خانه / آموزش / علم و دانش / علوم مهندسی / مکانیک / موتور اتومبیل چگونه کار می کند؟
کسب و کار شما

موتور اتومبیل چگونه کار می کند؟

آیا تا به حال کاپوت ماشین را باز کرده اید و از چیزهایی که در داخل آن وجود دارد، متعجب شده اید؟ موتور اتومبیل می تواند شبیه یک سیستم بزرگ گیج کننده از فلزات، لوله ها و سیم ها باشد. شما ممکن است بخواهید از روی کنجکاوی بدانید که آنجا چه می گذرد یا بدانید که وظیفه هر کدام از این قطعات چیست؟

اگر شما می خواهید از موتور اتومبیل تان سر در بیاورید، بهتر است این مقاله را بخوانید. در این مقاله شما می توانید درباره ایده اساسی یک موتور، جزئیات نحوه اتصال و کارکرد قطعات آن آشنا شوید.

هدف از یک موتور بنزینی تبدیل بنزین به حرکت است و ساده ترین 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 می افتد. ما انواع مختلفی از موتورهای احتراق داخلی را می شناسیم که از میان آنها می توان 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 می سوزد و بخار تولید می کند. این بخار سپس وارد موتور داخلی می شود و ایجاد حرکت می کند.

نکته: موتورهای احتراق داخلی نسبت به موتورهای احتراق خارجی پُر بازده تر هستند.

احتراق درونی
برای پی بردن به نحوه کارکرد موتورهای احتراق درونی، تصور ذهنی شما موثر خواهد بود. یک مثال خوب در این راستا، توپ های جنگی قدیمی هستند که شما احتمالاً آنها را در فیلم ها یا موزه ها دیده اید. در آنجا سربازها درون لوله ی توپ را با باروت پُر می کردند، سپس یک گوی فلزی (همان توپ) را درون آن قرار می دادند و با روشن کردن فیتیله ای که به باروت متصل بود، عمل شلیک صورت می گرفت. به این عمل احتراق درونی می گویند.

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 می کنیم که چنین کاری را انجام ندهید و فقط فرض آن کافی می باشد!) چیزی که بدست خواهیم آورد، وسیله ای است که به آن توپ سیب زمینی می گوییم. وقتی سوخت درون لوله را با جرقه ای مشتعل کنید. اتفاق جالبی روی می دهد. با انفجار بنزین، انفجاری داخل لوله صورت می گیرد و سیب زمینی تا ارتفاع ۱۳۰ متر به هوا پرتاب می شود!

موتورهای درون سوز نیز از همین ایده توپ سیب زمینی استفاده می کنند. 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 می توانید از این انرژی به جای پرتاب سیب زمینی، جهت مصارف جالب تری استفاده نمایید. برای مثال، اگر بتوانید چرخه ای 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 می گویند، استفاده می کنند. به این سیستم چهار زمانه، چرخه اتو (Otto cycle) نیز می گویند. این نام برای یادبود نیکولاس اتو (Nikolaus Otto)؛ مخترع سیستم موتور خودرو در سال ۱۸۶۷ میلادی می باشد.

مراحل چرخه موتور چهار زمانه عبارتند از:

  1. مکش (Intake stroke)
  2. تراکم (Compression stroke)
  3. احتراق (Combustion stroke)
  4. تخلیه (Exhaust stroke)

شما در تصویر زیر، قطعه ای را می بینید که پیستون (piston) نامیده می شود. این قطعه جایگزین سیب زمینی در توپ سیب زمینی می باشد. پیستون توسط شاتون به میل لنگ (crankshaft) وصل شده و با چرخش میل لنگ حالت دوباره مسلح شدن توپ به وجود می آید. وقتی پیستون شروع به پایین آمدن می کند، سوپاپ ورود سوخت باز می شود و سیلندر پُر از مخلوط بنزین و هوا می شود. در مرحله بعد پیستون بر می گردد تا مخلوط سوخت و هوا را متراکم کند.

وقتی پیستون به نقطه بالا رسید، سوخت به شدت متراکم می شود و در این لحظه، شمع از خود جرقه ای تولید می کند و سوخت را مشتعل می کند. با منفجر شدن سوخت موجود در سیلندر، پیستون در اثر فشار انفجار به سمت پایین حرکت می کند. با پایین آمدن پیستون، سوپاپ های تخلیه باز می شوند تا گاز خروجی از سیلندر خارج شود و به سمت اگزوز برود.

