تفاوت توان (اسب بخار) و گشتاور چیست؟

نویسنده: علیرضا کرامتیان، مدیر مرکز فنی(آموزش و پشتیبانی فنی، گارانتی) و شبکه نمایندگی های خدمات پس از فروش شرکت رنو ایران

خودروسازان برای معرفی محصولات خود از شاخص‌های مختلفی استفاده می‌کنند؛ مشخصات ظاهری، ابعاد، امکانات و ویژگی های فنی از جمله مواردی هستند که در اختیار مشتریان قرار می‌گیرند تا آنها بتوانند خودروی مورد نظر خود را انتخاب کنند. حجم موتور، تعداد سیلندرها، نوع موتور به لحاظ شکل قرارگیری سیلندرها، تعداد سوپاپ‌ها و غیره نیز از جمله مشخصات فنی خودرو هستند. برای معرفی کارائی موتور معمولاً از دو مشخصه استفاده می‌شود، توان بر حسب اسب بخار(Horse Power) و گشتاور(Torque) بر حسب نیوتن متر که در میان این دو، اسب بخار در نزد عموم مردم شناخته شده تر است و بیشتر به آن استناد می شود، این در حالی است که افرادی که دارای تخصص بیشتری در مورد نحوه عملکرد خودرو هستند، به میزان گشتاور خودرو بیشتر توجه می‌کنند زیرا در واقع این گشتاور است که موجب گردش چرخ‌های خودرو می‌شود.

اسب بخار چیست؟

اسب بخار برای نشان دادن توان به کار می‌رود و میزان کار انجام شده در واحد زمان را بیان می کند، مطابق تعریف اسب بخار نیرویی است که بتواند 75 کیلوگرم را در مدت یک ثانیه، یک متر بالا ببرد.

اولین سؤالی که ممکن است برای هر شخصی به وجود آید، این است که چرا برای اندازه‌گیری و محاسبه توان، حیوانی مانند اسب مورد سنجش قرار گرفته است و چرا از حیوانات دیگری که ممکن است قوی‌تر و یا سرعت بیشتری از اسب داشته باشند، استفاده‌نشده است. در پاسخ باید گفت که یکی از خصوصیات اسب این است که هم‌زمان دارای قدرت، سرعت و استقامت مناسب است. به‌طور مثال فیل دارای قدرت خیلی بیشتری از اسب است ولی دارای سرعت مناسبی نیست و یا حیوانی مانند یوزپلنگ دارای سرعت خیلی بیشتر نسبت به اسب است ولی قدرت و استقامت مناسبی ندارد و یا حیوانی مانند شتر دارای استقامت خیلی بالائی است ولی سرعت آن قابل‌مقایسه با اسب نیست و در عین حال اسب حیوانی است اهلی که در زمانی که هنوز موتور اختراع نشده بوده است، از آن برای انجام خیلی کارها استفاده می شده است و شاید به همین دلیل بوده است که مخترع معروف اسکاتلندی، جیمز وات در اواخر قرن هجدهم که مشغول بررسی و تحقیق بر روی موتورهای درون‌سوز بود، توان و قدرت اسب را مبنا قرار داده است.

از آن به بعد استفاده از این واژه برای معرفی توان موتورهای دورن سوز، در صنعت خودروسازی مورد استفاده قرار گرفت. برای فهم این شاخص می‌توان چنین گفت که چنانچه یک خودرو دارای توان 105 اسب بخار باشد، بدین معنی است که می‌تواند یک وزنه به میزان 7875 کیلوگرم که از حاصل‌ضرب 105 در 75 (7875 = 75 × 110) بدست‌آمده را، در مدت یک ثانیه، یک متر بالا ببرد. حداکثر میزان توان، برای یک موتور معمولا در دورهای بالای موتور ایجاد می‌شود و خودروسازان برای اعلام این شاخص موتور، همیشه میزان اسب بخار را به همراه دور موتوری که این مقدار در آن اندازه گیری شده است، اعلام می‌کنند.

