موتور چهارزمانه: قلب تپنده ماشینها
چهار زمان حیاتی: از صفر تا صد قدرت
برای درک سادهتر، موتور را مانند یک سرنگ بزرگ تصور کنید که یک پیستون3 داخل آن بالا و پایین میرود. این حرکت بالا و پایین، توسط یک میله (شاتون4) به میللنگ تبدیل شده و باعث چرخش آن میشود. هر بار حرکت پیستون از بالاترین نقطه به پایینترین نقطه (یا برعکس) یک «کورس» یا «زمان» نامیده میشود. در موتور چهارزمانه، برای تولید یکبار قدرت، پیستون چهار بار جابجا میشود (چهار کورس) که معادل دو دور کامل چرخش میللنگ است.
| شماره زمان | نام زمان | جهت حرکت پیستون | وظیفه و رویداد اصلی | وضعیت سوپاپها |
|---|---|---|---|---|
| ۱ | مکش (اینتک5) | پایین | مخلوط هوا و سوخت (در موتورهای کاربراتوری) یا فقط هوا (در موتورهای انژکتوری) وارد سیلندر6 میشود. |
سوپاپ ورودی باز ،
سوپاپ خروجی بسته
|
| ۲ | تراکم (کمپرشن7) | بالا | پیستون مخلوط هوا و سوخت را فشرده میکند تا برای انفجار آماده شود. در انتهای این زمان، شمع جرقه میزند. |
هر دو سوپاپ بسته
|
| ۳ | احتراق (پاور8) | پایین | انفجار مخلوط فشرده شده، انرژی عظیمی آزاد کرده و پیستون را با فشار به سمت پایین میراند. این تنها زمان تولید کننده قدرت است. |
هر دو سوپاپ بسته
|
| ۴ | تخلیه (اگزوز9) | بالا | پیستون گازهای سوخته و بیفایده حاصل از انفجار را از سیلندر بیرون میراند تا فضای برای شروع چرخه جدید آماده شود. |
سوپاپ ورودی بسته ،
سوپاپ خروجی باز
|
پس از پایان زمان چهارم، سوپاپ خروجی بسته و سوپاپ ورودی دوباره باز میشود و چرخه از ابتدا تکرار میگردد. این چهار زمان پیوسته و پشت سر هم، موتور را به کار میاندازند.
نگاهی دقیقتر: فرمولها و نسبتهای مهم
برای دانشآموزان دوره متوسطه و دبیرستان، فهم برخی اعداد و نسبتها جالب است. یکی از مهمترین مفاهیم، نسبت تراکم10 است. این نسبت نشان میدهد حجم مخلوط هوا و سوخت در ابتدای زمان تراکم، چند برابر بیشتر از حجم آن در انتهای این زمان (یعنی در کوچکترین نقطه) است.
$ CR = \frac{V_{max}}{V_{min}} $
که در آن:
$CR$ : نسبت تراکم
$V_{max}$ : حجم کل سیلندر وقتی پیستون در پایینترین نقطه است (حجم جاروب شده + حجم محفظه احتراق).
$V_{min}$ : حجم محفظه احتراق وقتی پیستون در بالاترین نقطه است.
مثال: اگر حجم کل سیلندر در زمان مکش 500 cm³ و حجم محفظه احتراق در انتهای تراکم 50 cm³ باشد، نسبت تراکم 10:1 است. نسبت تراکم بالاتر معمولاً به معنای راندمان11 و قدرت بیشتر موتور است. همچنین در زمان احتراق، واکنش شیمیایی اصلی سوزاندن بنزین (اکتان) با اکسیژن است که به صورت ساده شده اینگونه نمایش داده میشود:
$ 2 C_8H_{18} + 25 O_2 \rightarrow 16 CO_2 + 18 H_2O + \text{انرژی (گرما و فشار)} $
این انرژی آزاد شده، همان چیزی است که پیستون را به حرکت درمیآورد.
