موتور احتراق داخلی چیست و چگونه کار می‌کند؟

این روزها به هرگوشه که نگاه کنید، شاهد تلاش خودروسازان برای تولید اتومبیل‌های الکتریکی خواهید بود. با این حال همچنان پیشرانه احتراقی یا موتور احتراق داخلی بر فضای صنعت خودروسازی جهان حاکم است و اکثر خودروهای به فروش رسیده مجهز به موتورهای بنزینی یا دیزلی هستند. حتی خودروهای هیبریدی نیز به موتور درون‌سوز نیاز دارند، بنابراین به نظر نمی‌رسد طی کوتاه مدت شاهد حذف پیشرانه احتراقی از صنعت خودروسازی جهان باشیم.

در این مقاله نگاهی به ستون اصلی صنعت خودروسازی جهان طی قرن اخیر خواهیم داشت و پیشرانه احتراقی را از جنبه‌های مختلف بررسی خواهیم کرد. موتورهای درون سوز طی یک قرن گذشته پیشرفت‌های چشمگیری را تجربه کرده‌اند و با وجود محدودیت‌ها، همچنان روند رشد و توسعه آن‌ها ادامه دارد. انتظار می‌رود حداقل تا یک دهه آینده، شاهد ادامه تولید موتورهای درون‌سوز باشیم.

موتور احتراقی چیست؟

اگر به مطالب خودرویی علاقمند باشید، حتما بارها کلمه ICE را در اخبار و مقاله‌های مرتبط با اتومبیل مشاهده کرده‌اید. این کلمه کوتاه شده عبارت internal combustion engine یا موتور درون سوز است که برخی به آن پیشرانه احتراقی نیز می‌گویند.

وجه نام‌گذاری این نوع پیشرانه، به فرآیند کاری آن مربوط می‌شود. همان‌طور که از نام موتور احتراق داخلی مشخص است، در این پیشرانه با یک محفظه بسته به نام محفظه احتراق مواجه هستیم. واکنش‌های شیمیایی سوختن و تولید مخلوطی از گرما و انرژی درون این محفظه صورت می‌گیرد و به همین دلیل است که این نوع از موتور را با نام احتراق داخلی می‌شناسند.

وظیفه موتور احتراق داخلی، تبدیل حرارت به انرژی است. این موتور گرمای حاصل از سوختن بنزین را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند که این انرژی در قالب قدرت و گشتاور از پیشرانه به سوی چرخ‌ها ارسال می‌شود تا خودرو حرکت کند. اکثر موتورهای درون‌سوز از سیستم چهار زمانه پیروی می‌کنند. با این حال برخی نسخه‌های قدیمی براساس سیستم دو زمانه توسعه یافته بودند که همانند موتور اره برقی عمل می‌کرد و نشانه آن دود روغنی بود.

تاریخچه موتور درون‌سوز

نخستین پیشرانه احتراقی یا موتور درون سوز در سال 1862 میلادی توسط یک مخترع آلمانی ملقب به اتو اختراع شد. نکته جالب در خصوص موتور احتراقی، اهدای لقب چرخه فعالیت آن به مخترع این پیشرانه است. در حقیقت چرخه فعالیت چهار زمانه این موتورها نیز به احترام مخترع آن، چرخه اتو نام گرفته است.

با این حال تاریخچه موتورهای درون‌سوز از آن‌چه تصور می‌کنید، طولانی‌تر است. این موتورها نخستین بار توسط مخترع و دانشمند معروف ایتالیایی لئوناردو داوینچی به جهان معرفی شدند. البته نخستین موتورهای درون‌سوز فاقد قابلیت فشرده سازی بودند و هنوز مکانیزم جرقه زنی برای اشتعال مخلوط هوا و سوخت معرفی نشده بود. توسعه فناوری‌های فشرده سازی، مخلوط کردن هوا و سوخت و جرقه زنی طی قرون 18 و 19 میلادی، راه را برای تولید موتورهای درون‌سوز امروزی هموار کرد.

موتور درون‌سوزی که توسط اتو اختراع شده بود، قابلیت فشرده سازی نداشت. حدود یک دهه طول کشید تا اتو با همکاری گوتیب دایملر معروف و ویلهلم میبک نخستین موتور درون سوز چهار زمانه را به معنای واقعی اختراع کردند. سه سال بعد یعنی در سال 1879، کارل بنز نخستین موتور چهار زمانه احتراق داخلی را در نخستین اتومبیل تاریخ به کار گرفت.

