حجم موتور و اهمیت آن

دوران کودکی بچه‌های ماشین‌باز دهه ۱۳۶۰، به کارت بازی با اطلاعات خودروهای مختلف گذشت. کارت‌هایی که فاکتور تعداد سیلندر و حجم موتور از اولین و مهم‌ترین اطلاعات درج شده روی آنها بود. هنوز هم فاکتور حجم موتور در بیان اطلاعات فنی مربوط به یک وسیله نقلیه، از مهم‌ترین فاکتورهای فنی وابسته به صنعت خودرو است اما چرا حجم موتور تا این اندازه مهم است؟

در این مقاله سعی داریم بدون ورود به عمق پیچیدگی‌های علم مکانیک سیالات، اهمیت حجم موتور را به زبان ساده بررسی کنیم.

اهمیت حجم موتور

در صنعت خودرو، آمریکایی‌ها ضرب‌المثل مشهوری دارند با عنوان: No Replacement For Displacement. یعنی: «هیچ جایگزینی برای حجم موتور وجود ندارد.» نه سیستم پرخوران (توربو یا سوپرشارژر)، نه سیستم پاشش سوخت مستقیم (GDI) و نه گیربکس‌های دارای ضریب دنده متعدد. آنچه حجم موتور انجام می‌دهد، وظیفه‌ای است که هیچ تکنولوژی جایگزینی نمی‌تواند معادل و جانشین دقیق آن باشد.

پس چرا در صنعت خودروسازی کشورهای دیگر، مخصوصا شرق آسیا و اروپا، این به ظاهر قانون قابل درک، معمولا رعایت نشده است؟ چرا ایتالیایی‌ها و ژاپنی‌ها همواره بر استفاده از پیشرانه‌های دارای حجم کم تمرکز کرده‌اند و تقریبا هنوز هم از این رویه پیروی می‌کنند؟ آیا آمریکایی‌ها در بیان این ضرب المثل مرتکب اشتباه شده‌اند؟ حجم موتور واقعا چه اهمیتی در نفس عملکرد پیشرانه دارد؟

گشتاور، نه قدرت

به بیان بسیار ساده و قابل درک، آنچه یک خودرو را به حرکت در می‌آورد عامل تورک (Torque)، نیروی دورانی یا همان گشتاور است، نه قدرت (اسب بخار)! بر خلاف تبلیغات و رویه استانداردی که سالیان دراز در صنعت خودروسازی رواج یافته است، فاکتور قدرت یا توان (تحت واحدهایی چون اسب بخار، کیلووات، PS) یک فاکتور جانبی حاصل از خروجی فرمول گشتاور است.

آنچه به صورت دورانی از میلنگ پیشرانه‌های احتراق داخلی یا شفت موتورهای الکتریکی به گیربکس، و سپس چرخ‌های خودرو منتقل می‌شود، گشتاور است و نه توان. گشتاور یا تورک که به آن نیروی چرخشی نیز می‌گویند، بر اساس فرمول فیزیکی برابر است با نیرو ضرب در طول محور (T=r x F). در این فرمول بسیار ساده، هیچ خبری از توان نیست. در نتیجه آنچه چرخ خودرو را به چرخش در می‌آورد و خودرو را حرکت می‌دهد، گشتاور است.

حجم موتور چیست؟

حجم موتور مفهومی بسیار ساده است. در هر سیلندر یک موتور خودرو، یک نقطه مرگ بالا (TDC) و یک نقطه مرگ پایین (BDC) وجود دارد. یعنی جایی که پیستون به بالاترین و پایین‌ترین محل ممکن خود می‌رسد. حد فاصل این دو مکان هندسی، فضایی در محفظه سیلندر تشکیل می‌دهد که با فرمول محاسبه حجم استوانه اندازه‌گیری می‌شود. ضرب این رقم در تعداد سیلندر، نشان‌دهنده حجم نهایی پیشرانه مورد نظر است.

به عنوان مثال، در پیشرانه ۸.۴ لیتری V10 داج وایپر نسل پنجم، با تقسیم عدد ۸۴۰۰ (حجم بر حسب واحد سانتیمتر مکعب یا سی‌سی) بر عدد ۱۰ (تعداد سیلندر) به رقم ۸۴۰ سی‌سی دست می‌یابیم که نشان‌دهنده حجم هر یک از سیلندرها در این پیشرانه است.

