موتور خودرو و انواع آن

زمانی که از نوع پیشرانه در یک خودرو صحبت می‌کنیم، شاید توجه نکنیم که این واژه نسبتا آشنا و بسیار ساده می‌تواند دنیای بسیار عجیب و پیچیده‌ای از نظر مهندسی و تاریخچه با خود به همراه داشته باشد. موتور خودرو از نظر طراحی مهندسی، فنی و البته نوع کاربرد، طیف گسترده‌ای از سیستم‌های احتراقی، تنوع در نوع سوخت مورد استفاده، ساختار مهندسی و نوع کاربری را در بر می‌گیرند که موجب می‌شود تعدد و تنوع آن‌ها در عمل به فراتر از آن چیزی برسد که تصورش را می‌کنید.

تعدد و تنوع خیره‌کننده موتور ماشین موجب شد به‌صورت مختصر به دسته‌بندی و معرفی انواع و اقسام پیشرانه‌های مختلف به‌کار‌رفته در صنعت خودروسازی جهان بپردازیم.

انواع موتور خودرو

باید در نظر داشته باشید که پیشرانه به‌کار‌رفته در انواع و اقسام خودروها، بر اساس نوع سوخت‌رسانی، طراحی فنی یا سیکل ترمودینامیکی مورد استفاده، به دسته‌های مختلف و متنوعی تقسیم می‌شوند. اما برای ساده‌تر شدن درک موضوع، در این مقاله تنها به دسته‌بندی کلی پیشرانه‌ها بر اساس ابتدایی‌ترین المان‌های فنی می‌پردازیم.

از‌این‌رو به صورت کلی موتور خودرو را در سه گروه پیشرانه احتراق داخلی (ICE)، الکتریکی (EV) و هیبرید (Hybrid) مد نظر قرار داده و بر اساس این دسته‌بندی ساده، به معرفی زیرمجموعه‌های هر یک از این پیشرانه‌ها می‌پردازیم.

موتور احتراق داخلی (ICE)

موتور درون سوز یا احتراق داخلی و انواع آن، همان‌طور که از نام آنها پیدا است، بر اساس احتراق مخلوط سوخت و هوا در محفظه کاملا بسته (محفظه احتراق) نام‌گذاری شده‌اند و به همین دلیل با عنوان Internal Combustion Engines یا پیشرانه های احتراق داخلی شناخته می‌شوند. این گروه از موتور ماشین بر اساس نوع طراحی و کاربرد، ممکن است از سیکل احتراق کارنو (Carnot)، اتکینسن (Atkinson) یا آتو (Otto) بهره بگیرند، اما این تمایز در ظاهر و عملکرد نهایی پیشرانه خودرو برای راننده و سرنشینان مشهود نیست.

در نتیجه این گروه از پیشرانه‌ها را می‌توان بر اساس نوع سوخت‌رسانی، آرایش مهندسی و سیستم خنک‌کاری تقسیم بندی کرد.

نوع سوخت رسانی

پیشرانه‌های احتراق داخلی به منظور کارکرد با چند مدل سوخت فسیلی و طبیعی تولید می‌شوند. این سوخت‌های رایج شامل بنزین، گازوئیل، گاز طبیعی فشرده (CNG)، بایو فیول (Bio-Fuel) و هیدروژن است.

بنزین، گازوئیل و گاز طبیعی فشرده، هر سه از مشتقات مستقیم نفت خام هستند که از چاه‌های نفت استخراج و به منظور استفاده در حوزه‌های انحصاری، پالایش می‌شوند.

بایو فیول یا سوخت طبیعی، ویژه موتورهای احتراق داخلی پیستونی یا توربینی (موتور جت) است که منحصرا به منظور کار با سوخت‌های طبیعی‌تر و خالص‌تر روغنی (انواع روغن طبیعی نظیر روغن ذرت، روغن سرخ‌کردنی و…) طراحی شده‌اند.

هیدروژن یک عنصر طبیعی گازی موجود در طبیعت است که به دست آوردن آن در حجم و خلوص بالا نیازمند استفاده از انرژی بسیار زیاد است. ازاین‌رو استخراج آن تنها در نیروگاه‌های بزرگ انجام می‌گیرد و چندان فراگیر نیست.

رایج‌ترین خانواده موتور درون سوز یا احتراق داخلی، دو نمونه بنزینی و گازوئیلی (دیزل) است که در صنعت خودروسازی سواری و تجاری، کاربرد فراوان دارد. تمایز اصلی میان این دو سوخت داشتن زنجیره کربنی بیشتر در گازوئیل به نسبت بنزین است. به این معنا که گازوئیل در مقایسه با بنزین دیرتر اما در مدت زمان طولانی‌تری می‌سوزد. در نتیجه پیشرانه‌های دیزلی دارای گشتاور بسیار بالاتر اما توان نسبتا کم‌تر هستند. به همین دلیل است که بنزین با احتراق بسیار آنی‌تر و توانایی تولید قدرت بیشتر (و گشتاور پایین‌تر)، در خودروهای سواری که وزن کمتری دارند و به شتاب و سرعت بالاتر نیازمند هستند، کاربرد و استفاده گسترده‌تری دارد.

