موتور اتومبیل چگونه کار میکند؟
آیا تا به حال کاپوت ماشین را باز کرده‌اید و از چیزهایی که در داخل آن وجود دارد، متعجب شده‌اید؟ موتور اتومبیل می‌تواند شبیه یک سیستم بزرگ گیج کننده از فلزات، لوله‌ها و سیم‌ها باشد. شما ممکن است بخواهید از روی کنجکاوی بدانید که آنجا چه می‌گذرد یا بدانید که وظیفه هر کدام از این قطعات چیست؟
اگر شما می‌خواهید از موتور اتومبیل‌تان سر در بیاورید، بهتر است این مقاله را بخوانید. در این مقاله شما می‌توانید درباره ایده اساسی یک موتور، جزئیات نحوه اتصال و کارکرد قطعات آن آشنا شوید.
فهرست مطالب
هدف از یک موتور بنزینی تبدیل بنزین به حرکت است. ساده‌ترین راه برای ایجاد حرکت، مشتعل ساختن بنزین در داخل موتور است. موتورهای خودرو، از نوع احتراق داخلی هستند. یعنی احتراق در آنها به صورت داخلی اتفاق می‌افتد. ما انواع مختلفی از موتورهای احتراق داخلی را می‌شناسیم که از میان آنها می‌توان به موتورهای دیزلی، موتورهای توربینی گازی، موتوری وانکل و موتورهای دو زمانه اشاره کرد. البته هر یک از این موتورها، مزایا و معایبی دارند. موتورهای دیگری نیز که احتراق آنها خارجی است، وجود دارد. موتور بخار در قطارهای قدیمی بهترین مثال از یک موتور احتراق خارجی است. در این موتور، سوخت (زغال سنگ، چوب یا روغن) در موتور خارجی می‌سوزد و بخار تولید میکند. این بخار سپس وارد موتور داخلی می‌شود و ایجاد حرکت میکند.
نکته: موتورهای احتراق داخلی نسبت به موتورهای احتراق خارجی پُر بازده‌تر هستند.
احتراق درونی
برای پی بردن به نحوه کارکرد موتورهای احتراق درونی، تصور ذهنی شما موثر خواهد بود. یک مثال خوب در این راستا، توپ‌های جنگی قدیمی هستند که شما احتمالاً آنها را در فیلم‌ها یا موزه‌ها دیده‌اید. در آنجا سربازها درون لوله توپ را با باروت پُر می‌کردند، سپس یک گوی فلزی (همان توپ) را درون آن قرار می‌دادند و با روشن کردن فیتیله‌ای که به باروت متصل بود، عمل شلیک صورت می‌گرفت. به این عمل احتراق درونی می‌گویند.
شاید تجسم اینکه این موضوع چه ارتباطی با موتور خودرو دارد، کمی مشکل باشد. پس بیایید مثال دیگری بزنیم. فرض کنید که شما یک تکه لوله پلیکا با قطر حدوداً هفت سانتیمتر و طول یک متر در اختیار دارید. اگر شما یک سر آن را کاملاً ببندید و مقدار کمی بنزین درون لوله بریزید، سپس یک سیب زمینی را به درون لوله بفرستید (البته پیشنهاد می‌کنیم که چنین کاری را انجام ندهید و فقط فرض آن کافی می‌باشد!) چیزی که بدست خواهیم آورد، وسیله‌ای است که به آن توپ سیب زمینی می‌گوییم. وقتی سوخت درون لوله را با جرقه‌ای مشتعل کنید. اتفاق جالبی روی می‌دهد. با انفجار بنزین، انفجاری داخل لوله صورت می‌گیرد و سیب زمینی تا ارتفاع 130 متر به هوا پرتاب می‌شود!
موتورهای درون‌سوز نیز از همین ایده توپ سیب زمینی استفاده می‌کنند. اگر شما مقدار خیلی ناچیزی از یک سوخت با انرژی بالا (مانند بنزین) را در یک محوطه بسته کوچک قرار دهید و آن را مشتعل سازید، مقدار قابل توجهی انرژی آزاد خواهد شد. البته شما می‌توانید از این انرژی به جای پرتاب سیب زمینی، جهت مصارف جالب تری استفاده نمایید. برای مثال، اگر بتوانید چرخه‌ای به وجود آورید که بتواند این انفجارها را صد بار در دقیقه پشت سر هم انجام دهد یا بتوانید انرژی تولیدی را جهت کارهای مفید مهار نمایید، چیزی که بدست خواهد آمد، موتور یک اتومبیل خواهد بود.