بطور مثال چنانچه به صفحه مشخصات فنی خودرو تندر، که مجهز به موتور K4M با حجم موتور 1600 سانتی‌متر مکعب است، مراجعه نمائید، با عبارت "حداکثر توان موتور 105 اسب بخار در 5750 دور در دقیقه" مواجه خواهید شد. مفهوم این عبارت این است که در دور موتور 5750 دور در دقیقه، حداکثر توان تولید می‌شود و چنانچه دور موتور از مقدار مذکور بیشتر شود، توان کاهش می‌یابد، عوامل زیادی در کاهش توان موتور نقش دارند که یکی از مهم‌ترین آن‌ها کاهش راندمان حجمی است که با نصب سیستم VVT، راندمان حجمی تا حدودی جبران می‌گردد، به‌ عنوان مثال خودرو مگان 1600 که دارای موتوری همانند خودرو تندر است و تنها فرقی که دارد، این است که سیستم VVT بر روی میل سوپاپ ورودی نصب شده، دارای 115 اسب بخار در دور موتور 6000 دور در دقیقه است یعنی تنها نصب سیستم VVT بر روی میل سوپاپ ورودی، موجب بهبود راندمان حجمی در دورهای بالا شده و توان به میزان 10 اسب بخار افزایش یافته است.

گشتاور چیست؟

بیشتر افراد بسادگی می‌توانند معنای توان و واحد آن(اسب بخار) را درک کنند ولی درک گشتاور اندکی مشکل است زیرا گشتاور کمیتی برداری است و کمتر کسی می‌تواند بدون تسلط بر مفهوم بردار، استنباطِ درستی از واژه گشتاور داشته باشد.

برای درک معنای گشتاور، لازم است تا ابتدا بدانیم که نیرو چیست، مطابق آنچه در شکل زیر نمایش داده‌ شده است، نیرو کمیتی است که موجب حرکت و شتاب گرفتن جسم می‌شود، نیرو کمیتی برداری است و واحد آن نیوتن است.

حال اگر نیرو به هر شکلی برای چرخاندن، گردش و یا دَوَران مورد استفاده قرار گیرد، به آن گشتاور گفته می‌شود، به‌عنوان‌ مثال برای باز کردن در ظرف یک مربا، باز کردن و بستن شیر آب و یا برای باز کردن و یا بستن یک پیچ، همان‌طور که در شکل زیر نمایش داده‌شده است، نیروی بکار رفته گشتاور نامیده می‌شود.

در شکل زیر تفاوت نیروی انتقالی که منجر به انجام کار شده است با گشتاور که موجب چرخش جسم می‌شود، بوسیله شکل نمایش داده‌ شده است، مطابق آنچه گفته شد گشتاور یا نیروی چرخشی، عاملی است که باعث دَوَران یا چرخش جسم می‌شود، به‌عبارت‌دیگر، اثر گشتاور در حرکتِ چرخشی، مانند اثر نیرو در حرکتِ انتقالی است.

مثال ساده‌ دیگری که برای نمایش گشتاور مناسب به نظر می‌رسد، باز کردن در مربا است، جهت باز کردن در مربا نیاز به نیروی چرخشی وجود دارد.

با توجه به توضیحات و مثال‌های فوق، می‌توان گفت گشتاور عاملی است که باعث دوران یا چرخش جسم می‌شود، برای فهم بهتر تفاوت بین نیرو و گشتاور می‌توان چنین عنوان نمود که نیرو برای کشیدن و یا هول دادن یک جسم بر روی زمین بکار می‌رود ولی برای بستن و یا باز کردن شیر آب و یا در یک شیشه مربا، نیاز به گشتاور داریم، واحد نیرو نیوتن و واحد گشتاور نیوتن متر است.

وقتی در سیلندر مخلوط هوا و بنزین محترق می‌شود، موج حاصل از احتراق به سطح پیستون برخورد کرده و آن را به حرکت درمی‌آورد ولی این نیرو قادر به دوران چرخ‌های خودرو نیست و لازم است تا تبدیل به گشتاور شود، به عبارت دیگر جهت حرکت پیستون خطی است و نمی تواند چرخهای خودرو را بچرخاند، برای اینکه حرکت خطی پیستون تبدیل به حرکت دورانی شود، قطعات زیادی مانند گژین پین، شاتون و میل‌لنگ بکار گرفته می شوند و عوامل زیادی مانند موقعیت گژین پین، طول شاتون، طولِ لنگِ متحرکِ میل لنگ، زاویه نیروی اعملا شده به لنگ متحرک و غیره در این خصوص نقش دارند. پس از اینکه نیروی دورانی ایجاد شد، از طریق جعبه‌ دنده، دیفرانسیل و پولوس‌ها، به چرخها منتقل شده و چرخهای خودرو به حرکت در می آیند.