پیروی از قانون حجم بالا

درست است که اروپایی‌ها و ژاپنی‌ها همواره از رویه به‌کارگیری پیشرانه‌های کم‌حجم پیروی کرده‌اند، اما اگر نگاهی به خودروهای عملکردمحور واقعی (سوپراسپرت‌ها و هایپرکارها) بیندازید، خواهید دید که همه آن‌ها از پیشرانه‌های حجیم بهره می‌گیرند.

به عنوان مثال، فراری 250 GTO دهه ۱۹۶۰ میلادی، از پیشرانه V12 به حجم ۳ لیتر بهره می‌گرفت. یعنی هر سیلندر برابر با ۲۵۰ سی‌سی حجم داشت. اما امروزه همین خودروساز در محصولات رده‌بالای خود از پیشرانه‌های V12 حجم بالا ۶ و ۶.۵ لیتری استفاده می‌کند که حجم هر سیلندر آن برابر با حدود ۵۰۰ سی‌سی است. یعنی دو برابر آنچه در دهه ۱۹۶۰ بود.

این داستان در مورد سایر خودروسازان اروپایی و حتی ژاپنی نیز صدق می‌کند. در نتیجه خودروهای عملکردمحوری همچون لکسوس LFA و لکسوس LC500 یا خانواده محصولات کونیگزگ، مرسدس بنز، استن مارتین و لامبورگینی، از پیشرانه‌های V10 و V8 با حجم ۵ لیتر بهره می‌گیرند که به استاندارد آمریکایی بسیار نزدیک است. اگر موضوع حجم موتور مهم نبود، اروپایی‌ها و ژاپنی‌ها به رویه به‌کارگیری پیشرانه‌های دارای حجم بالاتر روی نمی‌آوردند.

اهمیت حجم موتور در ساختار تنفس طبیعی

موضوع حجم موتور مخصوصا در پیشرانه‌های فاقد سیستم پرخوران (توربو یا سوپرشارژر) اهمیتی بسیار بیشتر از پیشرانه‌های پرخوران دارد. غیرممکن است یک پیشرانه تنفس طبیعی یا NA (Naturally Aspirated) بتواند بدون در اختیار داشتن حجم قابل توجه، گشتاور قابل قبولی تولید کند. به همین دلیل است که پیشرانه‌های کم‌حجم مدرن برای جبران ضعف گشتاور خود به استفاده از سیستم پرخوران روی می‌آورند تا با داشتن احتراق قوی‌تر و با وجود حجم کمتر بتوانند گشتاور مناسبی تولید کنند.

اما زمانی که حرف از زور (گشتاور) و توان حرکتی (مخصوصا در پیشرانه‌های تنفس طبیعی) به میان می‌آید، غیرممکن است بتوان نقش حجم موتور را نادیده گرفت. خودروهایی که به زور زیادی نیاز دارند، بدون تردید چه در فرمت پرخوران و چه در فرمت NA، چه از نوع بنزینی یا دیزلی، بدون تردید از حجم موتور بالایی برخوردارند. مثال ساده این گفتمان خودروهای تجاری و صنعتی نظیر کشنده‌ها، کامیون‌ها، خودروهای صنعتی و معدنی، وانت‌ها و شاسی‌بلندها هستند.

گشتاور چگونه تولید می شود؟

پیشرانه‌های احتراق داخلی، چه از نوع پیستونی و چه دَوَرانی، انفجار سوخت و هوا در محفظه سیلندر را به نحوی به حرکت دورانی بدل می‌کنند که خروجی آن گشتاور است. اما این گشتاور بر اثر احتراق ترکیب سوخت و هوای داخل سیلندر محقق می‌شود. در نتیجه اگر بخواهیم این زور یا گشتاور تولیدی را افزایش دهیم، باید حجم ترکیب سوخت و هوا را بیشتر کنیم و به دلیل بروز انفجار بزرگ‌تر و قوی‌تر، به گشتاور بالاتری دست یابیم. در نتیجه به منظور افزایش حجم ورودی سوخت و هوا، باید حجم سیلندر را افزایش دهیم که معنای آن افزایش حجم نهایی پیشرانه است.

