مفهوم ضریب تراکم سیلندر و اهمیت آن

ضریب تراکم سیلندر ( Compression Ratio ) نسبت حجم سیلندر و محفظه احتراق در زمانی که پیستون در پایین‌ ترین نقطه ( نقطه مرگ پایین – BDC ) است، به حجم همان فضا وقتی پیستون در بالاترین نقطه ( نقطه مرگ بالا – TDC ) قرار دارد، گفته می‌شود.

فرمول کلی:

که در آن:

BDCv = حجم کل سیلندر ( حجم جابجایی + حجم محفظه احتراق )
TDCv = حجم محفظه احتراق

یعنی اگر ضریب تراکم ۱ به ۹ است ( ۹:۱ )، زمانی که پیستون در نقطه مرگ بالا قرار دارد، مخلوط سوخت و هوا را ۹ برابر فشرده می کند نسبت به زمانی که در نقطه مرگ پایین قرار دارد. به عبارت دیگر حجم سیلندر در نقطه مرگ بالا و فشردگی کامل، یک نهم حجم آن در نقطه مرگ پایین است.
بنابراین هرچه ضریب تراکم بالاتری داشته باشیم، فشرده سازی مخلوط سوخت و هوا بیشتر خواهد بود. در نتیجه انفجار قوی تری خواهیم داشت و موتور قدرت بیشتری تولید خواهد کرد.

چرا مهم است؟

توان و بازده موتور: هر چه ضریب تراکم بالاتر باشد، موتور مخلوط هوا-سوخت را بیشتر فشرده می‌کند، در نتیجه انفجار قوی ‌تر و توان بیشتری تولید می‌شود.
مصرف سوخت: موتور با ضریب تراکم بالا معمولاً بازده حرارتی بالاتری دارد و مصرف سوخت کمتری خواهد داشت.
نیاز به سوخت با عدد اکتان مناسب: اگر ضریب تراکم بالا باشد، سوخت باید عدد اکتان بالاتری داشته باشد تا از پدیده ناک ( احتراق زودهنگام ) جلوگیری شود.
دوام موتور: تراکم خیلی بالا اگر با طراحی مناسب همراه نباشد، می‌تواند باعث فشار و دمای بیش از حد روی قطعات شود.

محدوده معمول ضریب تراکم

• خودروهای بنزینی عادی: ۸:۱ تا ۱۲:۱
• خودروهای دیزلی: ۱۴:۱ تا ۲۲:۱ ( به دلیل احتراق خود به‌ خودی سوخت بدون نیاز به شمع )

نمونه خودروها در جهان با بیشترین و کمترین ضریب تراکم

بیشترین:

• Mazda SkyActiv-G : حدود ۱۴:۱ ( بنزینی با طراحی خاص )
• موتورهای دیزلی مدرن مثل مرسدس OM651 : حدود ۱۶:۱ تا ۱۸:۱

کمترین:

• موتورهای قدیمی کاربراتوری → حدود ۷:۱ تا ۸:۱
• خودروهای پرفورمنس توربوشارژ قدیمی ( برای جلوگیری از ناک ) → حدود ۸:۱

نقطه مرگ بالا و پایین پیستون چیست

در موتورهای رفت و برگشتی، مثل موتور خودرو، پیستون داخل سیلندر بین دو نقطهٔ حدی حرکت می‌کند. این دو نقطه را نقطه مرگ بالا ( TDC ) و نقطه مرگ پایین ( BDC ) می‌نامند.

۱. نقطه مرگ بالا (Top Dead Center – TDC)

بالاترین نقطه‌ای که پیستون در سیلندر می‌تواند برسد. محفظه احتراق در این نقطه در کمترین مقدار خود است. در موتور چهارزمانه، در پایان مرحله تراکم و درست قبل از جرقه‌زنی، پیستون در TDC قرار دارد.

اهمیت: محل دقیق TDC برای زمان‌بندی جرقه و سوخت‌رسانی حیاتی است.

۲. نقطه مرگ پایین ( Bottom Dead Center – BDC )

پایین‌ترین نقطه‌ای که پیستون در سیلندر می‌تواند برسد. حجم سیلندر در این نقطه در بیشترین مقدار خود قرار دارد ( حجم جابجایی + حجم محفظه احتراق ). در موتور چهارزمانه، پس از مرحله انفجار و حرکت رو به پایین پیستون، پیستون به BDC می‌رسد.

