چه عواملی تعیین‌کننده توان و گشتاور هستند؟

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

بسیاری از صاحبان خودرو و یا کسانی که قصد خرید خودرو را دارند و یا افرادی که در خصوص نحوه عملکرد خودرو اطلاعات کمتری در اختیار دارند تصور می‌کنند که حجم موتور(Engine Volume) مهم‌ترین شاخص تعیین‌کننده توان (اسب بخار) و گشتاور خروجی موتور است. این در حالی است که کسانیکه که در خصوص موتور خودرو اطلاعات تخصصی و بروز دارند و با تکنولوژی‌های جدید آشنائی کامل دارند، می‌دانند که توان و گشتاور خروجی موتور به عوامل و شاخص‌های زیادی بستگی دارند و در موتورهای جدید و امروزی که از تکنولوژی‌های جدیدی برای ساخت آنها استفاده شده است، حجم موتور(Engine Volume) کمترین نقش را دارد.

شاید جملاتی مانند موارد زیر را از بعضی افراد که مدعی داشتن تجربه زیاد در خصوص خودرو هستند، شنیده باشید:

• چگونه ممکن است که موتور 1600cc را بر روی خودرو تالیسمان با آن شاسی بزرگ و سنگین نصب کرده‌اند، قطعاً این خودرو در سراشیبی‌های خیابان‌های شمال شهر تهران و همچنین گردنه‌های جاده‌های ایران مانند جاده چالوس، شهرکرد و گردنه حیران کم خواهد آورد!
• تولیدکننده‌های اروپائی قطعاً با اقلیم ایران آشنا نیستند که موتور 1200cc را بر روی خودرو کپچر قرار داده‌اند، حتماً خودرو پراید از این ماشین جلو خواهد زد!
• ماشین فقط کادیلاک قدیمی که حجم موتور آن 5700cc بود و وقتی راه می‌رفت، زمین رو به لرزش در می‌آورد!

متأسفانه اظهار نظراتی مانند موارد فوق توسط افراد ناآگاه و کم‌سواد همواره موجب گمراه شدن دیگران می‌گردد. این افراد صرفاً با استناد به بعضی اطلاعات نادرست و قدیمی، در خصوص خودروهای جدید اظهار نظراتی می‌کنند که به‌هیچ‌عنوان جنبه علمی نداشته و معتبر نمی‌باشند.

برای بررسی بیشتر ابتدا مشخصات فنی چند مدل پیکان را در ایران ارائه می‌دهیم که شاید بعضی از خواننده‌ها، آشنائی دیرینه با آنها داشته باشند.

همان‌طور که در جدول بالا مشاهده می‌شود توان موتور در پیکان 1725cc، در مدل‌های بالاتر (ردیف دوم و سوم) بدون اینکه تغییری در حجم موتور ایجاد گردد، فقط با تغییر در ضریب تراکم و سیستم سوخت رسانی و همچنین تغییر در جنس سرسیلندر، نسبت به موتور پیکان در ردیف اول افزایش‌یافته است.

موتورهایی که بر روی خودروهای پیکان از سال 1372 به بعد نصب گردید، دستخوش تغییرات زیادی در طراحی شد و سیر تکاملی آنها تا آخرین پیکان‌های تولید شده توسط شرکت ایران خودرو وجود داشت، قدرت این خودروها با تغییر در سیستم سوخت رسانی و همچنین جنس سرسیلندر توانست به حدود 85 اسب بخار(hp) ارتقا پیدا کند.

حال به مشخصات فنی دو خودرو زیر دقت فرمائید که در ایران تولید شده است:

همان‌طور که مشخص است خودرو شورلت نوا با حجم موتور بیش از 4000cc، فقط توانسته است قدرتی در حدود 115 اسب بخار(hp) در دور موتور 4500 و گشتاوری در حدود 151 نیوتن متر تولید نماید و خودرو بیوک ایران با حجمی معادل 5700 سانتی‌متر مکعب، قدرتی معادل 165 اسب بخار(hp) در دور موتور 3800 و گشتاوری معادل 352 نیوتن متر در دور موتور 2400 تأمین کند.