اما موتورهای درون‌سوز تنها با سوخت بنزین کار نمی‌کنند. نوع دیگر سوخت مورد استفاده در موتورهای احتراقی گازوئیل است که در منابع انگلیسی با نام دیزل شناخته می‌شود. علت نام گذاری این سوخت نیز به یک مخترع دیگر مربوط می‌شود. یک آلمانی دیگر به نام رودلف دیزل، موتور درون سوز دیزلی را در سال 1892 میلادی معرفی کرد. پیشرانه‌ای که او معرفی کرده بود، در ابتدا از زغال سنگ پودر شده به عنوان سوخت استفاده می‌کرد اما بعدها گازوئیل جایگزین پودر زغال سنگ شد.

موتور احتراقی دیزلی از چرخه کارنو به جای چرخه اتو استفاده می‌کند و قابلیت فعالیت با سوخت‌های مختلفی همچون روغن‌ها، پودر زغال سنگ یا گازوئیل (به صورت پودری) را دارد. در همین زمان نیز کارل بنز نوع پیشرفته‌تری از موتور درون سوز بنزینی را معرفی کرد که براساس زمان‌بندی منظم پیستون‌ها فعالیت می‌کرد.

پیشرفت‌های اندک ولی کارآمد موتور احتراقی در دوران معاصر

سیستم فعالیت یک موتور درون‌سوز از ابتدای قرن بیستم تاکنون دست نخورده باقی مانده است اما دانشمندان و مهندسان در طول سده گذشته کارایی موتورهای درون‌سوز را دستکاری جزئیات آن‌ها، افزایش داده‌اند. نخستین اقدام آن‌ها جایگزینی کاربراتور با انژکتور بود که به افزایش قدرت و گشتاور موتورهای درون‌سوز منجر شد.

دومین اقدام کلیدی متخصصان، افزایش تعداد سوپا‌پ‌های هر پیستون از 2 به 4 بوده است. بنابراین موتورهای چهار سیلندر به جای هشت سوپاپ، اکنون 16 سوپاپ داشتند. استفاده از چهار سوپاپ به جای دو سوپاپ به ازای هر پیستون، کارایی پیشرانه‌های درون سوز را به شکل چشم‌گیری افزایش داد. برای مثال راندمان پیشرانه TU3 با کاربراتور و سیستم هشت سوپاپ حدود 65 الی 75 اسب‌بخار است اما هنگامی که این پیشرانه با سیستم شانزده سوپاپ و انژکتور همراه می‌شود، توان خروجی آن به 100 اسب‌بخار افزایش می‌یابد.

راهکار جدید مهندسان خودروسازی طی سده اخیر و در قرن 21 ام، تغییر نسبت هوا و سوخت بوده است. آن‌ها برای این کار از سیستم‌های تنفس مصنوعی یا توربوشارژر استفاده کردند. توربوشارژرها ساز و کاری برای تنفس بهتر موتور هستند. هوای ورودی به جای آن‌که مستقیم وارد پیشرانه شود، وارد توربوشارژر می‌شود. هوا در توربوشارژر به شدت فشرده و خنک می‌شود. هوای فشرده و خنک دقیقا آن چیزی است که یک موتور احتراقی نیاز دارد.

همزمان با توسعه توربوشارژرها، یک تغییر اساسی دیگر در موتورهای درون‌سوز پدید آمد. این پیشرفت جایگزینی سیستم تزریق مستقیم سوخت به جای تزریق غیر مستقیم بود. تا پیش از این مخلوط سوخت و هوا در انژکتور آماده می‌شد و سپس این مخلوط به درون سیلندرها تزریق می‌گردید. با این حال سیستم تزریق مستقیم سوخت راه کوتاه‌تری را انتخاب کرده است و به جای پاشش چند نقطه‌ای، بنزین را مستقیم درون محفظه احتراق تزریق می‌کند. این فرآیند سومین تغییر بزرگ در راستای افزایش راندمان موتورهای درون‌سوز بود. برای درک بهتر این تغییر لازم است تا به تفاوت راندمان هیوندای سانتافه و کیا سورنتو توجه کنید. هیوندای سانتافه به موتور 2.4 لیتری MPi (تزریق غیرمستقیم سوخت) مجهز است که حداکثر 174 اسب‌بخار قدرت تولید می‌کند. در سوی مقابل کیا سورنتو با همین موتور اما از نوع GDi (تزریق مستقیم سوخت)، 188 اسب‌بخار قدرت تحویل راننده می‌دهد. البته موتورهای GDi به بنزین باکیفیت نیاز دارند و در صورتی که از بنزین با کیفیت پایین در آن‌ها استفاده شود، دچار مشکل می‌شوند.