چرا به آن مرگ می‌گویند؟

در این نقاط، حرکت خطی پیستون لحظه‌ای صفر می‌شود ( قبل از تغییر جهت )، یعنی سرعت پیستون به صفر می‌رسد و سپس مسیر حرکت برعکس می‌شود. به همین دلیل این نقاط به نقطه مرگ ( Dead Center ) معروف شده‌اند.

تغییر ضریب تراکم موتور

ضریب تراکم موتور را می‌توان تغییر داد، اما این کار پیامدهای فنی جدی دارد و تقریباً همیشه بعدش به ریمپ ECU نیاز است تا موتور با شرایط جدید هماهنگ شود.

روش‌های تغییر ضریب تراکم

برای افزایش ضریب تراکم معمولا کارهای زیر انجام می شود.

• تراشیدن سرسیلندر ( کاهش حجم محفظه احتراق )
• استفاده از پیستون‌ های گنبدی یا ارتفاع بیشتر
• کاهش ضخامت واشر سرسیلندر

برای کاهش ضریب تراکم معمولا کارهای زیر انجام می شود.

• استفاده از واشر سرسیلندر ضخیم‌تر
• پیستون‌های کف ‌تخت یا مقعر
• تعویض میل‌لنگ با کورس متفاوت ( Stroke تغییر کند )

نیاز به ریمپ ECU

زمانی که ضریب تراکم تغییر می‌کند، زمان جرقه‌زنی ( Ignition Timing ) باید متناسب با فشار و دمای جدید تنظیم شود. مقدار سوخت‌رسانی (Fuel Mapping) باید تغییر کند تا مخلوط خیلی غنی یا خیلی رقیق نشود. همچنین در صورت افزایش تراکم، باید از سوخت با اکتان بالاتر استفاده شود.
اگر این تغییرات در ECU اعمال نشود، احتمال ناک، افزایش مصرف، یا آسیب مکانیکی بالاست.

نکته مهم!

افزایش تراکم می‌تواند قدرت و بازده حرارتی موتور را بالا ببرد، ولی فقط در صورتی که سوخت مناسب و تنظیمات نرم‌افزاری و مکانیکی به‌درستی انجام شود. کاهش تراکم معمولاً برای استفاده از سوخت بی‌کیفیت یا توربوشارژ کردن موتور انجام می‌شود.

ضریب تراکم موتور EF7

موتور EF7 ، موتور ملی ایران‌خودرو که با همکاری شرکت FEV آلمان طراحی شده است، یکی از بالاترین ضرایب تراکم را بین موتورهای بنزینی تولید داخل دارد. ضریب تراکم این موتور به شرح زیر است:

• ضریب تراکم EF7 بنزینی: حدود ۱۱:۱
• ضریب تراکم EF7 پایه‌گازسوز: حدود ۱۲:۱

عدد بالاتر پایه‌گازسوز به این دلیل است که گاز طبیعی فشرده CNG عدد اکتان بالاتری نسبت به بنزین دارد، پس می‌توان تراکم بیشتری بدون خطر ناک زدن اعمال کرد.

مقایسه با بقیه موتورهای داخلی:

• TU5 (پژو ۲۰۶ و ۲۰۷) → حدود ۱۰.۵:۱
• XU7 ( پژو ۴۰۵ و سمند ) → حدود ۸.۸:۱
• موتور قدیمی OHV پیکان → حدود ۷.۵:۱

اهمیت اکتان بنزین در موتورهای با ضریب تراکم بالا

عدد اکتان بنزین برای موتورهایی با ضریب تراکم بالا مثل EF7 مهم است، چون مستقیماً به جلوگیری از پدیده ناک ( Knock ) مربوط می‌شود.
وقتی ضریب تراکم زیاد است، قبل از جرقه‌زنی شمع، فشار و دمای مخلوط هوا–سوخت در محفظه احتراق بسیار بالا می‌رود. اگر سوخت مقاومت کافی در برابر خود‌اشتعالی نداشته باشد، مخلوط زودتر از زمان مناسب منفجر می‌شود.
این پدیده همان ناک یا کوبش موتور است که باعث ضربه مکانیکی به پیستون و یاتاقان ‌ها، افت توان موتور و افزایش دمای قطعات و خطر آسیب جدی می‌شود.