موتور چهارزمانه در عمل: از چرخ خیاطی تا کشتیهای بزرگ
این موتورها بسته به اندازه، تعداد سیلندرها و کاربرد، شکلهای مختلفی دارند. سادهترین مثال، موتور برخی چمنزنیها و ژنراتورهای کوچک است که اغلب تک سیلندر هستند. صدای «تقتق» منظم آنها در واقع تکرار همین چهار زمان است. در مقیاس بزرگتر، خودروی خانواده شما احتمالاً یک موتور چهار، شش یا هشت سیلندر چهارزمانه دارد. این سیلندرها بهگونهای پشت سر هم و با توالی خاصی کار میکنند که همواره حداقل یکی از آنها در زمان «قدرت» باشد تا حرکت نرم و پیوستهای ایجاد کند.
یک مثال مهیج دیگر، موتورسیکلتهای اسپورت هستند. در برخی از این موتورها، هر سیلندر در هر دور میللنگ یکبار قدرت تولید میکند (با استفاده از مکانیزمهای خاص)، اما چرخه اصلی آنها همچنان بر اساس چهار زمان مکش، تراکم، احتراق و تخلیه است. حتی برخی کشتیهای غولپیکر از موتورهای دیزل چهارزمانه با سیلندرهای به قطر چند متر استفاده میکنند!
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. تنها در زمان سوم (احتراق/پاور) است که انفجار سوخت، قدرت لازم برای حرکت پیستون را تولید میکند. سه زمان دیگر (مکش، تراکم، تخلیه) زمانهای «مصرفکننده» قدرت هستند و انرژی مورد نیاز خود را از چرخش میللنگ (که توسط انرژی ذخیره شده در فلایویل12 یا قدرت سیلندرهای دیگر تأمین میشود) میگیرند.
پاسخ: تفاوت اصلی در زمان سوم (احتراق) است. در موتور بنزینی، در انتهای زمان تراکم، شمع جرقه میزند و مخلوط فشرده شده ی هوا و بنزین را مشتعل میکند. اما در موتور دیزل، در زمان مکش فقط هوا وارد میشود و در زمان تراکم، این هوا به شدت فشرده و داغ میشود. سپس در لحظهای که پیستون به بالاترین نقطه میرسد، سوپاپ پاشش سوخت (انژکتور)، گازوییل را به صورت پودر اسپری میکند که بلافاصله به دلیل حرارت بالای هوا، خودبهخود مشتعل میشود. بنابراین موتور دیزل به شمع جرقه نیاز ندارد.
پاسخ: حجم موتور، مجموع «حجم جاروب شده» تمام سیلندرهای آن است. حجم جاروب شده، حجمی است که پیستون در حرکت از بالاترین نقطه به پایینترین نقطه درون سیلندر جارو میکند. اگر موتوری ۴ سیلندر داشته باشد و حجم جاروب شده هر سیلندر 400 cm³ باشد، حجم کل موتور 1600 cm³ یا 1.6 لیتر است. به طور کلی، حجم موتور بیشتر، نشاندهنده پتانسیل قدرت بالاتر است.
پاورقی
1 احتراق داخلی (Internal Combustion Engine - ICE): موتوری که سوخت در داخل محفظهای بسته (سیلندر) میسوزد.
2 میللنگ (Crankshaft): قطعهای که حرکت خطی پیستون را به حرکت دورانی تبدیل میکند.
3 پیستون (Piston): قطعه استوانهای متحرک داخل سیلندر.
4 شاتون (Connecting Rod): میلهای که پیستون را به میللنگ متصل میکند.
5 اینتک (Intake): ورودی.
6 سیلندر (Cylinder): محفظه استوانهای اصلی موتور که پیستون در آن حرکت میکند.
7 کمپرشن (Compression): فشردهسازی.
8 پاور (Power): قدرت.
9 اگزوز (Exhaust): خروج دود.
10 نسبت تراکم (Compression Ratio - CR).
11 راندمان (Efficiency): بازدهی.
12 فلایویل (Flywheel): چرخ لنگر، دیسک سنگینی که برای ذخیره انرژی دورانی و یکنواختکردن چرخش میللنگ استفاده میشود.
13 دیزل (Diesel): نوعی موتور احتراق داخلی که از خاصیت خودآتشزایی گازوییل تحت فشار و دمای بالا استفاده میکند.
