توان بالاتر در دور ۳۰۰۰ ابتدا کمی پیش خواهد افتاد اما به تدریج با بالا رفتن دور موتور و افت میزان گشتاور و درنتیجه پایین تر بودن توان محاسبه ای تا دور ۵۵۰۰ نسبت به موتور دوم، آهنگ شتابگیری آن در سربالائی کندتر از موتور دوم خواهد بود.

در مثال دوم از نمونه واقعی استفاده خواهیم کرد.

به عنوان یک نمونه مشخص یک موتور TU۵، در ۵۸۰۰ دور در دقیقه به حداکثر توان محاسباتی ۱۰۵ اسب بخار دست پیدا می‌کند.

مطابق رابطه عنوان شده، در موتور TU۵ اگر گشتاور تولید شده در دور موتور ۵۸۰۰ دور در دقیقه افزایش پیدا کند، توان آن نیز افزایش خواهد یافت.

این مسئله عملا در موتور جدید EC۵ که تغییر یافته TU۵ بوده اتفاق افتاده و با تقویت سیستم تنفس موتور و در نتیجه افزایش دامنه گشتاور، حداکثر توان آن از ۱۰۵ اسب بخار به حدود ۱۱۱ اسب بخار در همان دور موتور ۵۸۰۰ دور دقیقه رسیده است، چرا که توان تابعی مستقیم از گشتاور موتور است.

حجم موتور و وزن خودرو و ضرایب گیربکس؛ فوت‌های کوزه‌گری!
اشتباهی که بسیاری از افراد میکنند! برای مقایسه موتور خودروهای جدید نمیتوان تنها به حجم موتورها استناد نمود چرا که اخیرا یک موتور ۱۶۰۰ سی سی توربوشارژ با تراکم بالا قادر به تولید توان و گشتاور معادل یک موتور ۲۴۰۰ سی سی تنفس طبیعی است.

از سویی دیگر موارد مطرح شده در این نوشته در صورتیکه وزن خودرو افزایش یابد کمی تغییر میکند. در این موارد میبایست، نسبت “توان به وزن” را نیز محاسبه نمود. به عنون مثال اگر چه موتور EF۷ توان و گشتاور بالاتری نسبت به موتور Tu۵ دارد اما وزن خودروی دنای ۱۲۶۰ کیلوئی حدود ۱۷۰ کیلوگرم از خودروی ۲۰۶ با وزن ۱۰۹۰ کیلوگرم بیشتر است. لذا هر اسب بخار در خودروی دنا می بایست ۱۱ کیلوگرم وزن را جابجا کند در حالیکه هر اسب بخار در خودروی ۲۰۶ حدود ۱۰.۳ کیلوگرم را جابجا خواهد کرد. نتیجه آنکه خودروی ۲۰۶ در حرکت چابکتر احساس میشود.

در انتها ضرایب گیربکس نیز در مقایسه دنده به دنده خودروها مهم است چرا که یک خودرو با موتور ضعیف تر میتواند با تقویت ضرایب دنده های سنگین، گشتاور تولیدی خود را تقویت نموده و توان بیشتری سر چرخ تولید کند.