پیستون: قلب تپندهٔ موتور
پیستون چیست و چه شکلی است؟
پیستون شبیه یک استوانهٔ کوچک وارونه است که درون یک محفظهٔ استوانهای بزرگتر به نام سیلندر بالا و پایین میرود. برای تصور آن، سرنگ یک واکسن یا چسب مایع را در نظر بگیرید. قسمت پلاستیکی که داخل سرنگ حرکت میکند و مایع را به جلو میراند، دقیقاً عملکردی شبیه پیستون دارد.
اجزای اصلی یک پیستون عبارتند از:
| قسمت پیستون | وظیفه | مثال ساده |
|---|---|---|
| سر (تاج)4 | مستقیم در معرض حرارت و فشار انفجار قرار میگیرد. شکل آن بر کیفیت احتراق تأثیر میگذارد. | کف قابلمهای که مستقیم روی حرارت قرار دارد. |
| بدنه (تنه یا دامن)5 | راهنمای حرکت پیستون در سیلندر و انتقال حرارت. | بدنهٔ پیستون سرنگ که کنارههای لوله را لمس میکند. |
| حلقههای پیستون6 | در شیارهای روی بدنه قرار میگیرند و مانع نفوذ گازها و روغن بین پیستون و سیلندر میشوند. | نوار لاستیکی درب شیشه مربا که هوا را از خارج میبندد. |
| گژنپین7 | میلهای فلزی که پیستون را به شاتون متصل میکند و باعث چرخش آزادانه آن میشود. | قلاب یا پینی که دو قطعهٔ لگو را به هم وصل میکند و حرکت میدهد. |
پیستون از چه مادهای ساخته میشود و چرا؟
پیستون باید در برابر گرما، فشار و سایش بسیار مقاوم باشد. بنابراین جنس آن معمولاً از آلیاژهای سبک و مستحکم است:
آلومینیوم: رایجترین ماده است. زیرا سبک است (کمک به عملکرد سریع موتور) و رسانای خوب گرما (گرما را سریع به بدنهٔ سیلندر منتقل میکند).
فولاد: در برخی موتورهای دیزلی سنگین یا موتورهای با عملکرد بالا استفاده میشود. استحکام و تحمل حرارتی بالاتری دارد اما سنگینتر است.
چگونه انرژی به حرکت تبدیل میشود؟ (مراحل چهارگانه)
برای درک کار پیستون، باید با سیکل (چرخه) چهار مرحلهای یک موتور بنزینی ساده آشنا شویم. این چرخه به نام اتو8 شناخته میشود.
| مرحله (کورس) | کار پیستون | وضعیت سوپاپها | نماد علمی |
|---|---|---|---|
| ۱. مکش | از بالا به پایین حرکت میکند (مکش ایجاد میکند). | سوپاپ ورود هوا-سوخت باز، سوپاپ خروجی بسته. | مخلوط وارد میشود. |
| ۲. تراکم | از پایین به بالا حرکت میکند (مخلوط را فشرده میکند). | هر دو سوپاپ بسته. | فشار و دما افزایش مییابد. |
| ۳. قدرت (احتراق) | انفجار! گازهای داغ منبسط شده، پیستون را با قدرت به پایین میرانند. | هر دو سوپاپ بسته. | انرژی شیمیایی $\rightarrow$ انرژی حرکتی. |
| ۴. تخلیه | از پایین به بالا حرکت میکند (گازهای سوخته را بیرون میراند). | سوپاپ ورودی بسته، سوپاپ خروجی باز. | گازهای خروجی دود میشوند. |
این چهار مرحله بارها و بارها و با سرعت بالا تکرار میشوند. فقط در مرحلهٔ قدرت است که انرژی آزاد میشود و به پیستون نیرو وارد میکند. سه مرحلهٔ دیگر به کمک چرخش میللنگ (که انرژی جنبشی ذخیره دارد) و یا قدرت سیلندرهای دیگر انجام میشوند.
از موتور ماشین تا پمپ دوچرخه: کاربردهای متنوع
پیستون فقط در موتور خودرو نیست. هرجا که نیاز به تبدیل انرژی به حرکت خطی یا ایجاد مکش و فشار باشد، پیستون حضور دارد:
۱. پمپ دستی دوچرخه یا تلمبهٔ باد: وقتی دسته را میکشید، پیستون داخل سیلندر به عقب میرود و هوا را میمکند. وقتی دسته را فشار میدهید، پیستون هوا را فشرده کرده و به تایر میفرستد. اینجا منبع انرژی، عضلات شماست!
۲. موتور بخار تاریخی: در لوکوموتیوهای بخار، بخار داغ تولید شده توسط دیگ بخار به داخل سیلندر هدایت میشد و با فشار خود پیستون را حرکت میداد. این یک موتور برونسوز بود (احتراق خارج از سیلندر).
۳. کمپرسور یخچال: پیستون درون کمپرسور گاز مبرد را فشرده میکند تا گرم شود و چرخهٔ خنکسازی یخچال راه بیفتد.
۴. موتورهای دیزل: در این موتورها، در مرحلهٔ تراکم فقط هوا به شدت فشرده و داغ میشود. سپس سوخت دیزل به درون این هوای داغ پاشیده شده و خودبهخود مشتعل میشود. پیستون در موتورهای دیزل قویتر و تحمل فشار بالاتری دارد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. در یک موتور چهارزمانه، برای تکمیل یک چرخه کامل، پیستون چهار بار جابجا میشود (دو بار بالا، دو بار پایین). در دور موتور معمولی 2000 دور در دقیقه، هر پیستون این چهار مرحله را 1000 بار در دقیقه تکرار میکند! یعنی حرکت بسیار سریع و پرشدتی دارد.
پاسخ: دو مشکل اصلی پیش میآید: ۱. کمپرسی: گازهای داغ مرحلهٔ قدرت به زیر پیستون نفوذ کرده و قدرت موتور کم میشود. ۲. سوزاندن روغن: روغن روانکاری از کنارههای پیستون وارد محفظه احتراق شده و میسوزد که باعث دود آبی رنگ از اگزوز و مصرف بالای روغن میشود.
پاسخ: بله، میتوانیم حرکت را شبیه دوچرخهسواری تصور کنیم. زانوی شما مانند گژنپین پیستون است، ران پای شما مانند شاتون است و پدال دوچرخه مانند میللنگ است. حرکت بالا و پایین ران شما (حرکت خطی) باعث چرخش پدال (حرکت دورانی) میشود. در موتور این رابطه برعکس است: چرخش میللنگ (پدال) توسط نیروی انفجار، باعث حرکت بالا و پایین پیستون (ران) میشود.
پاورقی
1 پیستون (Piston)
2 شاتون (Connecting Rod)
3 میللنگ (Crankshaft)
4 سر یا تاج پیستون (Crown)
5 بدنه یا دامن پیستون (Skirt)
6 حلقههای پیستون (Piston Rings)
7 گژنپین (Gudgeon Pin یا Wrist Pin)
8 سیکل اتو (Otto Cycle)
