تقویت خودرو به شیوه اتمسفریک

افزایش توان یک پیشرانه استاندارد، یک ایدئولوژی پایه برای هر ماشین‌باز و احتمالا مالک هر خودرو است. چه کسی از کسب توان فنی بیشتر از یک پیشرانه استاندارد بدش می‌آید؟ احتمالا هیچکس. اما برای بهبود عملکرد یا به عبارت صحیح‌تر، افزایش توان و گشتاور تولیدی یک پیشرانه، چندین روش مختلف وجود دارد که به صورت کلی در دو گروه اتمسفریک (Atmospheric/ تنفس طبیعی) و پرخوران (Force Induced/ مجهز به توربو یا سوپرشارجر) تقسیم‌بندی می‌شود.

روش دوم به دلیل به کارگیری سیستم پرخوران و نیاز به نصب تجهیزات سنگین نظیر توربوشارژ یا سوپرشارژر و همچنین نیاز به تنظیمات دقیق، مورد بررسی این مقاله نیست. در قدم اول، به بررسی روش‌های بهبود عملکرد اتمسفریک پیشرانه‌های فاقد سیستم‌های پرخوران خواهیم پرداخت که همین موضوع به تنهایی می‌تواند به دو بخش تغییرات ساده و تغییرات پیشرفته تقسیم‌بندی شود.

اصول ابتدایی

در آغاز بیایید به صورت بسیار ساده و مبتدی به اصول ابتدایی کار یک پیشرانه بپردازیم تا درک فاکتورهای تعیین شده به منظور افزایش عملکرد پیشرانه در ادامه این مقاله، ساده‌تر باشد.

در ساده‌ترین شکل ممکن، یک پیشرانه درون‌سوز به یک پمپ هوا تشبیه می‌شود. هرچه میزان ورودی هوا وارد به یک پمپ بیشتر و سریع‌تر باشد، آن پمپ عملکرد بهتری خواهد داشت. در نتیجه باید ببینیم که برای بهبود، تسریع و افزایش حجم ورود و خروج هوا از این پمپ، چه اقداماتی می‌توان انجام داد.

تغییرات ساده

بخش تغییرات ساده به انجام اقداماتی می‌پردازد که اجرای آن‌ها معمولا نیازمند دانش فنی زیاد یا خرد کردن پیشرانه نیست. این دست کارها معمولا با برخی تغییرات شامل باز کردن و بستن برخی قسمت‌های پیشرانه قابل انجام است. انجام این دست تغییرات معمولا به دلیل ساده بودن، در اصطلاح با واژه «اسب بخار مجانی» یا Free Horsepower شناخته می‌شوند.

فیلتر هوا اسپرت

چه خوشتان بیاید چه نیاید، استفاده از فیلتر هوای اسپرت به معنای ساده‌سازی ورود هوا به درون پیشرانه از طریق نصب فیلتر با منافذ ورودی بزرگ‌تر است. در نتیجه این دست فیلترها ضمن بهبود تنفس پیشرانه، موجب ورود ذرات غبار و گرد و خاک به درون پیشرانه شده و نه تنها روغن موتور را زودتر آلوده می‌کنند، بلکه در دراز مدت باعث آسیب دیدن دیواره سیلندرها می‌شوند.

اینتیک و اگزوز

استفاده از منیفولد اینتیک و هدرز اگزوز باز‌تر، بزرگ‌تر و البته سبک‌تر (از جنس آلومینیوم و پلاستیک برای اینتیک یا سرامیک و استل برای اگزوز)، ضمن کاهش وزن خالص خودرو، موجب تنفس بسیار بهتر پیشرانه و ورود و خروج سریع‌تر هوا و گازهای خروجی در دورهای بالاتر می‌شود. استفاده از این دو فاکتور وابسته به نوع پیشرانه، می‌تواند به صورت ترکیبی بین ۵ تا ۵۰ اسب بخار بر توان پیشرانه اضافه کند. البته این موضوع رابطه کامل با نوع ستاپ و قدرت ابتدایی پیشرانه دارد.

