نقش حرارت در دوام و میزان قابل اعتماد بودن موتور خودرو چیست؟

موتور اصلی‌ترین بخش یک خودرو است که نقشی بنیادین در عملکرد و میزان قابل اعتماد بودن آن دارد. حتما دیده‌اید موتور برخی خودروها سال‌های سال، بی‌نقص و مثل ساعت درست کار می‌کند، در مقابل برخی مدل‌ها هم هستند که موتور آنها گاه و بیگاه دچار مشکل شده و مالکین خود را به دردسرهای زیادی می‌اندازند. آیا تاکنون به چرایی این مساله فکر کرده‌اید؟ با ما همراه باشید تا یکی از عوامل موثر بر استهلاک یا دوام موتور خودروها را به تفصیل بررسی کنیم.

طبق آمار حدود 1.42 میلیارد خودرو در خیابان‌ها و جاده‌های این کره خاکی در حال تردد هستند. این خودروها توسط حدود 2000 شرکت مختلف که از نظر دانش، تکنولوژی، مهندسی، مدیریت و قدرت مالی در شرایط متفاوتی قرار دارند، تولید می‌شوند. نتیجه این تفاوت‌ها تولید محصولاتی است که از جهات گوناگون، از جمله کیفیت موتور، فرق زیادی با هم دارند.

به طور کلی باید گفت دوام یک موتور ارتباط مستقیمی با سطح مهندسی و دانش طراحی آن دارد. حتما می‌دانید موتور به خاطر اتفاقاتی که درون آن می‌افتد، در معرض شدیدترین فشارها قرار می‌گیرد و اگر فرایندهای مربوطه به خوبی کنترل و مدیریت نشود، قطعات دچار خرابی خواهند شد.

چه عواملی یک موتور را غیرقابل اعتماد می‌سازند؟

برخی موتورها عموما غیرقابل اعتماد هستند، اما پیش از پرداختن به دلایل آن ابتدا باید تعریفی مناسب از «غیرقابل اعتماد بودن» ارائه کنیم. این عبارت را می‌توان به معنای اختلال در عملکرد یک یا چند قطعه اصلی و یا خرابی بلوک که نیازمند باز شدن کامل موتور یا تعویض آن با نمونه‌ای جدید است، تعریف کرد.

در حال حاضر خودروهایی وجود دارند که به رکورد بیش از 1 میلیون مایل کارکرد دست یافته‌اند. در مقابل مدل‌هایی هم هستند که موتور آنها پس از چند صد هزار مایل از کار افتاده و به پایان عمر خود می‌رسد.

اصلی‌ترین دشمن موتور، حرارت بیش از حد است. زمانی که دمای موتور بیش از اندازه بالا برود، تمامی اجزای آن منبسط شده و حتی ممکن است تغییر شکل دهند. مهندسان معمولا دامنه مشخصی برای تغییرات دمایی تعیین کرده و اجزا را طوری طراحی می‌کنند که این فاکتور مشکلی برای آنها بوجود نیاورد.

اما گاها دمای موتور از حدی که مهندسان تعیین کرده‌اند، فراتر می‌رود. این امر فشار مضاعفی به اجزای داخلی از جمله قطعات درزگیر و واشرها تحمیل می‌کند؛ در بدترین حالت ممکن، این احتمال وجود دارد که سیلندر دچار ترکیدگی شده و یا اجزای داخل آن خورد شوند.

موتورها چگونه حرارت را مدیریت می‌کنند؟

مهندسان برای کنترل حرارت تولید شده در داخل سیلندرها، از آب و روغن کمک می‌گیرند. حتما می‌دانید داخل یک موتور درون‌سوز شبکه‌ای از مجراها وجود دارد که آب با عبور از آنها حرارت تولیدی سیلندرها را جذب کرده و از طریق رادیاتور آن را دفع می‌کند. پس می‌توان گفت که آب و رادیاتور بخشی از سیستم مدیریت حرارت هستند.

در مقابل، روغن و سیستم روغن‌کاری نقش پیشگیرانه‌ای دارند و با کاهش اصطکاک بین قطعات متحرک از تولید حرارت جلوگیری می‌کنند. این دو سیستم با همکاری هم نقش حفظ دمای موتور در محدوده مجاز را بر عهده دارند.

حال اگر در عملکرد یکی از این سیستم‌ها اختلال ایجاد شود، حرارت موتور بالا رفته و زمینه برای خرابی فراهم خواهد شد. برای نمونه چنانچه آب به خوبی در داخل مجاری به گردش در نیاید، حرارت موتور به طور بهینه جذب نشده و اجزا به شکلی نامتوازن انبساط پیدا می‌کنند.