حال به مشخصات خودرو کپچر که از سیستم VVT و همچنین سیستم توربو شارژر بهره می‌برد، توجه نمایید:

همان‌طور که ملاحظه می‌فرمایید حجم موتور این خودرو تنها 1200 سانتی‌متر مکعب است؛ ولی توان خروجی آن بواسطه بهره‌گیری از چندین تکنولوژی جدید از جمله سیستم توربو شارژر، سیستم تزریق سوخت مستقیم و همچنین سیستم VVT، به حدود 120 اسب بخار و گشتاور آن به 190 نیوتن متر رسیده است. با کمی دقت می‌توان متوجه شد که شاخص‌های تعیین‌کننده توان و گشتاور موتور دیگر مانند موتورهای قدیمی، به حجم موتور(Engine Volume) و تعداد سیلندر بستگی ندارد بلکه با به‌کارگیری تکنولوژی‌های جدید و بسیار پیچیده، شاخص‌های تعیین‌کننده توان و گشتاور موتور به عوامل دیگری وابسته هستند که در زیر به‌صورت اختصار به بعضی از آنها اشاره کرده و توضیح کوتاهی در خصوص هر یک ارائه خواهیم نمود، بدیهی است برای کسب اطلاعات تخصصی و دقیق‌تر، لازم است به جزوات و سایت‌های تخصصی مربوطه مراجعه نمود.

حجم موتور(Engine Volume):

یکی از شاخص‌های تعیین‌کننده توان و گشتاور موتور، قطعاً حجم موتور(Engine Volume) است ولی با توجه به آنچه در بالا توضیح داده شده است، دیگر جزء شاخص‌های اصلی نمی‌باشد و افراد آگاه و متخصص که قصد خرید و یا بررسی خودرو مورد نظر خود را دارند، لازم است تا توجه کمتری به آن نمایند.

جنس بلوک و سرسیلندر:

به منظور استفاده از خواص فلز آلومینیوم در صنعت خودروسازی، علاوه بر اینکه جنس سرسیلندر در موتورهای جدید از آلومینیوم است، بلوک سیلندر نیز از همین فلز ساخته می‌شود. به‌کارگیری گسترده از این فلز در قطعات مختلف موتور خودرو، نه تنها موجب کاهش وزن خودرو می‌شود بلکه میزان تبادل گرما با محیط افزایش‌یافته و عملیات خنک کاری بهتر انجام می‌شود. از دیگر خواص آلومینیوم می توان به انعطاف پذیری زیاد، مفاومت در برابر خوردگی و قابلیت شکل پذیری به روش های مختلف اشاره نمود.

تعداد سیلندرها:

تعداد سیلندرها یکی از موارد اصلی در طراحی موتورها است ولی امروزه مهندسین همواره سعی می‌کنند تا تعداد سیلندرها را تا حد امکان کاهش دهند زیرا بالا بودن تعداد سیلندرها، موجب پیچیدگی موتور و افزایش تعداد قطعات می‌شود و تولید، تعمیرات و نگهداری آنها را دشوار می‌کند و هزینه ها را افزایش می دهد.

شکل موتور به لحاظ نحوه قرارگیری سیلندرها:

یکی از مواردی که در طراحی بلوک سیلندر بسیار مهم است، شکل بلوک و نحوه آرایش و چینش سیلندرها در داخل آن است که می‌توان به موتورهای خطی، خورجینی (V شکل)، جناغی، موتورهای Wشکل، رادیکال یا ستاره‌ای، موتور تخت و وانکل نام برد. امروزه همواره سعی می‌شود تا در خودروهای Economic و یا اقتصادی که کاربرد عمومی دارند از ساده‌ترین شکل موتور استفاده شود تا تعداد قطعات آن حداقل باشد و هزینه‌ها کاهش یابد.

