موتور خودرو چگونه کار می کند؟ (بخش اول)

آیا تابحال شده با نگه کردن به کاپوت خودرو از خودتان بپرسید “این موتور چطور کار می‌کند” ؟ شاید فقط یک کنجکاوی ساده باعث ایجاد این سوال در ذهن شما شده باشید؛ شاید هم قصد خرید یک ماشین جدید را دارید و می‌خواهید با مهمترین قسمت خودرو و اصطلاحات مربوط به آن آشنا شوید.

موتور ماشین در نگاه اول مجموعه ای از قطعات فلزی، لوله‌ها و سیم‌های درهم و گیج کننده بنظر می‌رسد. در این سری از پست‌ها قصد داریم درباره روش کار موتور، قطعات آن، مشکلات رایج موتور و راه‌های افزایش کارایی آن صحبت کنیم.

هدف اصلی موتور خودروهای بنزینی، تبدیل بنزین به حرکت است تا خودرو حرکت کند. در حال حاضر ساده ترین راه برای ایجاد حرکت از بنزین، سوزاندن بنزین داخل موتور است. بنابراین موتور خودرو یک نوع موتور احتراق داخلی است ،یعنی سوختن بنزین داخل آن صورت می‌گیرد.

در اینجا باید به دو نکته توجه کرد:

• موتورهای احتراق داخلی انواع مختلفی دارند. موتور دیزلی و موتور توربین داخلی دو نوع موتورهای احتراق داخلی هستند. علاوه براین دو، موتورهای HEMI، موتورهای چرخشی و موتورهای دو زمانه انواع دیگری از این نوع موتور هستند. هرکدام از این موتورها مزایا و معایب خودشان را دارند.
• یکی از انواع موتور، موتورهای احتراق خارجی می‌باشند. موتور بخار در قطارهای قدیمی‌بهترین مثال موتورهای احتراق خارجی هستند. در موتور بخار، سوخت (زغال سنگ، چوب، نفت و …) برای تولید بخار در بیرون موتور می‌سوزد و این بخار در داخل موتور باعث ایجاد حرکت می‌شود. موتورهای احتراق داخلی بسیار کارآمدتر هستند (به سوخت کمتری نیاز دارند) و نسبت به موتورهای احتراق خارجی بسیار کوچک تر هستند. به همین خاطر است که کمپانی‌های تولید خودرو از موتور بخار استفاده نمی‌کنند.

احتراق داخلی

همه موتورهای پیستونی احتراق داخلی از یک اصل کلی پیروی می‌کنند: اگر مقدار کمی‌از سوخت‌های پر انرژی (مثل بنزین) در یک فضای کوچک و بسته قرار دهید و آن را آتش بزنید، مقدار بسیار زیادی انرژی به وسیله گازهای در حال گسترش آزاد می‌شود. می‌توانید از این انرژی برای حرکت دادن یک سیب زمینی تا فاصله ۱۵۲ متری استفاده کنید. با اینکار انرژی به حرکت سیب زمینی تبدیل می‌شود. اما می‌توانید از این انرژی برای کارهای جالب تری هم استفاده کنید. مثلاً اگر بتوانید چرخه ای بسازید که امکان ایجاد این انفجارها حدود صد بار در دقیقه را فراهم کند و بتوانید انرژی حاصل را مهار کنید، در واقع هسته اصلی موتور ماشین را ساخته اید. در حال حاضر تقریباً تمام خودروها برای تبدیل بنزین به حرکت از یک چرخه احتراق چهار زمانه استفاده می‌کنند. رویکرد چهار زمانه با نام چرخه اتو هم شناخته می‌شود؛ این نامگذاری به افتخار نیکولاس اتو که در سال ۱۸۶۷ چرخه چهار زمانه را اختراع کرد، انجام شده است.

چهار مرحله موتورهای چهار زمانه که در تصویر هم نشان داده شده، عبارتند از:

• مرحله مکش
• مرحله فشرده سازی (تراکم)
• مرحله احتراق
• مرحله اگزوز (تخلیه)

در واقع در چرخه موتور این اتفاق می‌افتد:

1. پیستون از بالا شروع به حرکت می‌کند و سوپاپ مکش باز می‌شود و پیستون به سمت پایین حرکت می‌کند تا موتور بتواند یک سیلندر پر از هوا و بنزین به داخل بکشد. این مرحله از چرخه چهار زمانه، مرحله مکش است. برای راه اندازی این مرحله فقط کافی است یک قطره بنزین با هوا مخلوط شود.
2.  سپس پیستون دوباره به سمت بالا حرکت می‌کند تا مخلوط هوا و بنزین را فشرده کند. تراکم حاصل از فشرده سازی، انفجار را قویتر می‌کند.
3.  وقتی پیستون به بالاترین نقطه می‌رسد، شمع جرقه برای مشتعل کردن بنزین یک جرقه تولید می‌کند. بنزین باعث ایجاد انفجارهای بیشتر در سیلندر می‌شود و پیستون را به سمت پایین می‌کشد.
4. وقتی پیستون با پایین ترین نقطه برخورد می‌کند، سوپاپ خروجی باز می‌شود و لوله اگزوز سیلندر را رها می‌کند تا گازهای اضافی خارج شوند.