تقریباً تمامی خودروهای امروزی جهت تبدیل بنزین به حرکت از موتورهایی که به آنها چهار زمانه می‌گویند، استفاده می‌کنند. به این سیستم چهار زمانه، چرخه اتو (Otto cycle) نیز می‌گویند. این نام برای یادبود نیکولاس اتو (Nikolaus Otto)؛ مخترع سیستم موتور خودرو در سال 1867 میلادی می‌باشد.
مراحل چرخه موتور چهار زمانه عبارتند از:
- مکش (Intake stroke)
- تراکم (Compression stroke)
- احتراق (Combustion stroke)
- تخلیه (Exhaust stroke)
شما در تصویر زیر، قطعه‌ای را می‌بینید که پیستون (piston) نامیده می‌شود. این قطعه جایگزین سیب زمینی در توپ سیب زمینی می‌باشد. پیستون توسط شاتون به میل لنگ (crankshaft) وصل شده و با چرخش میل لنگ حالت دوباره مسلح شدن توپ به وجود می‌آید. وقتی پیستون شروع به پایین آمدن میکند، سوپاپ ورود سوخت باز می‌شود و سیلندر پُر از مخلوط بنزین و هوا می‌شود. در مرحله بعد پیستون بر می‌گردد تا مخلوط سوخت و هوا را متراکم کند.
وقتی پیستون به نقطه بالا رسید، سوخت به شدت متراکم می‌شود و در این لحظه، شمع از خود جرقه‌ای تولید میکند و سوخت را مشتعل میکند. با منفجر شدن سوخت موجود در سیلندر، پیستون در اثر فشار انفجار به سمت پایین حرکت میکند. با پایین آمدن پیستون، سوپاپ‌های تخلیه باز می‌شوند تا گاز خروجی از سیلندر خارج شود و به سمت اگزوز برود.
اکنون موتور، آماده انجام چرخه جدید می‌شود و دوباره مخلوط سوخت و هوا وارد سیلندر می‌شوند. توجه کنید حرکتی که در یک موتور احتراق داخلی تولید می‌شود، یک حرکت دورانی است. در حالی که حرکت تولید شده توسط سیب زمینی یک حرکت خطی است. در موتور اتومبیل، حرکت خطی پیستون توسط میل لنگ به حرکت دورانی تبدیل می‌شود. حرکت دورانی حرکت جالبی است، زیرا ما برای به حرکت در آوردن خودرو به حرکت دورانی چرخ‌ها نیاز داریم.
چهار حالت موتور چهار زمانه بنزینی
برای بکار افتادن موتور، نیرویی نیاز است تا میل لنگ را به چرخش در بیاورد. در موتورهای چهار زمانه، لازم است که پیستون چهار حالت تنفس (مکش)، تراکم، انفجار (احتراق) و تخلیه را با دو بار گردش میل لنگ انجام دهند تا موتور به کار بیفتد.
1) مرحله مکش سوخت
در این مرحله، بر اثر گردش میل لنگ، پیستون از نقطه مرگ بالا به طرف پایین حرکت میکند. چرخ دنده سر میل لنگ نیز با چرخ دنده سر سوپاپ طوری تنظیم می‌شود که همزمان با پایین آمدن پیستون، میل بادامک، سوپاپ ورودی را باز میکند. عمل مکش با داخل شدن مقدار معینی سوخت (مخلوط هوا و بنزین) به محفظه سیلندر انجام می‌پذیرد. وقتی پیستون به پایین‌ترین نقطه (نقطه مرگ پایین) برسد، عمل مکش تمام می‌شود. در این لحظه سوپاپ ورودی بسته می‌شود و مخلوط هوا و بنزین داخل سیلندر حبس می‌شوند. دقت داشته باشید که طی این مرحله، سوپاپ ورود سوخت باز و سوپاپ خروج دود بسته است.
2) مرحله تراکم
پس از مرحله تنفس یا مکش، نوبت به مرحله تراکم می‌رسد. در این حالت، با چرخش میل لنگ، پیستون به طرف نقطه مرگ بالا می‌رود تا مخلوط هوا و بنزین را متراکم کند. از آنجا که سوپاپ‌های ورودی و خروجی، بسته شده‌اند، هرچه پیستون بالاتر می‌رود، مولکول‌های گاز فشرده‌تر و برای حالت بعدی آماده‌تر می‌شوند. در اینجا بین حجم سیلندر و محفظه احتراق نسبت تراکمی وجود دارد. هرچه حجم محفظه احتراق به حجم واقعی سیلندر کمتر باشد، تراکم بیشتری صورت می‌گیرد و در نتیجه موتور بهتر و قوی‌تری خواهیم داشت. این نسبت در موتورهای بنزینی بین یک به شش تا یک به یازده است.