تعویض میلسوپاپ

در پیشرانه‌های احتراق داخلی، میلسوپاپ را مغز پیشرانه خطاب می‌کنند. این قطعه به ظاهر ساده اما بسیار پیچیده، وظیفه کنترل زمان‌بندی باز و بسته شدن و البته میزان باز و بسته شدن سوپاپ‌ها در دورهای مختلف را بر عهده دارد. مستقل از تعداد و ستاپ چیدمان این قطعه در پیشرانه، تعویض آن با نمونه‌های اسپرت‌تر (به اصطلاح خشن‌تر)، می‌تواند تا حدودی بر نوع عملکرد و رفتار استاندارد پیشرانه تاثیر گذاشته و افزایش نسبی توان و گشتاور را به همراه داشته باشد. انتخاب میلسوپاپ مناسب با پیشرانه، یکی از پیچیده‌ترین مباحث علمی در موضوع تقویت پیشرانه‌های درون‌سوز است.

ریمپ یا تغییر در جدول AFR و BIT

پیشرانه‌های درون‌سوز، چه از نوع انژکتوری پیشرفته و چه کاربراتوری فاقد هرگونه سنسور، بر اساس دو فاکتور AFR (میزان ترکیب سوخت با هوا) و BIT (جدول زمان‌بندی پایه سیستم جرقه‌زنی) کار می‌کنند. در صورت داشتن دانش کافی (و تجهیزات مورد نیاز مخصوصا درمورد پیشرانه‌های مدرن‌تر انژکتوری)، با اعمال تغییرات در این دو جدول که در اصطلاح به عمل ریمپ (Remap/بازنویسی جداول پیشرانه) مشهور است، می‌توان ویژگی‌های رفتاری پیشرانه را به شکلی کاملا محسوس تغییر داد و توان و گشتاور خروجی را با افزایش مواجه کرد. لازم به ذکر است که تغییرات در این دو جدول می‌تواند به بروز مشکلات فنی، لغو گارانتی و عدم توانایی خودرو در کسب معاینه فنی معتبر منجر شود که در بسیاری از مناطق ایالات  متحده آمریکا و اروپا، کاری غیرقانونی به حساب می‌آید. همچنین انجام دقیق و مفید این تغییرات تنها بر دستگاه سنجش عملکرد پیشرانه (ملقب به داینامومتر یا داینو) ممکن است چرا که بدون آن، میزان بهینه بودن این تغییرات محسوس نیست و حتی می‌تواند با تاثیر منفی همراه باشد.

تقویت سیستم سوخت رسانی و جرقه

استفاده از سیستم سوخت‌رسانی قوی‌تر به منظور پاشش سوخت بیشتر یا به کارگیری سیستم جرقه‌زنی قدرتمندتر، هر دو می‌تواند به افزایش توان و گشتاور خروجی پیشرانه منجر شود. در عین حال لازم است بدانیم که هر پیشرانه در این زمینه محدودیت‌های منحصر به خود را دارد که از ستاپ و طراحی ابتدایی آن نشات می‌گیرد. در نتیجه نمی‌توان سرخود و بدون درنظر گرفتن ستاپ پیشرانه اقدام به افزایش میزان سوخت ورودی کرد. چرا که انجام این مهم می‌تواند به خام‌سوزی یا بدسوزی و اشباع مبدل کاتالیزور (سیستم کاهنده آلایندگی) و در نهایت کاهش خروجی پیشرانه منجر شود. همچنین تقویت سیستم جرقه‌زنی پیشرانه ممکن است همانند کاری بیهوده جلوه کرده و تاثیر خاصی بر خروجی پیشرانه نگذارد. در نتیجه یک پیشرانه فابریک معمولا به بهبود سوخت‌رسانی یا تقویت سیستم جرقه نیازمند نیست. با این حال، تبدیل سیستم سوخت‌رسانی کاربراتور به نوع انژکتوری، مستقیما با بهبود میزان مصرف سوخت و افزایش جزئی توان و گشتاور خروجی پیشرانه منجر می‌شود چراکه تنظیم میزان دقت مخلوط سوخت و هوا در سیستم انژکتوری، بسیار ساده‌تر است و این ترکیب بهینه‌تر و سالم‌تر می‌سوزد.