نقش عدد اکتان

عدد اکتان معیاری از مقاومت بنزین در برابر خود‌اشتعالی است. اکتان بالاتر یعنی مقاومت بیشتر در برابر احتراق زودهنگام.
برای موتور EF7 که تراکم آن ۱۱:۱ است، استفاده از بنزین با اکتان حداقل ۹۵ ایده‌آل است ( اما در ایران معمولاً با بنزین ۹۱–۹۵ کار می‌کند ).

مزیت استفاده از اکتان مناسب

• جلوگیری از ناک
• حفظ توان طراحی‌شده موتور
• کاهش استهلاک قطعات داخلی موتور

ناک زدن چطور اتفاق می افتد

ناک زدن ( Knocking یا Detonation ) وقتی رخ می‌دهد که مخلوط هوا–سوخت در سیلندر زودتر یا به‌طور ناهمگن منفجر شود و موج ضربه‌ای ایجاد کند، نه اینکه به‌صورت یکنواخت و کنترل‌شده توسط جرقه شمع بسوزد.

روند اتفاق افتادن ناک

۱. تراکم زیاد و دمای بالا: وقتی پیستون به سمت نقطه مرگ بالا ( TDC ) حرکت می‌کند، فشار و دمای مخلوط هوا–سوخت بالا می‌رود.

۲. جرقه شمع: شمع در زمان مناسب جرقه می‌زند و شعله شروع به گسترش می‌کند.

۳. احتراق ناخواسته بخش‌های دیگر مخلوط: به دلیل دمای بالا یا کیفیت پایین سوخت (اکتان کم )، بخش‌هایی از مخلوط قبل از رسیدن جبهه شعله خود به‌ خود منفجر می‌شوند.

ایجاد موج ضربه‌ای: این انفجار ناگهانی امواج فشار شدیدی تولید می‌کند که به دیواره سیلندر، سرسیلندر و پیستون برخورد می‌کند و صدای « تق‌تق » یا « کوبش » ایجاد می‌شود.

اثرات مخرب ناک

• آسیب دیدن سطح پیستون ( سوراخ یا ذوب شدن )
• شکستگی رینگ ‌ها
• فشار غیرعادی به یاتاقان ‌ها و میل‌لنگ
• کاهش توان و بازده موتور

بهترین راه حل های بنزین اکتان پایین

برای موتورهایی مثل EF7 که ضریب تراکم بالایی دارند، انتخاب سوخت مناسب حیاتی است تا هم بازدهی موتور حفظ شود و هم از آسیب جلوگیری شود.
بنزین سوپر با اکتان ۹۵ ( یا بالاتر ) بهترین گزینه است. بنزین معمولی در ایران معمولاً اکتان ۸۷–۹۱ دارد که برای EF7 مرزی است و ممکن است باعث ناک شود، به‌خصوص در هوای گرم یا هنگام فشار زیاد روی موتور. اگر بنزین سوپر در دسترس نباشد، استفاده از مکمل‌های افزایش اکتان ( Octane Booster )، اثر موقتی دارد و باید باکیفیت باشد.
رانندگی ملایم‌تر جلوگیری از دور موتور بالا و بار سنگین روی موتور هم می تواند موثر باشد، چون فشار تراکم را کمتر می‌کند.
تنظیم به‌ موقع موتور و سیستم جرقه‌زنی مهم است. زمان جرقه نامناسب، ریسک ناک را افزایش می‌دهد.

نقش سوخت گازی ( CNG ) در EF7

موتور EF7 پایه‌گازسوز دقیقاً برای استفاده از گاز طبیعی فشرده (CNG) طراحی شده است. عدد اکتان CNG حدود ۱۲۰–۱۳۰ است، یعنی بسیار مقاوم در برابر خود‌اشتعالی.
این عدد بالا باعث می‌شود موتور بدون خطر ناک حتی با ضریب تراکم ۱۲:۱ کار کند.
مصرف CNG هزینه سوخت را کاهش می‌دهد و آلودگی کمتری تولید می‌کند. اما عیب آن افت کمی در توان موتور نسبت به بنزین و نیاز به فضای بیشتر برای مخزن است.