شیوه کار موتور خودرو و بخش های آن

موتور خودرو قلب تپنده وسیله نقلیه محسوب می‌شود و وظیفه اصلی آن تبدیل انرژی شیمیایی یا حرارتی موجود در سوخت به انرژی جنبشی یا مکانیکی برای حرکت خودرو است. این فرایند به‌طور معمول در موتورهای درون‌سوز یا احتراق داخلی انجام می‌شود.
در ادامه با بررسی شیوه عملکرد موتور خودرو با مجله اینترنتی خودروآموز همراه باشید.

منظور از موتور احتراق داخلی

موتور احتراق داخلی ( Internal Combustion Engine ) نوعی موتور است که انرژی شیمیایی سوخت ( مانند بنزین، گازوئیل یا گاز ) را از طریق احتراق درون محفظه بسته ( سیلندر ) به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. این برخلاف موتورهای احتراق خارجی ( مانند موتور بخار ) است که احتراق خارج از موتور اتفاق می‌افتد.

چگونه کار می‌کند؟

۱. مخلوط سوخت و هوا وارد سیلندر می‌شود.
۲. پیستون این مخلوط را فشرده می‌کند.
۳. شمع ( در موتور بنزینی ) یا حرارت ناشی از فشار ( در موتور دیزلی ) مخلوط را مشتعل می‌کند.
۴. انفجار باعث حرکت پیستون و چرخش میل‌لنگ می‌شود.
۵. گازهای حاصل از احتراق از طریق اگزوز خارج می‌شوند.

انواع موتورهای احتراق داخلی

اجزای اصلی

• سیلندر: محفظه احتراق.
• پیستون: قطعه متحرک که فشار را به میل‌لنگ منتقل می‌کند.
• میل‌لنگ: حرکت خطی پیستون را به حرکت دورانی تبدیل می‌کند.
• شمع ( در موتور بنزینی ): ایجاد جرقه برای احتراق.
• انژکتور/کاربراتور: مخلوط سوخت و هوا را تهیه می‌کند.

مزایا نسبت به موتورهای احتراق خارجی

• بازدهی بالاتر (تبدیل انرژی بهتر).
• اندازه کوچک‌تر و وزن کمتر.
• پاسخ سریع‌تر به تغییرات دور موتور.

معایب

• آلایندگی بیشتر (تولید CO₂ و NOx).
• وابستگی به سوخت‌های فسیلی.
• سروصدا و لرزش بیشتر.

کاربردها

• خودروهای سواری، کامیون‌ها، موتورسیکلت‌ها.
• ژنراتورهای برق، قایق‌ها، هواپیماهای کوچک.

موتور درون‌سوز یا احتراق داخلی چطور کار می کند؟

در موتور درون‌سوز مخلوطی از هوا و سوخت وارد محفظه احتراق می‌گردد، سپس توسط پیستون متراکم می‌شود و در لحظه مناسب با جرقه شمع مشتعل می‌گردد.
انفجار حاصل از احتراق باعث حرکت پیستون به سمت پایین می‌شود و این حرکت خطی توسط میل‌لنگ به حرکت دورانی تبدیل می‌گردد. در نهایت این حرکت دورانی از طریق گیربکس و سیستم انتقال قدرت به چرخ‌ها منتقل می‌شود و خودرو را به حرکت درمی‌آورد.
موتورهای مدرن با بهره‌گیری از سامانه‌های الکترونیکی، سیستم تزریق سوخت پیشرفته و کنترل دقیق زمان‌بندی احتراق، علاوه بر افزایش راندمان و توان خروجی، مصرف سوخت و آلایندگی کمتری نیز دارند.

تفاوت موتور دو زمانه و چهار زمانه

موتورهای درون‌سوز بر اساس نحوه انجام چرخه احتراق به دو دسته اصلی دو زمانه و چهار زمانه تقسیم می‌شوند:

موتور دو زمانه

در این موتور، چرخه کامل احتراق ( مکش، تراکم، احتراق و تخلیه ) تنها طی دو حرکت پیستون و یک دور میل‌لنگ انجام می‌شود. به دلیل سادگی مکانیزم، توان بیشتری نسبت به حجم مشابه تولید می‌کند. اما مصرف سوخت و روغن آن بالاتر بوده و آلودگی بیشتری ایجاد می‌کند.
این نوع موتور بیشتر در موتورسیکلت‌های سبک، قایق‌های کوچک و تجهیزات دستی مانند اره برقی استفاده می‌شود.