حذف مجموعه‌ مصرف کننده توان

بسیاری از قطعات جانبی پیشرانه (دورچین پیشرانه) توان حرکتی خود را از میلنگ پیشرانه دریافت می‌کنند. این مجموعه شامل پمپ آب، سیستم هیدرولیک فرمان و فن مکانیکی (در خودروهای قدیمی‌تر) می‌شود. در نتیجه می‌توان با تبدیل سیستم کمک فرمان هیدرولیکی خودرو به نمونه الکتریکی، پمپ آب و سیستم خنکاری برقی (یا فن مکانیکی کلاچ‌دار)، فشار مکانیکی را از دوش پیشرانه برداشت و تنها بر عهده دینام گذاشت تا توان و گشتاور تولیدی پیشرانه تنها صرف به حرکت درآوردن خودرو شود.

تغییرات پیشرفته

بخش تغییرات پیشرفته به معرفی مختصر تغییراتی می‌پردازد که انجام آن‌ها بدون شک نیازمند دانش علمی و عملی بسیار بالاتر و همچنین نیازمند خرد کردن پیشرانه برای دسترسی به قطعات داخلی و چیدمان نوین قطعات داخلی آن است. اعمال این دست تغییرات به استفاده از قطعات جدید و انجام کارهای فنی بسیار دقیق محتاج است که حتی بسیاری از مکانیک‌ها توان انجام آن را ندارند.

تغییر در ضریب تراکم

ضریب تراکم (Compression Ratio) احتمالا اولین، مهم‌ترین و محسوس‌ترین المان موثر در توان و گشتاور تولیدی نهایی هر پیشرانه درون‌سوز است که اعمال تغییرات در آن، نیازمند اعمال تغییرات فنی حساس و دقیق در قطعات داخلی پیشرانه، از تعویض سرسیلندرها گرفته تا نوع و طراحی بخصوص پیستون‌ها و میلنگ است. اعمال هرگونه تغییرات در راستای این موضوع که منجر به افزایش ضریب تراکم شود، بدون تردید با افزایش توان و گشتاور پیشرانه نیز همراه خواهد بود. اما از یاد نبرید، افزایش ضریب تراکم نه تنها کاری بسیار هزینه‌بردار، وقت‌گیر و نیازمند دقت است، بلکه افزایش تراکم معمولا با افزایش گازهای آلاینده محیط زیست (گازهای خانواده NoX) و البته نیاز مبرم و اجباری پیشرانه به استفاده از سوخت بسیار مرغوب‌تر همراه خواهد بود. همچنین افزایش قابل توجه ضریب تراکم یک پیشرانه ثابت، عمر مفید قطعات آن را به شکل چشمگیری کاهش می‌دهد. افزایش نیم تا یک واحد در عدد تراکم، نه تنها کاری به نسبت ساده است بلکه تاثیرات منفی آن بر پیشرانه تقریبا قابل چشم‌پوشی است.

افزایش حجم پیشرانه

برای پیشرانه‌های فاقد سیستم‌های پرخوران، یکی دیگر از مهم‌ترین روش‌های افزایش توان و مخصوصا گشتاور، افزایش در حجم ابتدایی پیشرانه است. یک اصطلاح تخصصی آمریکایی در زمینه ساخت و ساز پیشرانه می‌گوید: No replacement, for Displacement. یعنی هیچ جایگزینی برای حجم موتور وجود ندارد. احتمالا این اصطلاح دلیل اصلی حجیم بودن تمامی پیشرانه‌های تاریخ خودروسازی آمریکا است چرا که یک حقیقت است. زمانی که از سیستم کمکی پرخوران (توربوشارژر یا سوپرشارژر) کمک نمی‌گیرید، حجم موتور تنها سلاح برای کسب توان و گشتاور است. هرچه حجم یک پیشرانه بیشتر باشد، توان احتراق و انفجارهای انجام شده در هر پیستون نیز افزایش می‌یابد. پیشرانه‌های حجیم معمولا دور موتور کمتری دارند اما گشتاور آن‌ها در دورهای پایین بسیار بالاتر و البته توان و دوام قطعات آن‌ها نیز در مقایسه با یک پیشرانه کم حجم‌تر دور بالا، بیشتر است.