بعد از این مراحل، موتور برای چرخه بعدی آماده است و به همین خاطر دوباره هوا و بنزین را به داخل می‌کشد.

دقت کنید حرکت موتور احتراق داخلی دورانی است و به همین خاطر بهترین گزینه برای خودرو محسوب می‌شود زیرا چرخ‌های خودرو باید در هر وضعیتی بچرخند.

حالا بیایید نگاهی به قطعات اصلی موتور که باعث شکل گیری این چرخه می‌شوند، بیاندازیم.

قطعات اصلی موتور

سیلندر

هسته اصلی موتور خودرو، سیلندر و پیستونی است که داخل آن بالا و پایین می‌رود. موتوری که در بالا نحوه کارش را مرور کردیم، یک سیلندر داشت. موتور یک سیلندر در ابزاری مثل چمن زن استفاده می‌شود اما بیشتر خودروها بیشتر از یک سیلندر دارند (چهار، شش و هشت سیلندر رایج ترین انواع موتور هستند). در موتورهای چند سیلندری، سیلندرها معمولاً با یکی از روش‌های زیر چیده می‌شوند: خطی، V شکل و مسطح (که با نام بوکسور هم شناخته می‌شود). می‌توانید نحوه چینش مختلف سیلندرها را در تصاویر زیر ببینید. روی تصویرها کلیک کنید تا نحوه حرکت سیلندرها را ببینید.

چیدمان‌های مختلف سیلندر، از نظر روانی حرکت، هزینه‌های ساخت و ویژگی‌های ظاهر مزایا و معایب خاص خودشان را دارند. همین مزایا و معایب باعث شده هر کدام از این چینش‌ها برای یک وسیله نقلیه خاص مناسب باشد.

شمع جرقه

شمع جرقه قطعه ای است که جرقه لازم برای انفجار مخلوط هوا و بنزین را فراهم می‌کند تا احتراق اتفاق بیفتد. برای اینکه همه چیز درست کار کند، جرقه باید در زمان مناسب ایجاد شود.

سوپاپ‌ها

سوپاپ مکش و سوپاپ خروجی در زمان مناسب باز و بسته می‌شوند تا مخلوط هوا و سوخت وارد و گازهای حاصل از احتراق خارج شوند. توجه داشته باشید که در حین فرایند فشرده سازی و احتراق هر دو سوپاپ بسته هستند تا محفظه احتراق کاملاً غیرقابل نفوذ شود.

پیستون

پیستون یک قطعه فلزی استوانه ای است که داخل سیلندر به سمت بالا و پایین حرکت می‌کند.

رینگ پیستون

رینگ پیستون یک درز کشویی بین لبه بیرونی پیستون و لبه داخلی سیلندر ایجاد می‌کند. رینگ پیستون دو کار مهم انجام می‌دهد:

• در حین فشرده سازی و احتراق، از نشت مخلوط هوا و بنزین و گازهای حاصل احتراق داخل محفظه احتراق به درون کارتل جلوگیری می‌کند.
• از نشت روغن داخل کارتل به داخل محوطه احتراق – جایی که سوخت مشتعل می‌شود و از بین می‌رود – جلوگیری می‌کند.

بیشتر خودروهایی که روغن می‌سوزانند، باید هر ۱۶۰۰ کیلومتر یک کورات اضافه کنند زیرا موتور قدیمی‌است و رینگ‌ها نمی‌توانند منافذ را محکم نگه دارند.

دسته پیستون

دسته پیستون، پیستون را به میل لنگ وصل می‌کند. این میله می‌تواند از هر دو طرف بچرخد بنابراین زاویه آن می‌تواند با حرکت پیستون و چرخیدن میل لنگ تغییر کند.

میل لنگ

میل لنگ حرکات بالا و پایین پیستون را به حرکات چرخشی تبدیل می‌کند.

کارتل

کارتل میل لنگ را احاطه کرده است. کارتل شامل کمی‌روغن است که در ته کارتل انباشته می‌شود.

حالا که با نحوه کار موتور و وظایف قطعات مختلف آن آشنا شدید، دلایل کار نکردن موتور را بررسی می‌کنیم.