موتور چهار زمانه

در این موتور، چرخه کامل احتراق طی چهار حرکت پیستون (مکش، تراکم، احتراق، تخلیه) و دو دور میل‌لنگ انجام می‌شود. راندمان سوخت بهتر، آلایندگی کمتر و عمر طولانی‌تری دارد.
ساختار آن پیچیده‌تر است و قطعات بیشتری دارد، اما به‌دلیل دوام و کارایی، در بیشتر خودروها و موتورسیکلت‌های سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرد.
به زبان ساده موتور دو زمانه سریع‌تر و پرقدرت‌تر در حجم کم است، اما بهینه و پاک نیست؛ در حالی ‌که موتور چهار زمانه رایج‌تر، اقتصادی‌تر و سازگارتر با محیط زیست است.

مراحل عملکرد موتور دو زمانه و چهار زمانه

شیوه عملکرد موتور دو زمانه

چرخه احتراق کامل در دو حرکت پیستون ( بالا و پایین ) و یک دور میل‌لنگ انجام می‌شود.

۱. مرحله اول ( پایین رفتن پیستون ، مکش و احتراق همزمان ): با پایین آمدن پیستون، مخلوط هوا و سوخت تازه وارد سیلندر می‌شود. در همین لحظه، گازهای سوخته از طریق مجرای خروجی تخلیه می‌شوند.
۲. مرحله دوم (بالا رفتن پیستون ، تراکم و احتراق ): پیستون بالا می‌آید و مخلوط تازه متراکم می‌شود. شمع جرقه می‌زند و مخلوط محترق می‌شود. انفجار باعث حرکت مجدد پیستون به سمت پایین می‌شود و چرخه تکرار می‌گردد.

بنابراین در موتور دو زمانه، هر دور میل‌لنگ، یک احتراق شکل می‌گیرد.

موتور چهار زمانه

چرخه احتراق کامل در چهار حرکت پیستون ( دو بالا، دو پایین ) و دو دور میل‌لنگ انجام می‌شود.

۱. زمان مکش: پیستون از بالا به پایین حرکت می‌کند. سوپاپ ورودی باز است و مخلوط هوا و سوخت وارد سیلندر می‌شود.
۲. زمان تراکم: پیستون از پایین به بالا می‌رود. هر دو سوپاپ بسته‌اند و مخلوط متراکم می‌شود.
۳. زمان احتراق ( انفجار ): پیستون در بالاترین نقطه است. شمع جرقه می‌زند و مخلوط منفجر می‌شود. فشار گاز پیستون را به پایین می‌راند.
۴. زمان تخلیه: پیستون دوباره به بالا حرکت می‌کند. سوپاپ خروجی باز می‌شود و گازهای سوخته از سیلندر خارج می‌گردند.

در نتیجه در موتور چهار زمانه، هر دو دور میل‌لنگ، یک احتراق شکل می‌گیرد.

بخش های اصلی موتور خودرو

موتور خودرو از بخش‌ها و مجموعه‌های مختلفی تشکیل شده است که هرکدام نقش مهمی در فرآیند تولید توان دارند. به‌طور کلی می‌توان اجزای اصلی موتور را به سه دسته تقسیم کرد:

۱. بخش‌های ثابت ( بدنه و پایه‌ها )

بلوک سیلندر: بدنه اصلی موتور که سیلندرها، مجاری آب و روغن در آن قرار دارند.
سرسیلندر: در بالای بلوک قرار می‌گیرد و محل قرارگیری میل بادامک، سوپاپ‌ها، شمع‌ها و مجاری هوا و دود است.
کارتِر یا کارتِل ( محفظه روغن ): در پایین موتور قرار دارد و روغن روانکار در آن ذخیره می‌شود.

۲. بخش‌های متحرک ( انتقال‌دهنده نیرو )

پیستون: درون سیلندر حرکت رفت و برگشتی دارد و انرژی احتراق را دریافت می‌کند.
شاتون ( Connecting Rod ): پیستون را به میل‌لنگ متصل می‌کند و حرکت خطی پیستون را به میل‌لنگ منتقل می‌نماید.
میل‌لنگ ( Crankshaft ): حرکت رفت و برگشتی پیستون‌ها را به حرکت دورانی تبدیل می‌کند.
فلایویل ( چرخ طیار ): به انتهای میل‌لنگ متصل است و به یکنواخت شدن حرکت موتور کمک می‌کند.

۳. بخش‌های کنترلی و جانبی

سوپاپ‌ها ( ورودی و خروجی ): ورود مخلوط هوا و سوخت و خروج دود را کنترل می‌کنند.
میل‌سوپاپ یا میل‌بادامک ( Camshaft ): زمان‌بندی باز و بسته شدن سوپاپ‌ها را تنظیم می‌کند.
سیستم جرقه‌زنی ( شمع و کویل ): برای احتراق مخلوط هوا و سوخت جرقه ایجاد می‌کند.
سیستم سوخت‌رسانی ( کاربراتور یا انژکتور ): مخلوط مناسب هوا و سوخت را فراهم می‌کند.
سیستم خنک‌کاری ( رادیاتور، واترپمپ، ترموستات ): دمای موتور را کنترل می‌کند.
سیستم روانکاری ( پمپ روغن و مجاری روغن ): قطعات متحرک را روانکاری و از سایش جلوگیری می‌کند.