افزایش حجم یک پیشرانه، معمولا به روش افزایش کورس پیستون (Over Stroke یا استروکر)، افزایش قطر پیستون (Overbore)، یا ترکیبی از هر دو روش انجام می‌شود. متد استروکر هرچند نیازمند اعمال تغییرات دقیق مهندسی (تراشکاری بلوک) است، اما به دلیل ساده‌تر و رایج‌تر بودن به مراتب محبوب‌تر است. در نتیجه دفعه بعد زمانی که نام پیشرانه استروکر (Stroker) را شنیدید، بدانید که با پیشرانه‌ای مواجه هستید که حجم آن در مقایسه با نسخه معمولی، به روش افزایش کورس پیستون افزایش یافته است. به عنوان مثال، پیشرانه ۳۸۳ استروکر (۳۸۳ اینچ مکعب/۶.۲ لیتر) ساخت جنرال موتورز، در حقیقت پیشرانه ۳۵۰ اینچ مکعب یا ۵.۷ لیتر استانداردی است که به کمک کیت استروکر (کیت جایگزین شامل میلنگ، شاتون و پیستون‌های جدید)، به حجم ۶.۲ لیتر ارتقا یافته است.

کاهش وزن و بالانس مجموعه دوار

قطعات درونی پیشرانه نظیر میلنگ، شاتون‌ها و پیستون‌ها، همگی با سرعت دورانی بسیار بالا در گردش هستند. در صورتی که بتوان از وزن این قطعات کاست یا آن‌ها را به سرحد توازن وزنی (بالانس درونی) رساند، می‌توان دور مفید پیشرانه را به شکل محسوسی افزایش داد چرا که افزایش صحیح دور مفید پیشرانه مستقیما به افزایش توان خروجی منجر می‌شود.

انجام این کار از طریق ۲ روش استفاده از قطعات دوار سبک‌تر (از جنس تیتانیوم) و بالانس وزنی این قطعات از طریق دستگاه‌ها و ابزارهای دقیق کامپیوتری انجام می‌گیرد.

افزایش قطر سوپاپ ها

تغییر در ابعاد و افزایش سایز سوپاپ‌های هوا و دود در سرسیلندر پیشرانه به بهبود تنفس و توان ورود و خروج حجم بیشتری از هوا و اختلاط بهتر سوخت و هوا منجر می‌شود که مستقیما بر عملکرد نهایی پیشرانه تاثیر می‌گذارد. البته انجام این کار هم نیاز به دقت بسیار بالا و محاسبات مهندسی دقیق دارد و هم وابسته به دبی هوا سرسیلندر (CFM) یا توان تنفسی پیشرانه است. به عبارت بهتر، افزایش ابعاد (قطر) سوپاپ‌ها از یک اندازه مشخص به بعد، صرف هزینه‌ای بیهوده است که ممکن است تاثیری معکوس به همراه داشته باشد.

پورت و پولیش سرسیلندر

در راستای افزایش قطر سوپاپ‌ها، عمل دیگری بر سرسیلندر پیشرانه انجام می‌گیرد که تحت اصطلاح عمومی پورت و پولیش شناخته می‌شود. همسان‌سازی پورت (Port Matching) اصطلاحی است که به همسان‌سازی ابعاد مسیر ورودی هوا و خروجی گازهای اگزوز در سرسیلندر با ابعاد واشر اینتیک و واشر اگزوز به کار رفته در آن پیشرانه بخصوص اطلاق می‌شود. در این روش از طریق سابیدن دهنه مسیرهای ورودی و خروجی سرسیلندر، ابعاد این مسیرها را با واشر به کار رفته در این دو بخش یکسان می‌کنند تا ورود و خروج هوا با کمترین میزان اصطکاک و توربولانس (آشفتگی دینامیکی هوا) همراه باشد.

همچنین اصطلاح پولیش که پس از کلمه پورت استفاده می‌شود، به سیقل دادن مسیرهای ورودی و خروجی گازهای سرسیلندر اشاره دارد که به منظور کاهش هرچه بیشتر اصطکاک این گازها با دیواره مسیر انجام می‌گیرد. انجام موازی این دو عمل به بهبود تنفس پیشرانه منجر می‌شود اما همانند افزایش قطر سوپاپ‌ها، این کار نیز مستلزم داشتن آگاهی فنی و مهندسی است تا از بروز ایراد در حین انجام فرایند پیشگیری کرده و از انجام بیرویه این کار که منجر به بازده معکوس پیشرانه می‌شود، تا حد ممکن جلوگیری شود.