ابعاد و کورس پیستون:

یکی از فاکتورهای بسیار مهم در طراحی یک موتور، کورس پیستون (میزان جابه‌جایی پیستون در داخل سیلندر) است. کورس پیستون به عوامل زیادی از جمله ابعاد پیستون، طول شاتون و طول لنگِ متحرکِ میل‌لنگ بستگی دارد، منظور از ابعاد پیستون، قطر قسمت بالای آن (Bore) می باشد. کورس پیستون(Course) در موتورهای قدیمی نسبت به قطر پیستون(Bore) بیشتر بود و این مسئله پیامدهای زیادی را به دنبال داشته است که می‌توان به حجم بالای موتور، استهلاک زیاد پیستون ها، رینگ‌ها و سیلندرها اشاره نمود. این مسئله همچنین موجب می‌شد تا ارتفاع بلوک سیلندر افزایش‌یافته و به دنبال آن، وزن موتور نیز زیاد گردد.

امروزه در طراحی موتورها، همواره سعی می‌شود تا نسبت قطر(Bore) به کورس(Course) پیستون به عدد یک نزدیک باشد، به این موتورها اصطلاحاً موتورهای مربعی گفته می‌شود. از مزایای این موتورها می‌توان به طول کوتاه شاتون و لنگ متحرک میل‌لنگ اشاره نمود که همان‌طور که در بالا عنوان شد، موجب کاهش ارتفاع بلوک سیلندر شده و بدین ترتیب می‌توان موتور را در ارتفاع پائین‌تری نصب نمود که در نهایت موجب می‌شود تا علاوه بر اینکه پایداری خودرو در حرکت و خصوصاً در سر پیچ‌ها بیشتر شود، هزینه‌های ساخت و تولید آن نیز به میزان قابل‌توجهی کاهش یابد.

سیستم VVT:

این سیستم بر روی میل‌سوپاپ‌ها نصب شده و موجب بالارفتن راندمان حجمی موتور می‌گردد که نهایتاً قدرت و گشتاور را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. همچنین این سیستم موجب می‌شود تا دور آرام(Idle) دارای ثبات و پایداری بیشتری باشد و کارایی موتور تا حدود قابل‌توجهی افزایش یابد.

استفاده از پوشش‌های مخصوص در بعضی قطعات اساسی موتور:

جهت به حداقل رساندن اصطکاک، سطح بعضی از قطعات موتور مانند میل‌سوپاپ‌ها، از لایه ای بنام fabric پوشیده شده است.

استفاده از بعضی تکنولوژی‌های ساخت موتور خودروهای مسابقاتFurmula 1 در خودروهای عمومی:

تایپیت های بعضی از انواع موتورهای جدید از نوع DLC  هستند .

این تایپیت ها با لایه از Diamond Like Carbon پوشیده شده‌اند ، این پوشش موجب کاهش اصطکاک می‌شود که نهایتاً راندمان خروجی را افزایش می‌دهد.

این پوشش در خودروهای Formula 1  استفاده شده است.

سیستم توربو شارژر:

شاید اختراع سیستم توربو شارژر و فرآیند بهبود، تکامل و ارتقای آن را بتوان انقلابی در صنعت خودروسازی دانست زیرا نصب این سیستم بر روی موتورها، موجب افزایش قدرت و گشتاور به میزان شگفت‌انگیزی می‌گردد. از مزایای دیگر این سیستم می‌توان به کاهش مصرف سوخت و آلایندگی اشاره نمود.

سیستم تزریق مستقیم سوخت GDI:

نصب این سیستم بر روی موتورهای بنزینی همانند نصب سیستم توربو شارژر، موجب تحول عظیمی در صنعت خودروسازی شده است. تزریق مستقیم سوخت به داخل اتاقک احتراق موجب می‌گررد تا یکنواختی ترکیب بیشتر باشد و همچنین باعث می شود تا جریان گردابی در اتاقک احتراق افزایش یابد. این سیستم نه تنها مصرف سوخت را کاهش می‌دهد بلکه قدرت، توان و همچنین پایداری موتور را به میزان بسیار زیادی افزایش دهد.