اکنون موتور، آماده انجام چرخه جدید می شود و دوباره مخلوط سوخت و هوا وارد سیلندر می شوند. توجه کنید حرکتی که در یک موتور احتراق داخلی تولید می شود، 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 می شود. حرکت دورانی حرکت جالبی است، زیرا ما برای به حرکت در آوردن خودرو به حرکت دورانی چرخ ها 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.

۱) مرحله مکش سوخت
در این مرحله، بر اثر گردش میل لنگ، پیستون از نقطه مرگ بالا به طرف پایین حرکت می کند. چرخ دنده سر میل لنگ نیز با چرخ دنده سر سوپاپ طوری تنظیم می شود که همزمان با پایین آمدن پیستون، میل بادامک، سوپاپ ورودی را باز می کند و عمل مکش با داخل شدن مقدار معینی سوخت (مخلوط هوا و بنزین) به محفظه سیلندر انجام می پذیرد. وقتی پیستون به پایین ترین نقطه (نقطه مرگ پایین) برسد، عمل مکش تمام می شود. در این لحظه سوپاپ ورودی بسته می شود و مخلوط هوا و بنزین داخل سیلندر حبس می شوند. دقت داشته باشید که طی این مرحله، سوپاپ ورود سوخت باز و سوپاپ خروج دود بسته است.

۲) مرحله تراکم
پس از مرحله تنفس یا مکش، نوبت به مرحله تراکم می رسد. در این حالت، با چرخش میل لنگ، پیستون به طرف نقطه مرگ بالا می رود تا مخلوط هوا و بنزین را متراکم کند. از آنجا که سوپاپ های ورودی و خروجی، بسته شده اند، هرچه پیستون بالاتر می رود، مولکول های گاز فشرده تر و برای حالت بعدی آماده تر می شوند. 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 می گیرد و در نتیجه موتور بهتر و قوی تری 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 می شود و قبل از جرقه زدن شمع، خودبخود منفجر می شود. این موضوع در بعضی از ماشین های تقویتی غیر استاندارد باعث تاب برداشتن میل لنگ می شود. طی مرحله تراکم، سوپاپ ورود سوخت و سوپاپ خروج دود هر دو بسته می مانند.

۳) مرحله انفجار
مرحله سوم، انفجار یا احتراق است. در آخرین مرحله تراکم که پیستون می خواهد به نقطه مرگ بالا برسد، اوج تراکم روی می دهد. در این زمان، شمع جرقه می زند و سوخت منفجر می شود. بر اثر انفجار، ازدیاد حجم به وجود می آید و چون تمام سوپاپ ها بسته هستند و منبسط شده، راه خروجی ندارد، در نتیجه نیرو به سر پیستون فشار می آورد و آن را به طرف پایین هل می دهد. شاتون نیز نیروی وارده به سر پیستون را به میل لنگ انتقال می دهد و باعث حرکت دورانی آن می شود. این حرکت دورانی میل لنگ به کمک صفحه فلایویل به کلاچ و از آنجا به سیستم انتقال نیرو منتقل می شود.

۴) 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 می شود و گاز سوخته شده از طریق آن خارج می گردد. زمانی که پیستون به نقطه مرگ بالا می رسد، عمل تخلیه تمام می شود و پیستون دوباره شروع به پایین آمدن می کند و به این ترتیب، مرحله اول (مکش سوخت) از سر گرفته می شود.

اجزای داخلی موتور

سیلندر
قسمت اصلی موتور است. جنس آن از چدن و گرافیت می باشد و به همین دلیل خاصیت سایش آن کم است. پیستون در داخل سیلندر بالا و پایین می رود. همچنین کانال هایی جهت گردش آب دور سیلندر طراحی شده است. سیستم خنک کننده، آب را در این مجراها به گردش در می آورد و باعث خنک شدن محفظه احتراق می شود. محفظه احتراق محوطه ای است که عمل فشرده سازی و احتراق در آن صورت می گیرد. با بالا و پایین رفتن پیستون، محفظه احتراق تغییر اندازه می دهد. نقطه مرگ پایین و بالای سیلندر، حداکثر و حداقل حجم محفظه را مشخص می کنند. اختلاف این دو حجم را حجم موتور می نامند و با مقیاس لیتر یا سی سی (سانتیمتر مکعب) می سنجند. حجم موتور نمایانگر قدرت موتور است. یک سیلندر با حجم ۵۰۰ سی سی می تواند دو برابر یک سیلندر با حجم ۲۵۰ سی سی مخلوط هوا و سوخت در خود جای دهد. در موتورهای چهار سیلندر، پیستون ها طوری تنظیم می شوند 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 می کنند.