به زبان ساده، موتور از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود: بدنه ثابت ( بلوک و سرسیلندر )، قطعات متحرک ( پیستون، شاتون، میل‌لنگ ) و سیستم‌های کمکی ( سوخت‌رسانی، جرقه، خنک‌کاری و روانکاری ).

مفهوم حجم سیلندر موتور

حجم سیلندر موتور به مقدار فضایی گفته می‌شود که پیستون درون سیلندر طی حرکت از نقطه مرگ بالا ( TDC ) تا نقطه مرگ پایین ( BDC ) جاروب می‌کند. این حجم معمولاً بر حسب سانتی‌متر مکعب ( cm³ ) یا لیتر ( L ) یا سی‌سی ( CC ) بیان می‌شود.
به عبارت دیگر، حجم سیلندر نشان‌دهنده میزان مخلوط هوا و سوختی است که در هر سیلندر در فرآیند مکش وارد می‌شود. مجموع حجم تمام سیلندرها را حجم کل موتور یا همان Engine Displacement می‌نامند.

مثال: اگر یک خودرو چهار سیلندر، هر سیلندرش ۴۰۰ cm³ حجم داشته باشد:
۴۰۰ × ۴ = ۱۶۰۰ cm³ یا همان ۱.۶ لیتر ( ۱۶۰۰ سی‌سی )

اهمیت حجم سیلندر

توان و گشتاور: هرچه حجم سیلندر بیشتر باشد، امکان ورود مخلوط بیشتری وجود دارد و در نتیجه توان موتور بیشتر می‌شود.
مصرف سوخت: موتورهای حجیم‌تر معمولاً مصرف سوخت بالاتری دارند، چون سوخت بیشتری برای پر کردن حجم سیلندر نیاز است.
رده‌بندی خودروها: یکی از معیارهای دسته‌بندی خودروها در بازار، حجم موتور آن‌هاست (مثلاً ۱.۶ لیتر، ۲ لیتر و …).

در واقع حجم سیلندر یعنی فضای کاری پیستون برای مکش و احتراق؛ هرچه این فضا بیشتر باشد، موتور قوی‌تر ولی پرمصرف‌تر خواهد بود.

انواع موتور در خودروهای قدیمی‌تر و مدرن

موتورها در خودروهای قدیمی و مدرن از نظر ساختار، سوخت، تکنولوژی و نحوه عملکرد تنوع زیادی دارند. به‌طور کلی می‌توان آن‌ها را این‌طور دسته‌بندی کرد:

موتورهای خودروهای قدیمی

موتور کاربراتوری:

• سوخت و هوا توسط کاربراتور مخلوط می‌شد.
• ساده و تعمیرپذیر، اما مصرف سوخت بالا و آلایندگی زیاد داشت.
• موتورهای دو زمانه ( کمتر در خودرو، بیشتر در موتورسیکلت‌ها )
• چرخه احتراق در دو کورس پیستون کامل می‌شد.
• سبک و پرقدرت ولی پرمصرف و آلاینده.

موتورهای چهار زمانه ساده:

• بدون سیستم‌های الکترونیکی پیچیده.
• بیشتر وابسته به مکانیک و سیستم‌های مکانیکی مثل دلکو، وایر شمع، کاربراتور.

موتور خودروهای مدرن

موتورهای انژکتوری ( EFI و GDI ):

• سیستم تزریق سوخت الکترونیکی ( EFI ) یا مستقیم به سیلندر ( GDI ).
• راندمان بالا، مصرف کمتر و آلایندگی پایین‌تر.

موتورهای توربوشارژ و سوپرشارژ:

استفاده از توربوشارژر یا سوپرشارژر برای افزایش هوای ورودی و توان بیشتر در حجم کمتر.

موتورهای هیبریدی:

• ترکیب موتور درون‌سوز و موتور الکتریکی.
• کاهش مصرف سوخت و آلایندگی.

موتورهای الکتریکی ( EV ):

• بدون سوخت فسیلی، با باتری و موتور برقی کار می‌کنند.
• آلایندگی صفر در محل مصرف، بازده بالا.

موتورهای با فناوری‌های نوین:

• استارت-استاپ (خاموش/روشن خودکار در ترافیک).
• سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها ( VVT, VTEC, VANOS و … ) برای بهینه‌سازی راندمان.
• موتورهای کوچک‌تر با توان بالا ( Downsizing ) به کمک توربو و تزریق مستقیم.