نگاهی کوتاه به فرآیند موتور احتراقی

موتورهای درون‌سوز از طریق حرکت قطعاتی به نام پیستون، انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. این پیستون‌ها درون محفظه‌های فلزی به نام سیلندر قرار دارند. با چرخش پیستون‌ها، قطعه فوقانی آن‌ها به نام میل لنگ بالا و پایین می‌رود و باعث ایجاد انرژی جنبشی می‌شود. فرآیند بالا و پایین رفتن پیستون‌ها درون سیلندر همچون فرآیند رکاب زدن با دوچرخه است، با این تفاوت که به جای ساق پا انرژی لازم برای حرکت پیستون‌ها از طریق احتراق و گرما ایجاد می‌شود.

هزاران انفجار کنترل شده کوچک، پیستون‌ها را به سمت پایین هل می‌دهند. این انفجارها مخلوط سوخت و اکسیژن را به آتش می‌کشند که به آن سکته احتراق می‌گویند. گرما و گازهای در حال انبساط حاصل از این انفجار کوچک، پیستون را در سیلندر به سمت پایین سوق می‌دهد.

همان‌طور که در مقدمه مطلب اشاره کردیم، اکثر موتورهای احتراق داخلی امروزی از فرآیند کاری چهار زمانه تبعیت می‌کنند. این چهار فرآیند شامل ورود سوخت، فشرده سازی، احتراق و خروج دود هستند.

موتورها برای سوزاندن سوخت به هوا (یعنی اکسیژن) نیاز دارند. در طول کورس ورودی، دریچه‌ها باز می‌شوند تا به پیستون اجازه دهند مانند یک سرنگ در حین حرکت به سمت پایین عمل کند و هوای محیط را از طریق سیستم ورودی موتور بکشد. هنگامی که پیستون به انتهای کورس خود می‌رسد، دریچه های ورودی بسته می‌شوند و پیستون به سمت بالا حرکت می‌کند تا مخلوط سوخت و هوا فشرده شود.

انبساط حاصل از گازهای داغ و سوزاننده، پیستون را در جهت مخالف (پایین) در حین حرکت احتراق هل می دهد. این ضربه‌ای است که چرخ های ماشین شما را به چرخش در می‌آورد، درست مانند زمانی که پدال های دوچرخه را به سمت پایین فشار می دهید. هنگامی که سکته احتراق به نقطه انتهایی می‌رسد، دریچه های اگزوز یا سوپاپ‌های خروج دود باز می شوند تا گازهای احتراق از موتور خارج شوند. پیستون تا انتها بالا می‌آید و تمامی دود ناشی از احتراق را تخلیه می‌کند. پس از آن این فرآیند چهارگانه یکبار دیگر اجرا می‌شود.

پیشرفت‌های متاخر در حوزه موتورهای درون‌سوز

آغاز قرن 21 ام با تمایل خودروسازان برای تولید خودروهای دوگانه سوز یا هیبرید مصادف شد. نخستین خودروهای هیبریدی از سوخت‌های طبیعی جایگزین به همراه بنزین استفاده می‌کردند، در نتیجه موتورهای درون‌سوز نیاز داشتند با سوخت‌های طبیعی جایگزین همچون گاز طبیعی، گاز مایع، اتانول و متانول تطبیق پیدا کنند.

مدتی بعد بعد اما این جریان شکل دیگری به خود گرفت و خودروهای هیبریدی برقی – بنزینی پدیدار شدند. موتورهای درون‌سوز اکنون به تطبیق جدی با فناوری‌های مدرن نیاز داشتند، در نتیجه پیشرانه احتراقی براساس چرخه اتکینسون پدید آمد. این نوع از پیشرانه‌ها قدرت و گشتاور کمتری تولید می‌کنند اما کارآمدتر هستند و مصرف سوخت بهینه‌تری دارند. پیشرانه‌های نصب شده در خودروهای هیبریدی همچون تویوتا پریوس یا تویوتا کمری هیبرید، براساس چرخه اتکینسون فعالیت می‌کنند.

بنابراین موتورهای درون‌سوز از دنیا حذف نشدند، بلکه تکامل پیدا کردند و همچنان همراه ما هستند. بنابراین مهم نیست که موتور احتراقی بنزینی باشد یا دیزلی، تا زمانی که موتورهای درون‌سوز در دنیا وجود داشته باشند؛ فرآیند کاری آن‌ها مشابه یکدیگر خواهد بود.

سوالات پرتکرار