پیستون
فلز استوانه ای شکل است که درون سیلندر به بالا و پایین حرکت می کند و ضربات حاصل از انفجار سوخت را توسط شاتون به میل لنگ منتقل می کند. میله گژن پین (انگشتی پیستون)، پیستون را به شاتون متصل می کند. رینگ (حلقه) های دور پیستون برای جلوگیری از نفوذ روغن موتور به محفظه احتراق طراحی شده اند. یاطاقان ها هم ضربات و ارتعاشات حاصل از انفجار را تحمل کرده و از ساییدگی میل لنگ جلوگیری می کنند. حرکت خطی (بالا و پایین) پیستون به حرکت چرخشی میل لنگ تبدیل می شود.

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 می گیرد.

شمع
شمع ها باعث ایجاد جرقه و آتش زدن سوخت متراکم محفظه احتراق می شوند. سیستم برق رسانی به شمع ها باید آنقدر دقیق باشد که در زمان مناسب (آخرین لحظه تراکم)، جرقه بزند.

سوپاپ
سوپاپ ها توسط گردش میل بادامک در زمان های مناسب، بالا و پایین می روند و دریچه های ورود سوخت و خروج دود را باز و بسته می کنند.

میل لنگ
حرکت بالا و پایین پیستون باعث چرخش میل لنگ حول محور خود می شود. این چرخش سپس از طریق صفحه کلاچ به جعبه دنده و از آنجا به میل گاردان و دیفرانسیل منتقل می شود و چرخ ها را به حرکت در می آورد. یک سر میل لنگ، صفحه فلایویل و سر دیگر آن پولی قرار دارد.

فلایویل
صفحه گرد دندانه دار بزرگی است که به انتهای میل لنگ متصل است و حرکت چرخشی میل لنگ را به گیربکس و از آنجا به چرخ ها منتقل می کند. وظیفه دیگر فلایویل در هنگام روشن شدن اتومبیل است. در زمان های قدیم این کار توسط هندل انجام می شد، ولی در اتومبیل های جدید این کار بر عهده استارت گذاشته شده است. استارت نیروی خود را از باتری اتومبیل تامین می کند. به این ترتیب که به هنگام استارت زدن، دندانه های استارت با دندانه های فلایویل درگیر می شوند و میل لنگ متصل به آن را به چرخش وا می دارند. با چرخش میل لنگ و آغاز عمل احتراق در موتور، چرخ دنده استارت از فلایویل جدا می شود.

پولی
صفحه گرد دیگری است که به سمت دیگر میل لنگ متصل می شود. پولی با تسمه ای به نام تسمه پروانه به دینام و واتر پمپ (پمپ آب) متصل است و با چرخش خود، آنها را نیز می چرخاند. دینام یک موتور الکتریکی است که با چرخش خود، برق تولید می کند. این برق در سیستم جرقه، چراغ ها، کولر و سیستم های دیگر اتومبیل مصرف می شود و مازاد جریان الکتریسیته آن صرف شارژ کردن باتری می شود. با چرخش واتر پمپ، آب داخل موتور به گردش در می آید. این آب با عبور از کناره های محفظه احتراق گرم می شود. آب گرم شده سپس به رادیاتور جلو منتقل می شود تا خنک شده و دوباره به موتور بر گردد.

میل بادامک
چرخش میل لنگ توسط زنجیر یا میل رابط به میل بادامک منتقل می شود و آن را نیز به چرخش در می آورد. با چرخش میل بادامک، اسبک ها بالا و پایین می روند و در نتیجه سوپاپ های سرسیلندر بطور متناوب باز و بسته می شوند. در ضمن چرخش، میل بادامک، نیروی لازم جهت مکش بنزین از باک و نیز چرخاندن پمپ روغن را تامین می کند.