سیستم خنک کاری

به‌صورت کلی دو نمونه رایج از سیستم خنک‌کاری برای پیشرانه‌های احتراق داخلی در نظر گرفته می‌شود. هوا خنک یا آب خنک.

همان‌طور که از نام آن پیدا است، پیشرانه‌های هوا خنک به کمک عبور طبیعی یا مصنوعی (به کمک فن مکانیکی یا الکتریکی) جریان هوا خنک می‌شوند تا از افزایش بیش از حد دما در قطعات داخلی جلوگیری کنند. این نوع موتور خودرو به دلیل عدم ایفای نقش مناسب در خنک‌کاری پیشرانه‌های بسیار داغ امروزی، در خودرسازی کنار گذاشته شده و تنها در موتورسیکلت‌سازی کاربرد دارند.

نمونه آب خنک که رایج‌ترین مدل سیستم خنک‌کاری در بیشتر پیشرانه‌های تولیدی جهان است، با کمک گردش کولانت (نام اصلی مایع خنک کننده) به وسیله واتر پمپ در بلوک و سرسیلندر پیشرانه خنک می‌شود و با وجود داشتن پیچیدگی بسیار بیشتر در مقایسه با نمونه هواخنک و به دلیل داشتن بازده بسیار بالاتر، محبوبیت چشم‌گیری در صنعت خودروسازی دارد.

آرایش مهندسی

مهندسی پیشرانه‌های احتراق داخلی کاملا به نوع کاربرد و سوخت مورد استفاده وابسته است. رایج‌ترین موتورهای احتراق داخلی امروزی را نمونه‌های پیستونی رفت و برگشتی (Reciprocating Piston Engine) تشکیل می‌دهند که در خودروهای بنزینی و دیزلی به کار می رود. این نوع از موتور ماشین می‌توانند آرایش‌های مختلف خطی، V شکل، W شکل یا تخت (Boxer) داشته باشند.

در این میان، نمونه‌های نادری از پیشرانه‌های روتاری (دورانی یا وَنکل) و پیشرانه‌های جت (توربینی) نیز وجود دارند که ساختار طراحی آن‌ها نه بر اساس رفت و برگشت، بلکه بر اساس دوران در سرعت بالاتر حول شفت مرکزی است. این گروه از پیشرانه‌ها به دلیل هزینه‌های بسیار زیاد تولید و نگهداری و همچنین برخی ایرادهای مکانیکی و فنی غیر قابل حل، از سال‌های پس از ۲۰۱۰ از صنعت خودروسازی تولید انبوه جهان خداحافظی کردند.

موتور الکتریکی (EV)

خودروهایی که از پیشرانه، یا به عبارت بهتر، موتور الکتریکی (برقی) بهره می‌گیرند، به هیچ عنوان جدید نیستند. موتورهای الکتریکی از نظر طراحی و تولید بسیار ساده‌تر و از نظر عملکرد بسیار پربازده هستند و خلق آن‌ها در حقیقت به ابتدای قرن بیستم (اوایل صده ۱۹۰۰) بازمی‌گردد. عدم دسترسی به تکنولوژی و متریال مورد نیاز برای ساخت باتری‌های پربازده، باعث شد که فراگیری خودروهای برقی در بازار جهان تا قرن بیست و یکم (سال ۲۰۰۰ به بعد) به طول بینجامد.

با پیشرفت امروزی در زمینه تولید انواع باتری‌های دارای بازده بالا، تولید گسترده‌تر خودروهای الکتریکی محقق شده است. این پیشرانه‌ها بر اساس نوع طراحی، شامل یک تا ۴ موتور برقی معمولا از نوع بدون جاروبک (نمونه BLDC یا براش لِس) است که به دلیل توانایی در تولید گشتاور آنی (تولید گشتاور از دور صفر)، طول عمر خیره‌کننده و دوام فنی بسیار بالا، بازده بسیار قابل توجهی در تبدیل نیروی الکتریسیته به انرژی جنبشی دارند. از این رو بازده کاری این نوع موتور ماشین در مقایسه با پیشرانه‌های سوخت فسیلی احتراق داخلی، بسیار بسیار بالاتر (تا بیش از ۳ برابر بیشتر) است.