روش های افزایش حجم موتور و گشتاور

بر اساس شکل هندسی استوانه، افزایش حجم یک استوانه با تغییر هم‌زمان یا یکی از فاکتورهای ارتفاع (Stroke) سیلندر یا قطر (Bore) آن انجام می‌شود. در نتیجه در طراحی و تولید پیشرانه‌ها چه به روش استاندارد شرکتی و چه به روش تقویت افترمارکت، حجم موتور به سه روش کلی افزایش می‌یابد.

۱- افزایش همزمان قطر (Bore) و کورس (Stroke) سیلندر، معروف به روش Square

۲- افزایش قطر (Bore) سیلندر، معروف به روش Over Square

۳- افزایش کورس (Stroke)، معروف به روش Under Square

افزایش مجزای هر یک از این دو فاکتور یا همزمان هر دوی آن‌ها، به افزایش نهایی حجم موتور خواهد انجامید. هر یک از این روش‌های افزایش حجم با تغییرات فنی متناظر و مزایا و معایب منحصر به خود همراه است. در نتیجه اینکه افزایش حجم به چه روشی انجام شود، بر اساس علم مکانیک سیالات و نیازهای کاربر از آن پیشرانه به‌خصوص انجام می‌گیرد که بررسی آن از حوصله این مقاله خارج است.

یک روش دیگر برای افزایش گشتاور

آیا تا به حال به این دقت کرده‌اید که چرا یک پیشرانه V8 و یک موتور V12 حتی از ساخته‌های یک شرکت خودروسازی واحد، با حجم موتور یکسان تولید می‌شوند؟ به عنوان مثال شرکت مرسدس بنز پیشرانه ۶ لیتری V8 و ۶.۲ لیتری V12 را به صورتی موازی تولید می‌کند. این دو پیشرانه از حجم تقریبا یکسانی برخوردارند، پس چرا در تعداد سیلندر متفاوت هستند؟ تاثیر تفاوت در تعداد سیلندر چیست؟

هر پیشرانه تک سیلندر ۴ زمانه، یک کورس کامل را در ۷۲۰ درجه (۴ کورس ۱۸۰ درجه‌ای) طی می‌کند. این ۷۲۰ درجه تنها شامل یک مرحله احتراق (تولید گشتاور) است. حالا اگر تعداد دو برابر شود (۲ سیلندر ۴ زمانه)، در هر ۷۲۰ درجه، ۲ احتراق گشتاورساز خواهیم داشت. یعنی هر ۳۶۰ درجه. این تعداد در پیشرانه ۴ سیلندر ۴ زمانه هر ۹۰ درجه و در پیشرانه ۸ سیلندر ۴ زمانه هر ۴۵ درجه محقق خواهد شد.

در نتیجه هرچه تعداد سیلندر بیشتر شود، فاصله زمانی میان احتراق گشتاورساز در پیشرانه کمتر شده و نیروی دورانی یا همان گشتاور تولیدی افزایش خواهد یافت، چرا که مدت زمان خلا (نبود احتراق) کاهش می‌یابد و نیروی دورانی در پیشرانه پیوسته‌تر و نرم‌تر اتفاق خواهد افتاد.

بنابراین گشتاور پیشرانه ۶.۲ لیتری V12 در مقایسه با پیشرانه ۶ لیتری V8 به شکل قابل توجهی بیشتر است. دقیقا به همین دلیل است که برترین خودروهای عملکردمحور جهان، چه از کلاس ماشین‌های اسپرت و چه در کلاس خودروهای تجاری سنگین، معمولا بر پیشرانه‌های سیلندر بالا متکی هستند. به عبارت دیگر، خودروهای عملکرد محور، نه‌تنها حجم بالایی دارند، بلکه معمولا با تعداد سیلندر بیشتری نیز همراه هستند.

نمونه بارز این مثال خودروهای اسپرت نظیر شورولت کوروت (V8)، بوگاتی شیرون (W16)، کامیون‌های کشنده و معدنی (V8، V12، V16 و حتی بالاتر) و حتی خانواده تانک‌های نظامی است.

چرا توربوشارژ جایگزین حجم نیست؟

بسیاری از خودروهای اسپرت امروزی به استفاده از پیشرانه‌های کم‌حجم و کم‌سیلندر اما مجهز به توربوشارژر روی آورده‌اند. خودروسازانی چون ژاپنی‌ها، آلمانی‌ها، ایتالیایی‌ها و حتی چینی‌های امروزی، سالیان دراز است که از پیشرانه‌های کم‌حجم مجهز به توربو بهره می‌گیرند تا ضعف گشتاور تولیدی خود را جبران کنند.