ضریب تراکم:

به موازات تکامل موتورهای احتراق داخلی، شرکت‌های نفتی نیز کیفیت سوخت را افزایش داده اند به طوری‌ که امکان متراکم کردن بیشتر مخلوط سوخت و هوا در سیلندر امکان پذیر شده است و مهندسین توانسته اند در خودروهای جدید، ضریب تراکم را تا حد خیلی بالائی افزایش دهند و با استفاده از سنسور Knock و کنترل ضربه و کوبش و همچنین اصلاح زمان جرقه، قدرت و توان را به میزان قابل‌توجهی افزایش دهند.

پوشش دیواره پیستون:

دیواره پیستون در موتور خودروهای جدید از لایه ای بنام Graphite پوشیده شده است که موجب کاهش چشمگیر اصطکاک و افزایش مقاومت می‌گردد. به طور مثال موتورهایی که بر روی خودروهای کپچر و تالیسمان نصب شده‌اند از این تکنولوژی بهره‌مند هستند.

سیستم روغن‌کاری با ظرفیت متغیر (Variable Capacity):

موتورهای جدید مجهز به سیستم روغن‌کاری با ظرفیت متغیر هستند که موجب می‌شود تا فشار روغن بر حسب مقدار باری که بر روی موتور وجود دارد و همچنین متناسب با دور موتور تنظیم گردد و کیفیت عملیات روغن‌کاری تحت هیچ عنوان کاهش پیدا نکرده و قطعات موتور آسیب نبینند.

با توجه به آنچه به اختصار گفته شد و با عنایت به ظهور و پیدایش تکنولوژی‌های جدید و پیچیده، خصوصاً صنعت الکترونیک که در چند دهه اخیر با سرعت بسیار زیادی به صنعت خودروسازی وارد شده است، به وضوح می‌توان نتیجه گرفت که شاخص‌های تعیین‌کننده میزان توان و گشتاور خروجی موتور، از حجم موتور(Engine Volume)، به موارد دیگری تغییر پیدا کرده است، به عبارت دیگر منطقی نیست که برای مقایسه و بررسی قابلیت‌های یک خودرو، صرفاً به حجم موتور(Engine Volume) ، تعداد سیلندرهای موتور و همچنین تعداد سوپاپ‌های نصب شده بر روی آن، اکتفا نمود بلکه بهتر است دید کلی به موتور و قابلیت‌های آن داشته و موتور را مانند یک مکعب دربسته در نظر گرفت که از تعداد زیادی قطعات پیچیده تشکیل شده است و ورودی آن هوا و سوخت است و توسط چندین سنسور و کامپیوتر مدیریت می‌شود و خروجی آن توان و گشتاور است که بر حسب اسب بخار(hp) و نیوتن متر معرفی می‌گردد.

برای اینکه بتوان عملکرد چندین موتور را با یکدیگر مقایسه نمود، می‌بایست میزان توان و گشتاور خروجی آنها را با هم مقایسه نمود. باید بررسی کرد که ماکزیمم توان تولید شده بر حسب اسب بخار(hp) توسط موتور مورد نظر چقدر است و حداکثر توان و گشتاور در چه دور موتوری اتفاق می‌افتد و از همه مهم‌تر اینکه در نمودار توان و گشتاور بر حسب دور موتور، وقتی توان و گشتاور تولید شده به ماکزیمم می رسند، تا چه دور موتوری همچنان پایدار می‌مانند و در چه دور موتوری شروع به کاهش می کنند و میزان شیب کاهش آنها چگونه است. برای درک بهتر آنچه عنوان شد، به نمودار توان و گشتاور بر حسب دور موتور در یک خودرو که از تکنولوژی‌های نسبتاً قدیمی بهره می‌برد، دقت فرمایید:

همان‌طور که در نمودار فوق مشخص است توان(بر حسب اسب بخار) این موتور در دور موتور حدود 5500rpm(دور در دقیقه) به حداکثر میزان خود می‌رسد و صرفا در محدوده خیلی کوتاهی(شاید مابین 5450 تا 5550 دور در دقیقه) در بیشترین مقدار باقی مانده و سپس با شیب زیادی کاهش می‌یابد که علت این افت، عمدتاً به دلیل کاهش شدید راندمان حجمی است. همچنین گشتاور نیز حدوداً در دور موتور 3750، به حداکثر رسیده و این میزان نیز در محدوده خیلی کوتاهی(شاید مابین 3700 تا 3800 دور در دقیقه) در بیشترین مقدار باقی مانده و مجدداً با شیب تندی کاهش می‌یابد.