به زبان ساده، قدیمی‌ها بیشتر مکانیکی، ساده و پرمصرف بودند. ولی مدرن‌ها هوشمند، الکترونیکی، کم‌مصرف و سازگار با محیط زیست هستند.

انواع موتور با توجه به تعداد سیلندر

موتورهای خودرو بر اساس تعداد سیلندر و نحوه‌ی قرارگیری آن‌ها دسته‌بندی می‌شوند. هر سیلندر در واقع یک واحد احتراق است که با ورود سوخت و هوا و ایجاد انفجار، انرژی مکانیکی تولید می‌کند. هرچه تعداد سیلندرها بیشتر باشد، توان و نرمی عملکرد موتور افزایش می‌یابد. در ادامه انواع رایج موتور بر اساس تعداد سیلندر معرفی می‌شود:

موتور ۲ سیلندر

بیشتر در موتورسیکلت‌ها و خودروهای بسیار کوچک قدیمی استفاده می‌شد. دارای توان کم و مصرف سوخت پایین هستند. لرزش زیاد و کارایی محدود برای خودروهای سبک دارند.

موتور ۳ سیلندر

در خودروهای اقتصادی و کوچک امروزی ( مثل برخی مدل‌های هیوندای یا فورد ) دیده می‌شود. مصرف سوخت بسیار پایین و وزن سبک دارند. نسبت به ۴ سیلندر، لرزش و صدای بیشتری دارد.

موتور ۴ سیلندر ( رایج‌ترین نوع )

پرکاربردترین موتور در خودروهای سواری و خانوادگی محسوب می‌شود. تعادل خوب بین توان، مصرف سوخت و هزینه تولید دارد. این نوع موتور در انواع خطی ( Inline-4 ) طراحی می‌شود. بازه توان آن حدود ۷۰ تا ۲۰۰ اسب بخار در مدل‌های معمولی می‌باشد.

موتور ۶ سیلندر

دو نوع متداول دارد:

خطی ( Inline-6 ): سیلندرها به صورت ردیفی قرار دارند. نرم، بالانس عالی، اما بزرگ و جاگیر.
وی شکل ( V6 ): دو ردیف سه‌تایی در زاویه‌ای حدود ۶۰ یا ۹۰ درجه. جمع‌وجورتر، مناسب برای خودروهای مدرن.

ویژگی‌ها:

• قدرت بیشتر نسبت به ۴ سیلندر ( ۲۰۰ تا ۴۰۰ اسب بخار ).
• مصرف سوخت بالاتر.
• بیشتر در خودروهای لوکس، اسپرت و شاسی‌بلند دیده می‌شود.

موتور ۸ سیلندر یا V8 ( وی هشت )

• محبوب در خودروهای عضلانی آمریکایی، شاسی‌بلندها و خودروهای لوکس.
• صدای خاص و جذاب « V8 rumble ».
• توان بالا ( ۴۰۰ تا ۷۰۰ اسب بخار و بیشتر ).
• مصرف سوخت زیاد.

موتورهای ۱۰ سیلندر ( V10 ) و ۱۲ سیلندر ( V12 )

• ویژه خودروهای سوپر اسپرت ( مثل لامبورگینی، فراری، آستون مارتین ).
• قدرت بسیار بالا ( بیش از ۶۰۰ اسب بخار ).
• عملکرد نرم و بدون لرزش.
• مصرف سوخت و هزینه نگهداری بسیار زیاد.

موتورهای ۱۶ سیلندر ( W16 )

• بسیار نادر، بیشتر در خودروهای فوق‌العاده خاص مثل بوگاتی ویرون و شیرون.
• قدرت بالای ۱۰۰۰ اسب بخار.
• طراحی بسیار پیچیده و هزینه‌بر.

جمع‌بندی:

موتورهای ۳ و ۴ سیلندر: اقتصادی و رایج در خودروهای شهری.
موتورهای ۶ و ۸ سیلندر: پرقدرت‌تر و مناسب خودروهای لوکس و اسپرت.
موتورهای ۱۰، ۱۲ و ۱۶ سیلندر: مخصوص خودروهای سوپر اسپرت و خاص.

نتیجه گیری

موتور خودرو قلب اصلی آن است که وظیفه تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی مکانیکی را بر عهده دارد. این موتورها در انواع مختلفی طراحی می‌شوند که بر اساس تعداد سیلندر و نحوه چینش آن‌ها دسته‌بندی می‌گردند.
به طور کلی، انتخاب نوع موتور به نیاز مصرف‌کننده، کاربری خودرو و اولویت میان قدرت، مصرف سوخت و هزینه وابسته است.