ضربهٔ مکش: آغاز سفر سوخت و هوا در قلب موتور
موتور چهارزمانه چیست و ضربه مکش کجای آن قرار دارد؟
تقریباً همهٔ خودروهای معمولی از موتورهای چهارزمانه استفاده میکنند. «چهارزمانه» به این معنی است که برای تولید یک قدرت، پیستون چهار بار در سیلندر حرکت رفت و برگشتی میکند. این چهار حرکت یا «ضربه» عبارتند از:
| نام مرحله (به فارسی) | شماره مرحله | حرکت پیستون | کار انجام شده | وضعیت سوپاپها |
|---|---|---|---|---|
| مکش (Intake) | 1 | از بالا به پایین | مکش مخلوط هوا و سوخت | ورودی باز، خروجی بسته |
| تراکم (Compression) | 2 | از پایین به بالا | فشردهسازی مخلوط | هر دو بسته |
| احتراق (Power/Combustion) | 3 | از بالا به پایین | انفجار و تولید قدرت | هر دو بسته |
| تخلیه (Exhaust) | 4 | از پایین به بالا | خروج گازهای سوخته | ورودی بسته، خروجی باز |
همانطور که در جدول میبینید، ضربهٔ مکش دروازهٔ ورود به این چرخه است. بدون این مرحله، هیچ مادهای برای فشرده شدن، منفجر شدن و تولید انرژی در سیلندر وجود نخواهد داشت. فکر کنید میخواهید یک بادکنک را بترکانید؛ اول باید آن را از هوا پر کنید (مکش)، سپس دهانهاش را ببندید و فشار دهید (تراکم)، بعد با یک سوزن بترکانید (احتراق) و در آخر تکههای پاره شده را جمع کنید (تخلیه).
اجزای کلیدی دخیل در مرحله مکش
برای اتفاق افتادن ضربهٔ مکش، چند قطعه باید دقیقاً هماهنگ با هم کار کنند:
پیستون: یک قطعهٔ استوانهای است که درون سیلندر بالا و پایین میرود. حرکت آن توسط میللنگ2 کنترل میشود. در مرحله مکش، میللنگ پیستون را از بالاترین نقطه (نقطهٔ مرگ بالا3) به پایینترین نقطه (نقطهٔ مرگ پایین4) میکشد.
سیلندر: محفظهٔ استوانهای دقیقی است که پیستون در آن حرکت میکند. فضای بین سر پیستون و سر سیلندر در پایان مرحله مکش، پر از مخلوط تازه میشود.
سوپاپ ورودی (اینلت): مانند یک درب یکطرفه عمل میکند. فقط در مرحله مکش باز میشود تا مخلوط هوا و سوخت وارد شود و بلافاصله بعد از آن بسته میشود تا از برگشت مخلوط جلوگیری کند.
مجرای ورودی (منیفولد ورودی): لولههایی هستند که هوا (یا مخلوط) را از فیلتر هوا به سوپاپهای ورودی میرسانند. مانند رگهایی که خون را به قلب میرسانند.
انژکتور یا کاربراتور: این قطعات مسئول ساخت مخلوط صحیح هوا و سوخت هستند. انژکتور سوخت پودر شده را مستقیماً در مسیر هوا یا درون سیلندر میپاشد. کاربراتور با مکش هوا، سوخت را مخلوط میکند.
فرآیند گام به گام ضربه مکش
بیایید این مرحله را قدم به قدم، از شروع تا پایان دنبال کنیم:
گام ۱: پایان انفجار قبلی و شروع جدید. پس از آنکه در ضربهٔ قدرت، مخلوط محترق شده پیستون را به پایین هل داد، پیستون دوباره شروع به حرکت به سمت بالا میکند تا گازهای سوخته را خارج کند (ضربه تخلیه). پس از اتمام تخلیه، سوپاپ خروجی بسته میشود. موتور آماده است تا یک سیکل جدید را با ضربه مکش آغاز کند.
گام ۲: باز شدن سوپاپ ورودی. کمی قبل از اینکه پیستون به بالاترین نقطه برسد (نقطه مرگ بالا)، سیستم تایمینگ5 موتور، سوپاپ ورودی را باز میکند. این زمانبندی پیشانتظار6 کمک میکند تا هنگام شروع حرکت پایینرونده، مسیر کاملاً باز باشد.
گام ۳: حرکت پایینرونده و ایجاد خلاء. میللنگ پیستون را به سمت پایین میکشد. با پایین رفتن پیستون، حجم داخل سیلندر افزایش مییابد. از آنجایی که سوپاپ خروجی بسته است و سوپاپ ورودی باز، این افزایش حجم باعث کاهش فشار داخل سیلندر میشود. این فشار کمتر از فشار هوای بیرون (اتمسفر) است که به آن «خلاء نسبی» یا «خلاء جزئی» میگویند.