در نتیجه باید جایگزینی برای حجم موتور وجود داشته باشد و از این رو اصطلاح آمریکایی No Replacement For Displacement دیگر درست نیست. پاسخ به این جمله منفی است.

اگر اینگونه بود پس چرا بوگاتی شیرون با وجود داشتن ۴ توربوشارژر هنوز از مزیت تعداد سیلندر بالا (W16) و حجم موتور قابل توجه (۸ لیتر) استفاده می‌کند؟ چرا کونیگزگ با دو توربوشارژر هنوز از پیشرانه ۵ لیتری V8 بهره می‌گیرد؟ چرا خودروهای تجاری سنگین معدنی با داشتن دو توربوشارژر بسیار بزرگ، هنوز به حجم خیره‌کننده فراتر از ۱۶ لیتر و تعداد سیلندر بالا (V16 و حتی V32) متکی هستند؟

داستان از این قرار است که بهبود احتراق و افزایش گشتاور و توان پیشرانه، تنها یکی از ویژگی‌های سیستم‌های پرخوران است. هدف اصلی استفاده از این سیستم در پیشرانه‌های کوچک، بیشتر به منظور بهینه‌سازی مصرف سوخت و بهبود عملکرد در عین حجم کم موتور است.

به عبارت ساده‌تر، اگر به یک پیشرانه قدرتمند نیاز داشته باشید، همچنان محتاج حجم موتور بالا خواهید بود. به همین دلیل است که خودروهای عملکردمحور از هر کلاس، ضمن داشتن سیستم‌های پرخوران بسیار توانمند، همچنان به حجم موتور بالا تکیه می‌کنند. آنچه حجم موتور بالا به صورت ذاتی برای یک پیشرانه تنفس طبیعی انجام می‌دهد، ارائه نیرو دورانی (گشتاور) خالص است. حالا سیستم توربو به میدان می‌آید تا سطح این گشتاور خالص را یک سر و گردن ارتقا دهد.

از این رو خودروهای سنگین، پرزور و قدرتمند نظیر انواع هایپرکارها، شاسی‌بلندهای آفرودی و خودروهای تجاری، همچنان نیازمند داشتن یک ریشه قدرتمند (حجم موتور بالا) در ترکیب با سیستم‌های کمکی (انواع پرخوران) برای بهبود عملکرد خود هستند. در نتیجه ضرب المثل قدیمی آمریکایی جایگزینی برای حجم موتور نیست، همچنان به درستی صدق می‌کند.

مزایا و معایب حجم موتور بالا

به طور طبیعی، هر سیستم فنی با برخی نقاط ضعف و مزیت همراه است. استفاده از پیشرانه‌های دارای حجم بالا نیز از این قاعده مستثنی نیست. تلاش بر آن است تا در این قسمت به صورت خلاصه به معرفی مهم‌ترین نقاط قوت و ضعف پیشرانه‌های حجم بالا بپردازیم.

نقاط قوت موتور حجیم

استهلاک کم

پیشرانه‌های حجم بالا به دلیل داشتن وزن دورانی بالا (Rotaitional Mass) در دور موتور بسیار کمتر از پیشرانه‌های کم‌حجم کار می‌کنند. از این رو به صورت کلی استهلاک آن‌ها به مراتب کمتر و عمر مفیدشان بسیار بیشتر است.

قابلیت ارتقای فنی زیاد

پیشرانه‌های حجم بالا پایه و چارچوب ابتدایی دستیابی به توان فنی قابل توجه را در اختیار دارند: حجم موتور. در نتیجه تنها با ارائه برخی بهبودهای فنی ساده نظیر استفاده از تراکم احتراق بالاتر، سیستم پرخوران و سوخت باکیفیت‌تر، این پیشرانه‌ها به هیولاهای قدرت و گشتاور بدل می‌شوند.

دوام خیره کننده

پیشرانه‌های حجیم به دلیل داشتن احتراق بزرگ‌تر، معمولا با ساختار فنی قدرتمندتر و متریال اولیه باکیفیت‌تر ساخته می‌شوند. این مهم در ترکیب با فاکتور استهلاک پایین موجب می‌شود دوام نهایی قطعات داخلی این پیشرانه‌ها بسیار زیاد باشد و نیاز کمتری به تعمیرات اساسی داشته باشند.