از آنجا که ماهیت و جنس دو شاخص توان و گشتاور با هم متفاوت می باشند لذا نباید انتظار داشت که مقادیر آن‌ها با هم تناسب و سازگاری نزدیکی داشته باشند. در یک موتور احتراقی، میزان حداکثر گشتاور بر خلاف توان، در دورهای ماکزیمم اتفاق نمی‌افتد بلکه معمولا بیشترین گشتاور در دورهای میانی موتور ایجاد می شود، بطور مثال میزان گشتاور در موتور تندر 140 نیوتن متر است که در دور موتور 3750 دور در دقیقه ایجاد می‌شود و یا بیشترین مقدار گشتاور در خودرو مگان 1600cc، در دور موتور 4250 دور در دقیقه ایجاد می‌شود و مقدار آن 151 نیوتن متر می باشد.

در شکل زیر می‌توانید نمودار مقایسه توان و گشتاور را در یک موتور که مجهز به توربوشارژر و سیستم VVT نمی باشد، مشاهده نمایید:

در نموار فوق، بیشترین مقدار توان که با رنگ قرمز نمایش داده‌شده است، در دورهای بالا ایجاد شده و سپس افت کرده است ولی بیشترین مقدار گشتاور که با رنگ آبی مشخص شده است، در دورهای متوسط ایجاد شده و سپس کاهش‌یافته است و به همین دلیل است که همواره رانندگی در دورهای متوسط که دارای بیشترین گشتاور می باشد، توصیه می شود و همچنین گفته می شود که تعویض دنده نیز در همین محدوده یعنی دورهای متوسط انجام گیرد و از حرکت با دور موتورهای بالا پرهیز نماییم زیرا رانندگی و تعویض دنده در دور موتور بالا تنها موجب هدر رفت انرژی، مصرف سوخت بالا و آسیب به موتور می‌شود. یک شخص چنانچه مطابق اصول صحیح و توصیه‌های انجام‌ شده، رانندگی کند و به این نکته که بیشترین گشتاور در خودروئی که در حال رانندگی با آن می باشد، در چه دوری ایجاد می‌شود، توجه داشته باشد و در دور موتور مناسب، اقدام به تعویض دنده نماید، نه‌تنها لازم است کمتر به پمپ‌بنزین و تعمیرگاه مراجعه کند، بلکه در شروع رانندگی از شتاب بیشتری بهره‌مند شده و همچنین در جاده، خیلی زودتر از دیگران، به‌سرعت های بالاتر دست خواهد یافت.

ویژگی یک موتور خوب به لحاظ اسب بخار و گشتاور چیست؟

بنابر آنچه که عنوان شد، از خصوصیات بارز یک موتور، داشتن توان و گشتاور مناسب است، طبق قائده و اصول مهندسی خودرو، یک موتور هرچه توان و گشتاور بیشتری داشته باشد، بهتر است ولی در اینجا باید به چند نکته دیگر نیز توجه نمود، اولی اینکه هرچه حداکثر گشتاور در دور پائین تری تولید شود، آن موتور دارای مشخصات بهتری است و مورد دوم که مهم تر به نظر می‌رسد این است که هرچه مقدار ماکزیمم گشتاور در محدوده بیشتری از دور موتور ثابت و پایدار باشد و افت نکند، آن موتور دارای تکنولوژی ساخت بالاتر و دارای خصوصیات بهتری خواهد بود. برای اینکه منظور از پایداری میزان گشتاور در محدوده بیشتری از دور موتور را متوجه شویم، به نمودار زیر که مربوط به خودرو مشخصات کپچر است، دقت فرمانید:

خودرو کپچر که در ایران مورد استفاده قرار گرفته است، دارای موتوری با حجم  1200cc بوده و مجهز به سیستم توربوشارژر است، سیستم پاشش سوخت آن به‌صورت تزریق مستقیم (DGI) بوده و همچنین از سیستم VVT بر روی هر دو میل‌سوپاپ ورودی و میل‌سوپاپ خروجی بهره می برد، حداکثر توان آن در دور موتور حدود 4500 دور در دقیقه ایجادشده است و مقدار آن 120 اسب بخار بوده و نکته جالب این است که توان آن تا حدود 5000 دور دقیقه نیز تقریباً ثابت بوده و سپس کاهش پیداکرده است. یعنی توان در دور موتور 4500 دور در دقیقه به ماکزیمم رسیده و تا حدود 5000 دور در دقیقه تقریبا ثابت و پایدار مانده و سپس کاهش می یابد ولی آنچه در این موتور بسیار حائز اهمیت بوده و نسبت به موتورهای دیگر، جلب توجه می کند و موجب افزایش بهره وری موتور شده است، این است که بیشترین مقدار گشتاور در دور موتور 2000 دور در دقیقه ایجادشده و مقدار آن 190 نیوتن متر می باشد و تا حدود دور موتور 4000 دور در دقیقه ثابت و پایدار بوده و سپس کاهش می‌یابد که این خصوصیت بسیار مهمی است، این ویژگی به کامپیوتر گیربکس اجازه می‌دهد تا دنده را در دورهای پائین تری تعویض کند که کاهش مصرف سوخت و همچنین آلایندگی کمتر را به دنبال دارد. این در حالی است که در بیشتر موتورها، ماکزیمم میزان گشتاور در دورهای بالاتری ایجادشده و محدوده دور موتوری که میزان گشتاور می‌تواند در آن ثابت و پایدار بماند، خیلی کوتاه‌تر است. با یک نگاه اجمالی به دو نمودار اخیر، می‌توانید تفاوت در شاخص ها را احساس نمایید، در موتور قبلی مقدار توان و گشتاور در دور موتورهای بالاتر ایجادشده و محدوده پایداری دور موتور بسیار کوتاه بوده و هر دو شاخص(توان و گشتاور) خیلی سریع کاهش می‌یابند ولی در موتوری که مجهز به توربوشارژر و سیستم VVT است و از تزریق سوخت مستقیم بهره می‌برد، توان و گشتاور در دور موتورهای پائین تر ایجادشده و محدوده پایداری آن‌ها، خصوصاً شاخص مربوط به گشتاور خیلی بیشتر است.

لازم به ذکر است در زمانیکه اطلاعات خودرو کپچر در ایران در اختیار عموم مردم قرار گرفت، موجب تعجب خیلی از افرادی شد که صرفا به میزان حجم و توان موتور توجه داشتند و حتی انتقاد خیلی ها را از بابت نصب موتوری با حجم 1200cc و توان 120  اسب بخار بر روی خودروئی با ابعاد یک Cross Over نیز به دنبال داشت ولی وقتی این خودرو مورد استفاده قرار گرفت، شاخص گشتاور خیلی بیشتر از قبل، توجه همه را به خود جلب نمود و موجب شد تا اطلاعات افراد و صاحبان خودرو نسبت به واژه گشتاور بیشتر شود. لازم به ذکر است بدانید که در اروپا علاوه بر خودرو کپچر که مجهز به موتور با حجم 1200cc می باشد، مدل دیگری با حجم 1000cc نیز در اختیار مشتریان قرار می گیرد که توان و گشتاور آن به ترتیب 90 اسب بخار و 160 نیوتن متر می باشد، اگر بخواهیم فقط شاخص حجم موتور، توان و گشتاور این موتور را با موتور خودرو تندر مقایسه کنیم، متوجه اختلاف معنی داری در مقادیر آنها خواهیم شد که نشان دهنده این است که موتورهائی که مجهز به تکنولوژی های جدید می باشند، دارای گشتاور بیشتری در دورهای کمتری هستند و میزان ثبات و پایداری، در دورموتور های بیشتری وجود دارد که مصرف سوخت و آلایندگی کمتری را به همراه دارد.

What is the difference between HorsePower and engine Torque?

Writer: Alireza Keramatian/ Renault IRAN Technical Hub and Network Manager