البته این نکته را هم در نظر داشته باشید که طبق قوانین فیزیکی، اگر این نسبت از آخرین حد خود یعنی یک به یازده تجاوز کند، به دلیل تراکم زیاد، سوخت گازی بیش از حد داغ می‌شود و قبل از جرقه زدن شمع، خودبخود منفجر می‌شود. این موضوع در بعضی از ماشین‌های تقویتی غیر استاندارد باعث تاب برداشتن میل لنگ می‌شود. طی مرحله تراکم، سوپاپ ورود سوخت و سوپاپ خروج دود هر دو بسته می‌مانند.
3) مرحله انفجار
مرحله سوم، انفجار یا احتراق است. در آخرین مرحله تراکم که پیستون می‌خواهد به نقطه مرگ بالا برسد، اوج تراکم روی می‌دهد. در این زمان، شمع جرقه می‌زند و سوخت منفجر می‌شود. بر اثر انفجار، ازدیاد حجم به وجود می‌آید و چون تمام سوپاپ‌ها بسته هستند و منبسط شده، راه خروجی ندارد. در نتیجه نیرو به سر پیستون فشار می‌آورد و آن را به طرف پایین هل می‌دهد. شاتون نیز نیروی وارده به سر پیستون را به میل لنگ انتقال می‌دهد و باعث حرکت دورانی آن می‌شود. این حرکت دورانی میل لنگ به کمک صفحه فلایویل به کلاچ و از آنجا به سیستم انتقال نیرو منتقل می‌شود.
4) مرحله تخلیه دود
در این حالت، سیلندر پُر از دود است و پیستون در اثر چرخش میل لنگ در حال بالا آمدن است. در این لحظه، سوپاپ دود باز می‌شود و گاز سوخته شده از طریق آن خارج می‌گردد. زمانی که پیستون به نقطه مرگ بالا می‌رسد، عمل تخلیه تمام می‌شود و پیستون دوباره شروع به پایین آمدن میکند. به این ترتیب، مرحله اول (مکش سوخت) از سر گرفته می‌شود.
اجزای داخلی موتور
سیلندر
قسمت اصلی موتور اتومبیل است. جنس آن از چدن و گرافیت می‌باشد و به همین دلیل خاصیت سایش آن کم است. پیستون در داخل سیلندر بالا و پایین می‌رود. همچنین کانال‌هایی جهت گردش آب دور سیلندر طراحی شده است. سیستم خنک کننده، آب را در این مجراها به گردش در می‌آورد و باعث خنک شدن محفظه احتراق می‌شود. محفظه احتراق محوطه‌ای است که عمل فشرده‌سازی و احتراق در آن صورت می‌گیرد. با بالا و پایین رفتن پیستون، محفظه احتراق تغییر اندازه می‌دهد.
نقطه مرگ پایین و بالای سیلندر، حداکثر و حداقل حجم محفظه را مشخص می‌کنند. اختلاف این دو حجم را حجم موتور می‌نامند و با مقیاس لیتر یا سی سی (سانتیمتر مکعب) می‌سنجند. حجم موتور نمایانگر قدرت موتور است. یک سیلندر با حجم 500 سی سی می‌تواند دو برابر یک سیلندر با حجم 250 سی سی مخلوط هوا و سوخت در خود جای دهد. در موتورهای چهار سیلندر، پیستون‌ها طوری تنظیم می‌شوند 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.
نکته: معمولاً از سیلندر خطی در موتورهای چهار سیلندر و از سیلندر V در موتورهای شش سیلندر استفاده می‌کنند.
پیستون
فلز استوانه‌ای شکل است که درون سیلندر به بالا و پایین حرکت میکند و ضربات حاصل از انفجار سوخت را توسط شاتون به میل لنگ منتقل میکند. میله گژن پین (انگشتی پیستون)، پیستون را به شاتون متصل میکند. رینگ (حلقه)های دور پیستون برای جلوگیری از نفوذ روغن موتور به محفظه احتراق طراحی شده‌اند. یاطاقان‌ها هم ضربات و ارتعاشات حاصل از انفجار را تحمل کرده و از ساییدگی میل لنگ جلوگیری می‌کنند. حرکت خطی (بالا و پایین) پیستون به حرکت چرخشی میل لنگ تبدیل می‌شود.