در بعضی از موتورها که از دوام بالایی برخوردار نیستند، مجاری داخلی باریک بوده و نمی‌توانند متناسب با حرارت، آب کافی را از خود عبور دهند. این مساله باعث می‌شود حرارت موتور آنگونه که باید جذب نشده و دمای آن از محدوده مجاز بالاتر برود، به ویژه در سرعت‌هایی پایین که رادیاتور کمتر در معرض جریان هوای خنک قرار می‌گیرد.

گنجایش موتور

مباحثی که در رابطه با سیستم خنک‌کاری و روغن‌کاری مرور کردیم، ما را به سمت یکی از اساسی‌ترین ویژگی‌ موتورها یعنی میزان حجم آب در گردش و گنجایش روغن هدایت می‌کند. با توجه به این مباحث هر چه ظرفیت آب و روغن یک موتور زیادتر باشد، پتانسیل مدیریت حرارت هم در آن بیشتر و بهتر خواهد بود. چنین فاکتوری را می‌توان همانند مهمات در جنگ دانست که هر چه فراوان‌تر، سودمندتر!

تفاوت موتورهای دیزلی و بنزینی

موتورهای دیزلی به عنوان گزینه‌ای مناسب برای باربری در مسافت‌های طولانی شناخته می‌شوند. به همین خاطر است که اکثر خودروهای سنگین نیروی خود را از موتوری دیزلی دریافت می‌کنند.

دلیل اصلی بهره‌گیری از موتورهای دیزلی در خودروهای باربری با فاکتور روان‌کاری در ارتباط است. شاید بدانید گازوئیل در مقایسه با بنزین خاصیت روان‌کاری بیشتری دارد، به این معنی که سوخت تزریق شده به داخل سیلندر، در همکاری با روغن موتور، میزان اصطکاک را در کمترین میزان ممکن حفظ می‌کند.

برخلاف گازوئیل، بنزین حاوی ترکیبات شوینده‌ است و هنگام ورود به داخل سیلندر بخشی از روغن و دوده را از بین می‌برد.

نوع طراحی سرسیلندر و بلوک، استفاده از آلومینیوم یا چدن

تمامی موتورهای درون‌سوز دارای دو قسمت اصلی به نام سرسیلندر و بلوک هستند. این دو قسمت به وسیله واشر سرسیلندر عایق‌بندی می‌شود، قطعه‌ای که وظیفه دارد از ورود آب یا روغن به درون سیلندر جلوگیری کند. با این حساب وقتی واشر سر سیلندر خراب شود، این امکان وجود دارد که آب و روغن به داخل سیلندرها نشت کرده و یا سوخت راهی به بیرون از آنها پیدا کند.

سر سیلندر و بلوک معمولا از فلزاتی با جنس متفاوت ساخته می‌شوند، از این رو ضریب انبساط حرارتی آنها ممکن است با یکدیگر تفاوت داشته باشد. هنگام طراحی یک موتور جدید، مهندسان در اکثر مواقع جنس سرسیلندر یا بلوک را از آلومینیوم یا چدن انتخاب می‌کنند. هر یک از این فلزات مزایا و معایب خود را دارند و در برخی موتورها از ترکیب آنها استفاده می‌شود.

چدن از مقاومت بیشتری برخوردار بوده و قیمت پایین‌تری دارد، اما در عوض وزن زیاد و توزیع ضعیف حرارت از ویژگی‌های منفی آن هستند. در مقابل آلومینیوم از لحاظ سبک وزنی و توزیع بهتر حرارت برتری دارد، ولی گران‌تر بوده و در برابر حرارت شدید میزان انبساط آن بسیار بیشتر است.

حال بیایید نگاهی به بادوام‌ترین موتورهای دنیا داشته باشیم. شماری از این موتورها از بلوک چدنی و سرسیلندر آلومینیومی بهره ‌می‌برند. این ساختار سبب می‌شود سازه اصلی موتور بسیار مقاوم باشد و سرسیلندر بتواند حرارت را بهتر دفع کند. البته این موتورها باید به خوبی مدیریت شوند، چرا که برخی از پر استهلاک‌ترین موتورها هم ساختاری مشابه دارند و عدم مدیریت صحیح مشکلات ناشی از انبساط حرارتی، خرابی زودهنگام را به بار می‌آورد.

