مرحلهٔ آتش گرفتن: مرحله احتراق در موتور

مرحلهٔ آتش گرفتن (Explosion Step): قلب تپندهٔ موتور

موتور چگونه کار می‌کند؟ یک نگاه کلی به چهار مرحله

اکثر موتورهایی که در خودروهای بنزینی می‌بینیم، «موتورهای چهارزمانه^۱» نام دارند. این موتورها برای تولید یک بار قدرت، چهار مرحله یا «زمان» را طی می‌کنند. این مراحل به ترتیب عبارتند از: مکش، تراکم، احتراق (آتش گرفتن) و تخلیه. مرحلهٔ آتش گرفتن، سومین و مهم‌ترین مرحله در این چرخه است که انرژی لازم برای حرکت پیستون و در نهایت چرخیدن چرخ‌ها را فراهم می‌کند.

جزئیات مرحلهٔ آتش گرفتن: از جرقه تا انبساط

در پایان مرحلهٔ تراکم، پیستون به بالاترین نقطهٔ خود (نقطهٔ مرگ بالا^۲) می‌رسد. در این لحظه، مخلوط بسیار فشرده‌شدهٔ هوا و بنزین (یا گازوئیل در موتورهای دیزلی) در یک فضای بسیار کوچک قرار دارد. حالا نوبت جرقه زدن است.

پس از جرقه، احتراق آغاز می‌شود. این فرآیند یک واکنش شیمیایی سریع و گرمازا است. سوخت (هیدروکربن) با اکسیژن هوا ترکیب شده و تولید می‌کند:

$ C_xH_y + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O + \text{گرمای زیاد} + \text{انبساط} $

گرمای حاصل از این واکنش، باعث می‌شود گازهای موجود در محفظهٔ احتراق به سرعت منبسط شوند. از آنجایی که پیستون و سوپاپ‌ها راه فراری ندارند (هر دو سوپاپ بسته هستند)، این فشار عظیم و ناگهانی تنها به پیستون وارد می‌شود و آن را با نیرویی خیره‌کننده به سمت پایین می‌راند. این حرکت خطی پیستون، از طریق شاتون^۳ به میل‌لنگ^۴ منتقل شده و به حرکت دورانی تبدیل می‌شود. این حرکت دورانی نهایتاً به چرخ‌های ماشین منتقل می‌گردد.

مقایسهٔ احتراق در موتورهای بنزینی و دیزلی

اگرچه اصل تبدیل انرژی در هر دو نوع موتور یکسان است، اما روش ایجاد احتراق در آن‌ها تفاوت کلیدی دارد. این تفاوت را می‌توان در مثال‌های زیر دید:

• موتور بنزینی (جرقه‌ای): مانند روشن کردن یک کبریت در یک اتاق پر از گاز قابل اشتعال! ابتدا هوا و بنزین با هم مخلوط می‌شوند (در کاربراتور یا انژکتور)، سپس فشرده می‌شوند و در نهایت شمع جرقه می‌زند تا مخلوط را مشتعل کند.
• موتور دیزلی (تراکمی): مانند پمپ دوچرخه! وقتی سریعاً پیستون پمپ دوچرخه را فشار می‌دهید، هوا به شدت فشرده و داغ می‌شود. در موتور دیزل، فقط هوا به شدت فشرده می‌شود تا دمای آن بسیار بالا برود (مثلاً به 700-900 درجهٔ سانتی‌گراد). سپس در لحظهٔ اوج تراکم، سوخت (گازوئیل) به صورت پودر به داخل این هوای داغ پاشیده می‌شود و خودبه‌خود بدون نیاز به جرقه، مشتعل می‌گردد.

تأثیر زمان‌بندی دقیق جرقه و کیفیت احتراق بر عملکرد

موتور یک دستگاه دقیق است. زمان‌بندی جرقه زدن شمع بسیار حیاتی است. اگر جرقه خیلی زود (پیش‌آتش‌زنی^۶) یا خیلی دیر (آتش‌زنی با تأخیر) اتفاق بیفتد، قدرت موتور کم می‌شود، مصرف سوخت افزایش می‌یابد و حتی ممکن است به موتور آسیب برسد.

عوامل زیادی بر کیفیت احتراق تأثیر می‌گذارند: کیفیت سوخت, درصد خلوص هوا, سلامتی شمع, تراکم سیلندر.

یک احتراق خوب و کامل، زمانی رخ می‌دهد که تقریباً تمام سوخت موجود در سیلندر به طور کامل بسوزد. این احتراق کامل، بازده موتور را بالا برده و آلاینده‌های خروجی از اگزوز را به حداقل می‌رساند. معادلهٔ ساده‌شدهٔ احتراق کامل یک هیدروکربن مانند اکتان (جزء اصلی بنزین) چنین است:

کاربرد عملی: چرا درک احتراق برای راننده مهم است؟

شاید فکر کنید این مباحث فقط برای مکانیک‌هاست، اما دانستن اصول اولیهٔ احتراق به هر راننده‌ای کمک می‌کند. برای مثال، اگر خودروی شما «زوزه» می‌کشد یا هنگام شتاب گرفتن صدای تق‌تق می‌دهد، ممکن است دچار «کوبش^۷» شده باشد. کوبش زمانی رخ می‌دهد که بخشی از سوخت، زودتر از موعد و بر اثر حرارت و فشار زیاد (نه توسط جرقهٔ شمع) منفجر شود. این انفجارهای نابهنگام، امواج ضربه‌ای مخربی ایجاد می‌کنند که به پیستون و بدنهٔ سیلندر آسیب می‌رسانند. استفاده از بنزین با اکتان مناسب (مثلاً 95 به جای 87) می‌تواند از این پدیده جلوگیری کند.

همچنین، اگر شمع‌های خودرو به موقع تعویض نشوند، جرقه ضعیف شده و احتراق ناقص صورت می‌گیرد. نتیجه؟ کاهش قدرت، افزایش مصرف سوخت (پول بیشتر برای بنزین!) و خروج دود سیاه یا آبی از اگزوز. پس مراقبت از سلامت سیستم احتراق، هم به جیب شما و هم به محیط زیست کمک می‌کند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ Four-Stroke Engine
^۲ Top Dead Center (TDC)
^۳ Connecting Rod
^۴ Crankshaft
^۵ Torque: نیروی چرخشی که باعث حرکت خودرو می‌شود.
^۶ Pre-Ignition
^۷ Engine Knocking
^۸ Glow Plug
^۹ Stoichiometric Ratio: نسبت ایده‌آل هوا به سوخت برای یک احتراق کامل. برای بنزین حدود 14.7:1 است.