محفظه روغن موتور
این محفظه زیر بدنه موتور قرار دارد. روغن موتور برای کم کردن اصطکاک در حین چرخش میل لنگ و حرکت پیستون داخل سیلندر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
شمع
شمع‌ها باعث ایجاد جرقه و آتش زدن سوخت متراکم محفظه احتراق می‌شوند. سیستم برق‌رسانی به شمع‌ها باید آنقدر دقیق باشد که در زمان مناسب (آخرین لحظه تراکم)، جرقه بزند.
سوپاپ
سوپاپ‌ها توسط گردش میل بادامک در زمان‌های مناسب، بالا و پایین می‌روند و دریچه‌های ورود سوخت و خروج دود را باز و بسته می‌کنند.
میل لنگ
حرکت بالا و پایین پیستون باعث چرخش میل لنگ حول محور خود می‌شود. این چرخش سپس از طریق صفحه کلاچ به جعبه دنده و از آنجا به میل گاردان و دیفرانسیل منتقل می‌شود و چرخ‌ها را به حرکت در می‌آورد. یک سر میل لنگ، صفحه فلایویل و سر دیگر آن پولی قرار دارد.
فلایویل
صفحه گرد دندانه‌دار بزرگی است که به انتهای میل لنگ متصل است و حرکت چرخشی میل لنگ را به گیربکس و از آنجا به چرخ‌ها منتقل میکند. وظیفه دیگر فلایویل در هنگام روشن شدن اتومبیل است. در زمان‌های قدیم این کار توسط هندل انجام میشد، ولی در اتومبیل‌های جدید این کار بر عهده استارت گذاشته شده است. استارت نیروی خود را از باتری اتومبیل تامین میکند. به این ترتیب که به هنگام استارت زدن، دندانه‌های استارت با دندانه‌های فلایویل درگیر می‌شوند و میل لنگ متصل به آن را به چرخش وا می‌دارند. با چرخش میل لنگ و آغاز عمل احتراق در موتور، چرخ دنده استارت از فلایویل جدا می‌شود.
پولی
صفحه گرد دیگری است که به سمت دیگر میل لنگ متصل می‌شود. پولی با تسمه‌ای به نام تسمه پروانه به دینام و واترپمپ (پمپ آب) متصل است و با چرخش خود، آنها را نیز می‌چرخاند. دینام یک موتور الکتریکی است که با چرخش خود، برق تولید میکند. این برق در سیستم جرقه، چراغ‌ها، کولر و سیستم‌های دیگر اتومبیل مصرف می‌شود و مازاد جریان الکتریسیته آن صرف شارژ کردن باتری می‌شود. با چرخش واترپمپ، آب داخل موتور به گردش در می‌آید. این آب با عبور از کناره‌های محفظه احتراق گرم می‌شود. آب گرم شده سپس به رادیاتور جلو منتقل می‌شود تا خنک شده و دوباره به موتور برگردد.
میل بادامک
چرخش میل لنگ توسط زنجیر یا میل رابط به میل بادامک منتقل می‌شود و آن را نیز به چرخش در می‌آورد. با چرخش میل بادامک، اسبک‌ها بالا و پایین می‌روند و در نتیجه سوپاپ‌های سرسیلندر بطور متناوب باز و بسته می‌شوند. در ضمن چرخش، میل بادامک، نیروی لازم جهت مکش بنزین از باک و نیز چرخاندن پمپ روغن را تامین میکند.
سیستم سوخت رسانی
در اتومبیل‌ها با چرخش میل لنگ، میل بادامک هم می‌چرخد و با تسمه‌ای که به پمپ بنزین متصل است، نیروی لازم جهت مکش بنزین از باک به کاربراتور را تامین میکند. کاربراتور هم بنزین را با هوایی که فیلتر هوا تصفیه کرده است، مخلوط میکند. خلاء حاصل از پایین رفتن پیستون در مرحله مکش، باعث مکش سوخت از کاربراتور به داخل محفظه احتراق سیلندر می‌شود. این سوخت از طریق مانیفولد ورودی به دریچه ورود سوخت سیلندرها هدایت می‌شود.
میزان ورود سوخت به سیلندرها توسط اهرم تنظیم سوخت که به پدال گاز متصل است کم و زیاد می‌شود. با فشار دادن به پدال گاز، سوخت بیشتری به سیلندرها وارد می‌شود و انرژی بیشتری به هنگام انفجار تولید می‌شود و به این ترتیب، اتومبیل سریع‌تر حرکت میکند.