فاکتور دیگری که در دوام و میزان قابل اعتماد بودن موتورهای درون‌سوز دخیل است، نیروی جنبشی حاصل از حرکت پیستون‌ها است. در این موتورها حرکت پیستون در داخل سیلندر سبب تولید نیروهای بنیادی می‌شود. علاوه‌بر این، نیروهای ثانویه‌ای نیز وجود دارند که به واسطه لرزش یا هر گونه حرکت افقی پیستون در داخل سیلندر ایجاد می‌شوند.

اینکه این نیروها چگونه مدیریت و کنترل شوند، ارتباط مستقیمی با آرایش موتور دارد. در موتورهای چهار سیلندر خطی، نیروهای بنیادی به وسیله دو پیستون که در خلاف جهت دو پیستون دیگر حرکت می‌کنند، خنثی می‌شود. اما این موتورها از یک مشکل دیگر رنج می‌برند و آن عبارت است از نیروهای ثانویه.

در موتورهای شش سیلندر خطی، با کمک زمان‌بندی پیستون‌ها می‌توان هم نیروهای اولیه و هم نیروهای ثانویه را خنثی کرد، به همین جهت این موتورها دوام و اعتماد بالایی دارند.

مباحثی که تا الان مرور کردیم، همه ماجرا نیست و در این بین استثناهایی وجود دارد. یکی از قابل اعتماد‌ترین موتورهای تاریخ، موتور V8 تویوتا 2UZ است. برای اینکه در این موتور بین نیروهای مختلف تعادل مناسبی ایجاد شود، مهندسین تویوتا آن را طوری طراحی کرده‌اند که وزن بیشتری داشته باشد. این موتور در مقایسه با دیگر موتورهای مشابه از نظر ابعاد، گنجایش روغن کمتری دارد و از بلوک چدنی و سرسیلندر آلومینیومی سود می‌برد.

روی کاغذ موتور تویوتا 2UZ نسبت به موتورهایی که از بلوک چدنی برخوردار بوده و گنجایش روغن بیشتری دارند، باید کم‌دوام‌تر باشد، اما در عمل وضعیت به گونه دیگری است. این امر ریشه در فاکتوری به نام چرخه موتور دارد.

مالکین مدل‌های مجهز به موتور 2UZ معمولا در مسافت‌های طولانی‌تری رانندگی می‌کنند، به همین دلیل چرخه موتور در خودروهای آنها کمتر است. در اینجا منظور از چرخه یا همان سیکل موتور عبارت است از بازه‌ای که در آن دمای موتور از کمترین میزان به بیشترین میزان می‌رسد.

بعضی از بادوام‌ترین و قابل اعتماد‌ترین موتورها در خودروهایی دیده‌ می‌شود که اغلب در مسافت‌های طولانی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. رانندگی در چنین سناریویی، چرخه موتور را به حداقل رسانده و دمای آن را در محدوده‌ای با دامنه تغییرات کمتر نگه می‌دارد. با در نظر گرفتن این فاکتور، حال ممکن است خودرویی با کارکرد یک میلیون مایل، چرخه موتوری مشابه با خودرویی که فقط 100 هزار مایل کار کرده، داشته باشد.

هر چه تکرار چرخه موتور بیشتر باشد، قطعات مختلف در نتیجه انبساط و انقباض مداوم، بیشتر با هم تماس پیدا می‌کنند؛ حتما این را نیز می‌دانید که هر گونه تماس یا سایش قاتل برخی قطعات متحرک موتور بوده و بالاخره باعث خرابی می‌شود. همانطور که اشاره کردیم، در سفرهای طولانی موتور تغییرات دمایی کمتری را تجربه کرده و قطعات آن کمتر در معرض تماس قرار می‌گیرند.

آنچه روشن است اینست که طراحی و ساخت یک موتور جدید بسیار پیچیده بوده و نیاز به دانش بالایی دارد، دانشی که در آن باید بین چند فاکتور مختلف، بهترین تعادل را ایجاد کرد. حالا بهتر متوجه می‌شوید چرا برخی شرکت‌های به ظاهر خودروساز موتورهای قدیمی را دو دستی چسبیده و محصولات خود را فقط با چند موتور محدود روانه بازار می‌کنند!

البته تحول به سمت تولید خودروهای برقی در این زمینه نیز انقلابی به پا کرده است چرا که اساس مهندسی تولید و ساخت موتورهای برقی از پیچیدگی کمتری برخوردار است و دوام این پیشرانه ها نیز به شکل عجیب و غریبی بیشتر از موتورهای احتراق داخلی است.