ایرادهای متداول موتور

تصور کنید یک روز صبح سوار ماشین می‌شوید و موتور را روشن می‌کنید اما متوجه می‌شوید که موتور شروع به کار نمی‌کند. فکر می‌کنید ایراد از کجاست؟ حالا که نحوه کار موتور را می‌دانید، می‌توانید دلایل اصلی کارکردن موتور را پیدا کنید. سه ایرادهای اساسی می‌توانند مانع از روشن شدن موتور شوند: مخلوط سوخت بد، فشرده نشدن مخلوط و جرقه نزدن شمع. البته صدها ایراد کوچک و بزرگ می‌توانند موجب کار نردن موتور شوند اما این سه مورد اصلی ترین ایرادهای یک موتور محسوب می‌شوند. در ادامه نحوه تاثیر گذاری این ایرادها روی عملکرد موتور را می‌خوانید.

مخلوط سوخت بد

ایجاد مخلوط سوخت بد می‌تواند چند دلیل داشته باشد:

• بنزین تان تمام شده بنابراین موتور فقط هوا را به داخل می‌کشد؛
• ورودی هوا گرفته است و فقط سوخت وارد موتور می‌شود؛
• سیستم سوخت رسانی بنزین بسیار زیاد یا بسیار کم در اختیار وارد مخلوط می‌کند که در اینصورت احتراق بدرستی ایجاد نمی‌شود. ممکن است در سوخت ناخالصی (مثل وجود آب داخل باک خودرو) وجود داشته باشد و مانع از احتراق مخلوط میشود.

فشرده نشدن مخلوط

اگر مخلوط گاز و سوخت خوب فشرده نشود، فرایند احتراق هم درست انجام نخواهد شد. فشرده نشدن مخلوط ممکن است به یکی از دلایل زیر رخ دهد:

• رینگ پیستون فرسوده شده است (و در طول فشرده سازی باعث نشت هوا و سوخت به پشت پیستون می‌شود)؛
• سوپاپ مکش یا خروجی درست سفت نشده اند و باعث نشت در حین فشرده سازی میشوند؛
• سیلندر سوراخ شده است.

معمولاً سیلندر وقتی سوراخ می‌شود که بالای سیلندر (یا همان سرسیلندر که سوپاپ‌ها و شمع جرقه را نگه می‌دارد) به خود سیلندر وصل می‌شود. سیلندر و سر سیلندر با یک واشر نازک به هم مهر می‌شوند تا یک اتصال محکم ایجاد شود. اگر این واشر بشکند سوراخ‌های کوچکی بین سیلندر و سر سیلندر ایجاد می‌شود و این سوراخ‌ها باعث نشت مخلوط هوا و سوخت می‌شوند.

جرقه نزدن

جرقه ممکن است به یکی از دلایل زیر ایجاد نشود یا خیلی ضعیف باشد:

• اگر شمع جرقه یا سیمی‌که به آن می‌رود فرسوده باشد، جرقه ایجاد نمی‌شود؛
• اگر سیم پاره شده باشد یا سیستمی‌که جرقه را به سیم می‌فرستد خوب کار نکند، جرقه ایجاد نخواهد شد؛
• اگر جرقه خیلی زود یا دیر در چرخه ایجاد شود، سوخت مشتعل نمی‌شود و این می‌تواند مشکلات زیادی ایجاد کند.

عوامل دیگری هم می‌توانند منجر به بروز مشکل در موتور شوند:

• اگر باتری خودرو خالی باشد، نمی‌توانید موتور را روشن کنید؛
• اگر یاتاقان‌ها که باعث چرخیدن میل لنگ می‌شوند فرسوده باشند، میل لنگ نمی‌چرخد و در نتیجه موتور روشن نمی‌شود؛
• اگر سوپاپ‌ها در زمان مناسب باز و بسته نشوند، سوخت به موقع وارد نمی‌شوند و گازهای خروجی هم به موقع خارج نمی‌شوند و موتور کار نخواهد کرد؛
• اگر چیزی داخل لوله اگزوز گیر کند، گازهای حاصل از احتراق خارج نمی‌شوند و در نتیجه موتور روشن نمی‌شود؛
• اگر روغن موتور تمام شده باشد، پیستون نمی‌تواند داخل سیندر حرکت کند و در نتیجه موتور گیر می‌کند.

وقتی یک موتور درست کار می‌کند یعنی تمام موارد بالا و کلی عامل دیگر درست و به موقع کار می‌کنند.

همانطور که متوجه شدید موتور چند سیستم مجزا دارد که باعث می‌شوند تبدیل سوخت به حرکت بدرستی انجام شود. در ادامه این پست، به زیرسیستم‌های موتور و راه‌های افزایش کارایی آن می‌پردازیم.