در اتومبیل‌های قدیمی هم برای روشن کردن اتومبیل در هوای سرد از ساسات استفاده می‌کردند. در این اتومبیل‌ها اهرمی وجود دارد که با کشیدن آن، سوخت غنی‌تری (مخلوط بیشتری از بنزین) به موتور سرد می‌رسید و آن را روشن می‌کرد. پس از عمل احتراق، دود حاصل از انفجار سوخت سیلندرها از طریق دریچه خروجی با مانیفولد خروجی و از آنجا به اگزوز هدایت می‌شود.
نحوه کار سیستم سوخت‌رسانی موتورهای کاربراتوری به این صورت است که وقتی پیستون در سیلندر پایین می‌رود، فشار هوای محفظه احتراق افت میکند و با باز شدن دریچه ورود سوخت، هوا به سرعت وارد محفظه می‌شود. جریان هوا به هنگام عبور از گلوگاه ونتوری، باعث افت فشار در این ناحیه می‌شود. با این کار، مولکول‌های بنزین در شرایط افت فشار به شکل قطرات ریز پودر مکیده شده و همراه هوا وارد محفظه احتراق می‌شوند.
سیستم خنک کننده موتور
احتراق داخلی و نیز حرکت پیستون‌ها باعث تولید حرارت بسیاری در سیلندرهای اتومبیل می‌شود. به این منظور، سیستم خنک کننده‌ای در اتومبیل‌ها تعبیه شده است که توسط گردش آب به دور سیلندرها، موتور را خنک میکند. نحوه کار این سیستم به این ترتیب است: در اثر حرکت پیستون‌ها و چرخش میل لنگ، پولی سر میل لنگ هم می‌چرخد. پروانه خنک کننده و واترپمپ (پمپ آب) توسط تسمه‌ای به نام تسمه پروانه نیروی چرخش خود را از پولی می‌گیرند. با چرخش واترپمپ، آب در منفذهای ریز تعبیه شده دور سیلندرها جریان می‌یابد و آن را خنک می‌سازد.
ترموستات
در هوای سرد زمستان و تا وقتی که موتور گرم نشده، ترموستات راه خروج آب از موتور را می‌بندد تا ابتدا با گردش محدود آب در منفذهای سیلندر، موتور گرم شود. وقتی موتور به اندازه کافی گرم شد، ترموستات راه خروج آب را باز میکند تا آب گرم شده موتور به رادیاتور برسد. با چرخش پروانه و عبور هوا از لابلای پنجره‌های رادیاتور، آب خنک می‌شود. آب سرد شده دوباره با چرخش واترپمپ به داخل موتور مکش می‌شود تا موتور را خنک نگه دارد.
موتورهای مدرن امروزی به کامپیوتر، سنسورها، محرک ها و… مجهز می‌باشند که وظیفه نظارت و تنظیم‌ها را بر عهده دارند.
بیشتر بدانید…
موتور اتومبیل یک موتور احتراق داخلی است. موتورهای احتراق داخلی انواع مختلفی دارند. موتورهای دیزلی و موتورهای توربین گازی دو نوع از این موتورها هستند.
هدف یک موتور اتومبیل بنزینی تبدیل بنزین به حرکت است تا ماشین شما بتواند حرکت کند.
هسته موتور، سیلندر است که پیستون در داخل سیلندر بالا و پایین می‌رود. سایر قطعات کلیدی عبارتند از شمع، سوپاپ‌ها، پیستون، رینگ‌های پیستون، شاتون، میل لنگ و مخزن.
تقریباً هر خودرویی با موتور بنزینی از چرخه احتراق چهار زمانه برای تبدیل بنزین به حرکت استفاده میکند. آنها عبارتند از تنفس (مکش)، تراکم، انفجار (احتراق) و تخلیه (اگزوز).
سه چیز اساسی ممکن است اتفاق بیفتد: ترکیب بد سوخت، عدم فشرده‌سازی یا عدم وجود جرقه. فراتر از آن، هزاران چیز جزئی می‌توانند مشکلاتی ایجاد کنند، اما اینها «سه مورد بزرگ» هستند.
منابع
- HowStuffWorks. ترجمه بهنام زاده.
عالی بود ممنونم
عالی بود ممنون از سایت خوبتون
صد درود و صد سلام صد صلوات بر شما و بر روان پاکتان که بالاخره اموختیم این خوردو که نشسته ایم بهر چه میرواناند و چگونه خالی میکند جیبمان را.
خیلی خوب بود ولی اگه عکساش و گیف هاش بیشتر بود واقعا عالی میشد
عالی بود
سلام توضیحات خوب و کامل و مفید بود اما اگه مقداری ساده تر توضیح داده میشد بهتر بود لطفا اگه امکان داره مطالبی هم در مورد عملکرد دیفرانسیل توی سایت قرار بدید با تشکر