میل بادامک

میل بادامک

سیستم سوخت رسانی
در اتومبیل ها با چرخش میل لنگ، میل بادامک هم می چرخد و با تسمه ای که به پمپ بنزین متصل است، نیروی لازم جهت مکش بنزین از باک به کاربراتور را تامین می کند. کاربراتور هم بنزین را با هوایی که فیلتر هوا تصفیه کرده است، مخلوط می کند. خلاء حاصل از پایین رفتن پیستون در مرحله مکش، باعث مکش سوخت از کاربراتور به داخل محفظه احتراق سیلندر می شود. این سوخت از طریق مانیفولد ورودی به دریچه ورود سوخت سیلندرها هدایت می شود.

میزان ورود سوخت به سیلندرها توسط اهرم تنظیم سوخت که به پدال گاز متصل است کم و زیاد می شود. با فشار دادن به پدال گاز، سوخت بیشتری به سیلندرها وارد می شود و انرژی بیشتری به هنگام انفجار تولید می شود و به این ترتیب، اتومبیل سریع تر حرکت می کند.

در اتومبیل های قدیمی هم برای روشن کردن اتومبیل در هوای سرد از ساسات استفاده می کردند. در این اتومبیل ها اهرمی وجود دارد که با کشیدن آن، سوخت غنی تری (مخلوط بیشتری از بنزین) به موتور سرد می رسید و آن را روشن می کرد. پس از عمل احتراق، دود حاصل از انفجار سوخت سیلندرها از طریق دریچه خروجی با مانیفولد خروجی و از آنجا به اگزوز هدایت می شود.

نحوه کار سیستم سوخت رسانی موتورهای کاربراتوری به این صورت است که وقتی پیستون در سیلندر پایین می رود، فشار هوای محفظه احتراق افت می کند و با باز شدن دریچه ورود سوخت، هوا به سرعت وارد محفظه می شود. جریان هوا به هنگام عبور از گلوگاه ونتوری، باعث افت فشار در این ناحیه می شود. با این کار، مولکول های بنزین در شرایط افت فشار به شکل قطرات ریز پودر مکیده شده و همراه هوا وارد محفظه احتراق می شوند.

سیستم خنک کننده موتور
احتراق داخلی و نیز حرکت پیستون ها باعث تولید حرارت بسیاری در سیلندرهای اتومبیل می شود. به این منظور، سیستم خنک کننده ای در اتومبیل ها تعبیه شده است که توسط گردش آب به دور سیلندرها، موتور را خنک می کند. نحوه کار این سیستم به این ترتیب است: در اثر حرکت پیستون ها و چرخش میل لنگ، پولی سر میل لنگ هم می چرخد. پروانه خنک کننده و واتر پمپ (پمپ آب) توسط تسمه ای به نام تسمه پروانه نیروی چرخش خود را از پولی می گیرند. با چرخش واتر پمپ، آب در منفذهای ریز تعبیه شده دور سیلندرها جریان می یابد و آن را خنک می سازد.

نمودار بخش های سیستم خنک کننده

نمودار بخش های سیستم خنک کننده

ترموستات
در هوای سرد زمستان و تا وقتی که موتور گرم نشده، ترموستات راه خروج آب از موتور را می بندد 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 می کند تا آب گرم شده موتور به رادیاتور برسد. با چرخش پروانه و عبور هوا از لابلای پنجره های رادیاتور، آب خنک می شود. آب سرد شده دوباره با چرخش واتر پمپ به داخل موتور مکش می شود تا موتور را خنک نگه دارد.

موتورهای مدرن امروزی به کامپیوتر، سنسورها، محرک ها و… مجهز می باشند که وظیفه نظارت و تنظیم ها را بر عهده دارند.

برای مشاهده منابع اینجا کلیک کنید.

برای مشاهده منابع اینجا کلیک کنید.

مقاله علمی و آموزشی «موتور اتومبیل چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.

راهنما و نیازمندی های رایگان خرید و فروش، استخدام و خدمات در ایران

دیدگاه خود را بنویسید

آدرس ایمیل شما منتشر نمی شود. بخش های الزامی با * مشخص شده اند. *

*