نقاط ضعف موتور حجیم

مصرف سوخت بیشتر

حجم بیشتر به منظور دستیابی به احتراق قدرتمندتر است. احتراق قدرتمندتر نیز جز با ترکیب مقدار بیشتری از سوخت و هوا ممکن نمی‌شود. در نتیجه پیشرانه‌های حجیم‌تر به صورت ذاتی مصرف سوخت بالاتری دارند.

قدرت کمتر

به دلیل محدود بودن دور موتور بر اثر وجود وزن دورانی (Rotarional Mass) بیشتر، قدرت تولیدی این پیشرانه‌ها که فاکتوری وابسته به دور موتور است، به صورت ذاتی محدود می‌شود. در نتیجه در این پیشرانه‌ها قدرت فدای گشتاور شده است.

وزن بیشتر

با توجه به ابعاد نهایی و متریال به کار رفته در تولید این دست پیشرانه‌ها، وزن نهایی آنها معمولا زیاد است. از این رو برای استفاده در خودروهای سبک و روزمره شهری مناسب نیستند و تنها در صورت تولید با متریال آلیاژی سبک (ظیر آلومینیوم و تیتانیوم) در خودروهای اسپرت به کار گرفته می‌شوند.

معروف ترین موتورهای حجیم

در میان خودروهای تولید انبوه بنزینی تنفس طبیعی، رکورد حجم موتور در تناسب با تعداد سیلندر در اختیار خودروسازان آمریکایی و طرف‌دار ضرب المثل No Replacement for Displacement است. اما به صورت کلی می‌توان به صورت خلاصه از شاهکارهای طراحی حجم بالا در صنعت خودروسازی جهان نام برد.

کادیلاک 500 V8

پیشرانه ۵۰۰ اینچ مکعبی ۸.۲ لیتری کادیلاک در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ میلادی، هیولای حجم موتور و سلطان گشتاور محسوب می‌شد. ۴۰۰ اسب بخار و ۷۵۰ نیوتن.متر گشتاور برای پیشرانه‌ای که خصوصیات اسپرت نداشت، به واقع خیره‌کننده بود. هر سیلندر این پیشرانه برابر با ۱۰۲۵ سی سی حجم داشت. به عبارت دیگر حجم هر سیلندر بیش از یک موتور ام وی ام ۱۱۰ سه سیلندر ۹۹۸ سی‌سی است.

جنرال موتورز ZZ632 V8

پیشرانه ZZ632 V8 اگرچه در مقیاس انبوه به تولید می‌رسد، اما تنها در بازار افترمارکت و به صورت کریت (Crate) در اختیار مشتری قرار دارد. یعنی به‌صورت استاندارد بر هیچ خودرویی در خط تولید شرکت‌های وابسته به جنرال موتورز استفاده نمی‌شود. این پیشرانه ۱۰.۴ لیتر حجم دارد و حجم هر یک از سیلندرهای آن معادل ۱۳۰۰ سی‌سی یا برابر با موتور ۴ سیلندر پراید است. این پیشرانه به صورت استاندارد ۱۰۰۴ اسب بخار قدرت و ۱۱۸۸ نیوتن.متر گشتاور تولید می‌کند.

کرایسلر مگنوم V10

سری ۱۰ سیلندر مگنوم (Magnum V10) کرایسلر به منظور رقابت با سری پیشرانه‌های V10 ترایتن شرکت فورد (Triton V10) طراحی و ساخته شده بود. قدرتمندترین نسخه این پیشرانه با حجم ۸.۴ لیتر برابر با حدود ۸۴۰ سی‌سی برای هر سیلندر، در نسل پنجم (نسل آخر) داج وایپر به کار گرفته شد. این موتور ۶۴۵ اسب بخار قدرت و ۸۱۵ نیوتن.متر گشتاور داشت.

مرسدس بنز AMG M120 V12

سری پیشرانه معرف سری M120 مرسدس بنز با ارتقای مشخصات فنی و حجم به ۷.۳ لیتر برابر با ۶۰۸ سی‌سی برای هر سیلندر، در گروهی از خودروهای عملکردمحور مرسدس بنز به کار گرفته شد. اما مشهورترین نسخه نمونه ۷.۳ لیتری در پاگانی زوندا به قدرت ۵۴۷ اسب بخار و ۷۵۰ نیوتون.متر گشتاور به کار رفت.

نویسنده: شهاب انیسی