تزریق ناس، اتانول یا آب

تزریق الکل با خلوص بالا یا گاز نیتروژن اکسید (N2O) به درون پیشرانه که در اصطلاح عمومی با کلمه ناس (NOS) شناخته می‌شود، تاثیری همانند استفاده از سیستم‌های پرخوران روی پیشرانه دارند و می‌تواند منجر به خنک‌تر کار کردن پیشرانه و افزایش توان و گشتاور خروجی چشمگیر (تا بیش از ۵۰ درصد)، اما به صورت ناگهانی و موقت منجر شود.

البته اجرای این تکنیک به دلیل تزریق مواد محترقه متفاوت به درون پیشرانه، معمولا با تغییر ناگهانی شدت احتراق (تغییر در ضریب تراکم پیشرانه) منجر می‌شود. در نتیجه انجام آن نیازمند ستاپ ابتدایی اجزا درونی پیشرانه به منظور تحمل این تغییرات فاحش است. در نتیجه تزریق ناس یا اتانول (یا حتی آب) به درون یک پیشرانه معمولی، می‌تواند حتی بلافاصله به ترک خوردن ناگهانی سرسیلندر، سوختن سریع واشر سرسیلندر (واشر زدن)، شکستن یا ذوب شدن پیستون‌ها، شکستن رینگ‌های پیستون یا خم شدن یا شکستن شاتون‌ها (شاتون زدن) منجر شود که با آسیب‌دیدگی جدی پیشرانه و صرف هزینه‌های گزاف برای بازسازی آن همراه خواهد بود. از این رو این روش تنها در پیشرانه‌هایی استفاده می‌شود که از ابتدا برای استفاده از این روش طراحی و ستاپ شده و معمولا کاربردهای غیر روزمره و مسابقاتی (معمولا رقابت‌های درگ/شتاب) دارند.

نتیجه گیری

انجام تمامی این تغییرات ساده و پیشرفته، معمولا به صورت یک پکیج بر پیشرانه‌ها پیاده می‌شود. به بیان ساده‌تر، اجرای یک یا دو تغییر نام برده شده بر یک پیشرانه احتراق داخلی هرچند که با تاثیر علمی همراه است، ممکن است به تنهایی محسوس نبوده و جوابگوی نیاز مالک نباشد. در نتیجه مجموعه تمامی این تغییرات به هنگام بازسازی پیشرانه، به صورت یک پکیج کلی بر آن پیشرانه بخصوص پیاده‌سازی می‌شود تا تاثیر نهایی در مقایسه با هزینه انجام شده، محسوس و منطقی باشد.

وابسته به طراحی فنی و مشخصات ابتدایی یک پیشرانه، انجام همه موارد بیان شده در این مقاله می‌تواند به سادگی تا بیش از ۵۰ درصد به توان نهایی یک پیشرانه احتراق داخلی تنفس طبیعی (اتمسفریک) منجر شود که رقمی به واقع خیره‌کننده و ارزنده است. هرچند که پرخوران کردن یک پیشرانه تنفس طبیعی کاری ساده‌تر با خروجی بسیار بهتر (در مقایسه با اجرت و هزینه انجام شده) است، اما مزیت روش تقویت اتمسفریک در مقایسه با روش پرخوران (استفاده از سیسم توربوشارژر یا سوپرشارژر) در آن است که دوام مجموعه فنی یک پیشرانه تنفس طبیعی (اتمسفریک) همواره بالاتر از یک پیشرانه پرخوران شده است و هماهنگی آن با بازه گسترده‌تری از انواع سوخت‌ها (با عدد اکتان متفاوت) بیشتر و در نتیجه شرایط استفاده عمومی و روزمره آن پیشرانه به خصوص در شرایط مختلف، به مراتب ممکن‌تر است.

نویسنده: شهاب انیسی