گام ۴: مکش مخلوط. هوای بیرون که فشار بیشتری دارد، برای پر کردن این فضای کمفشار، به داخل سیلندر هجوم میآورد. این هوا از طریق مجرای ورودی، که در مسیر آن کاربراتور یا انژکتور، سوخت لازم را به آن اضافه کرده است، عبور میکند و مخلوط آماده وارد محفظهٔ سیلندر میشود.
گام ۵: پر شدن سیلندر و بسته شدن سوپاپ. پیستون به پایینترین نقطه (نقطه مرگ پایین) میرسد. در این لحظه، سیلندر تا حد امکان از مخلوط تازه پر شده است. کمی بعد از گذشتن از نقطه مرگ پایین، سوپاپ ورودی بسته میشود تا از برگشت مخلوط به بیرون هنگام شروع حرکت رو به بالای پیستون (برای تراکم) جلوگیری کند. اکنون سیلندر آمادهٔ مرحلهٔ بعد، یعنی تراکم است.
ریاضیات ساده پشت ضربه مکش: حجم و کارایی
برای دانشآموزان دوره متوسطه و دبیرستان، درک کمی از مفاهیم حجم و کارایی جالب است. حجمی که پیستون در حرکت از بالا به پایین میپیماید، حجم جاروبی7 نام دارد. این حجم با فرمول زیر محاسبه میشود:
که در آن:
• $ V_s $ = حجم جاروبی (بر حسب سانتیمتر مکعب یا لیتر)
• $ D $ = قطر سیلندر (بهطور مثال: 8.5 cm)
• $ L $ = کورس پیستون (فاصله بین نقطه مرگ بالا و پایین، مثلاً 8.8 cm)
• $ \pi $ (پی) ≈ 3.14
مثال: اگر قطر سیلندر خودرویی 8.5 cm و کورس پیستون آن 8.8 cm باشد، حجم جاروبی یک سیلندر میشود:
$ V_s = \frac{3.14}{4} \times (8.5)^2 \times 8.8 \approx 0.785 \times 72.25 \times 8.8 \approx 499.5 \text{ cm}^3 $
یعنی در هر ضربه مکش، این سیلندر در تئوری میتواند حدود 500 cm³ (نیم لیتر) مخلوط هوا و سوخت را به داخل بکشد.
اما در عمل، موتور هرگز نمیتواند بهطور کامل سیلندر را پر کند. بازده حجمی8 معیاری است که نشان میدهد موتور چقدر در مکش مخلوط به داخل سیلندر موفق است. این عدد معمولاً به صورت درصد بیان میشود. یک موتور معمولی در دورهای پایین ممکن است بازده حجمی حدود 75% تا 90% داشته باشد. عواملی مثل طراحی منیفولد، زمانبندی سوپاپها و سرعت موتور بر این بازده تأثیر میگذارند.
از آزمایشگاه تا جاده: کاربرد و یک مثال عملی
مفهوم ضربه مکش فقط تئوری نیست. وقتی پای خود را روی پدال گاز فشار میدهید، در واقع به موتور دستور میدهید مخلوط بیشتری در هر ضربه مکش وارد سیلندر کند. چگونه؟
در خودروهای مدرن، کامپیوتر خودرو (ایسییو9) با باز کردن بیشتر دریچهٔ گاز10، مقاومت مسیر ورود هوا را کم میکند. در نتیجه، هوا راحتتر و با حجم بیشتری وارد منیفولد ورودی میشود. همزمان، دستور تزریق سوخت بیشتری را به انژکتورها میدهد تا نسبت هوا به سوخت مناسب حفظ شود. بنابراین، در هر ضربه مکش، حجم واقعی مخلوط غنیتری وارد سیلندر میشود که پس از تراکم و احتراق، قدرت انفجار بزرگتری تولید میکند و خودرو سریعتر شتاب میگیرد.
مثال عملی با یک دوچرخه: اگر تا به حال از تلمبهٔ دستی برای باد کردن لاستیک استفاده کردهاید، شما یک ضربه مکش کوچک را شبیهسازی کردهاید. وقتی دستهٔ تلمبه را میکشید (پیستون به سمت پایین حرکت میکند)، یک سوپاپ یکطرفه در نوک تلمبه (سوپاپ ورودی) باز میشود و هوا به داخل سیلندر تلمبه مکیده میشود. وقتی دسته را به سمت پایین فشار میدهید (حرکت رو به بالا)، آن سوپاپ بسته میشود و هوا به داخل لاستیک فرستاده میشود (شبیه به مرحله تراکم و تخلیه).
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 ضربه مکش (Intake Stroke)
2 میللنگ (Crankshaft)
3 نقطه مرگ بالا (Top Dead Center - TDC)
4 نقطه مرگ پایین (Bottom Dead Center - BDC)
5 سیستم تایمینگ (Timing System)
6 زمانبندی پیشانتظار (Valve Lead)
7 حجم جاروبی (Swept Volume/Displacement)
8 بازده حجمی (Volumetric Efficiency)
9 ایسییو (Engine Control Unit - ECU)
10 دریچه گاز (Throttle Valve/Body)
11 ترتیب احتراق (Firing Order)