حال به نمودار زیر دقت کنید که مربوط به یک موتور است که با تکنولوژی جدید ساخته شده است:

حجم این موتور که بر روی خودرو کپچر (خودروهای کپچری که در ایران وجود دارند) نصب می باشد، فقط 1200cc است و تقریباً از تمامی تکنولوژی‌های روز دنیا از جمله سیستم VVT  روی هر دو میل سوپاپ(میل سوپاپ های ورودی و خروجی)، سیستم توربو شارژر، سیستم GDI و سیستم روغن‌کاری با حجم متغیر بهره می‌برد، دیواره‌های پیستون در این موتور با لایه ای از Graphite پوشیده شده‌اند و تایپیت های آن از نوع DLC بوده و دارای پوشش Diamond Like Carbon می باشند. توان این موتور در 4500 دور در دقیقه به حداکثر رسیده و تا حدود دور 5000 ثابت بوده و سپس با شیب کندی کاهش می‌یابد، نکته شگفت انگیزتر مربوط به گشتاور این موتور است که در دور موتور 2000، به حدود 190 نیوتن متر رسیده و تا حدود دور موتور 4000 ثابت می‌ماند و سپس با شیب کمی کاهش می‌یابد، بالا بودن میزان گشتاور در دور 2000 بدین معنی است که لزومی ندارد دنده در دور بالا تعویض شود و نه تنها استهلاک موتور به میزان قابل‌توجهی کاهش می یابد بلکه مصرف سوخت و میزان آلایندگی در موتور نیز به شدت کم می‌شود.

در موتور دیگری که ساختار آن دقیقاً مانند خودرو کپچر است و فقط حجم آن حدود 1600cc بوده و بر روی خودرو تالیسمان(خودروهای تالیسمانی که در ایران وجود دارند) نصب است، حداکثر توان به حدود 190 اسب بخار(hp)، در دور موتور 6000 رسیده و ماکزیمم گشتاور آن 260 نیوتن متر در 2500 دور دقیقه است.

سخن آخر:

با توجه به آنچه عنوان شد بسادگی می‌توان نتیجه گرفت که شاید در موتورهای قدیمی میزان حجم موتور(Engine Volume)، تعداد سیلندرها، تعداد سوپاپ‌ها و مواردی شبیه به آن، در میزان توان و گشتاور خروجی موتور تعیین‌کننده بودند ولی با توجه به تکنولوژی‌های جدید و بسیار پیچیده امروزی، شاخص‌هایی که میزان خروجی توان و گشتاور موتور را تعیین می‌کنند، تغییر کرده اند و همواره باید نگاه کلی تری، جهت بررسی سیستم تولید قدرت و گشتاور خودرو به عمل آورد و نباید صرفاً بر روی یک و یا چند خصوصیت یک موتور تمرکز نمود.

چنانچه اطلاعات فنی شما در خصوص موتور خودرو زیاد نمی‌باشد و قصد دارید تا یک نگاه کلی به مشخصات موتور یک خودرو داشته باشید، همان‌طور که عنوان شد موتور را مجموعه ای از قطعات پیچیده در نظر بگیرید و صرفاً به خروجی آن که توان و گشتاور است، تمرکز داشته باشید و چنانچه قصد دارید تا مشخصات فنی یک خودرو را به‌صورت موشکافانه و با کلیه جزئیات، مورد بررسی قرار دهید، لازم است تا ابتدا مطالعات زیادی در خصوص سیستم‌های مختلف خودرو و همچنین چگونگی مدیریت موتور خودرو(Engine Management) به عمل آورید تا به نتایج خوبی دست یابید.

What factors determine power and torque?

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