به دلیل توانایی این دست موتور خودرو در تولید ماکزیمم گشتاور از دور صفر، بسیاری از آن‌ها برای انتقال گشتاور به چرخ‌های خودرو نیازی به وجود گیربکس ندارند. اما نه به این معنا که خودرو الکتریکی فاقد گیربکس باشد، بلکه معمولا از گیربکس‌های کاهنده دور و افزاینده گشتاور ۱ تا ۳ سرعت بهره می‌گیرند.

همچنین لازم به ذکر است که موتورهای الکتریکی و مخصوصا پک باتری به‌کاررفته در آنها غالبا از نوع آب خنک هستند. به این معنا که همانند پیشرانه‌های احتراق داخلی آب خنک، برای کنترل دمای نهایی باتری و موتور خودرو، از کولانت مخصوص برای کنترل دمای کاری و افزایش راندمان و طول عمر نهایی مجموعه الکتریکی خودروهای برقی نیز استفاده می‌شود.

بزرگ‌ترین سد راه موتورهای برقی، تامین نیروی الکتریسیته است که در جهان توسط نیروگاه‌هایی تولید می‌شود که بیشتر آن‌ها برای تولید انرژی الکتریکی از انواع سوخت‌های فسیلی بهره می‌گیرند. در نتیجه پاک بودن و پربازده بودن این دست از موتور ماشین در میان دانشمندان و مهندسان جهان با اختلاف نظرهای بسیار زیاد مواجه است. مشترک‌ترین نظر ممکن در این جامعه صنعتی و علمی امروز، عدم آمادگی کامل جهان امروزی برای فراگیرشدن و استفاده انبوه از خودروهای برقی است.

موتور هیبرید (Hybrid)

بر اساس تعریف، سیستم انتقال نیروی هیبرید به سیستمی گفته می‌شود که به‌صورت ترکیبی از بیش از یک منبع نیروی رانشی بهره بگیرد. به این ترتیب خودرویی که دارای بیش از یک موتور ماشین باشد، هیبرید (به معنای ترکیبی یا دورگه) به حساب می‌آید.

رایج‌ترین نوع خودروهای مجهز به پیشرانه‌های هیبرید را نمونه برقی-بنزینی و پس از آن نمونه دیزل-بنزینی تشکیل می‌دهند. این گروه از خودروها از یک پیشرانه سوخت فسیلی (معمولا بنزینی) و یک مجموعه الکتریکی مستقل بهره می‌گیرند که به‌صورت سری، موازی یا سری-موازی (هم‌زمان) ایفای نقش می‌کند.

ابعاد مجموعه باتری سیستم الکتریکی، نحوه ارتباط میان پیشرانه بنزینی و مجموعه الکتریکی، نحوه اتصال و ارتباط خروجی پیشرانه بنزینی و موتورهای الکتریکی به چرخ‌ها، همگی بر اساس نوع طراحی و شیوه کاربری خودرو مورد نظر و بر اساس فاکتورهای مهندسی صنعتی تعیین و طراحی می‌شود. در نتیجه مجموعه فنی نهایی از طراحی و تعداد موتورها گرفته تا نوع ارتباط میان آن با پیشرانه‌های احتراق داخلی، در میان خودروهای هیبرید بسیار متنوع و پیچیده است.

هدف اصلی از طراحی و تولید خودروهای هیبرید، کمک گرفتن از نیروی پاک الکتریسیته و گشتاور آنی موتورهای الکتریکی به منظور کاهش میزان مصرف سوخت و آلایندگی است که با بازیابی انرژی ازدست‌رفته خودرو (هرگونه اتلاف انرژی، مخصوصا انرژی جنبشی) به بالاترین سطح بازده خود دست می‌یابد. اما بسیاری دیگر از خودروهای عملکرد محور اسپرت نظیر مکلارن P1، پورشه ۹۱۸ اسپایدر، فراری لافراری، بوگاتی توربیون و… از این سیستم هیبرید به عنوان مجموعه افزاینده توان بهره می‌گیرند و هدف آن‌ها نه کاهش مصرف سوخت، بلکه افزایش توانمندی‌های خودرو است.

موتور هیبرید با فراگیری در سال‌های پس از ۲۰۰۰، به عنوان بهترین راه حل برای حفظ توان نهایی خودرو به همراه کاهش مصرف سوخت و آلایندگی به حساب می‌آید. بسیاری از مهندسان، کارشناسان و دانشمندان حوزه خودرو معتقدند که آینده نزدیک، از آنِ خودروهای هیبرید است، نه خودروهای تمام الکتریکی.

سایر انواع موتور خودرو

توجه داشته باشید که پیشرانه ماشین چه از نوع سوخت فسیلی احتراق داخلی و چه الکتریکی و هیبرید، بر اساس زاویه دید و نوع بررسی ممکن است به ده‌ها روش و زاویه دید مختلف دسته‌بندی شود.

به عنوان مثال می‌توان پیشرانه‌های احتراق داخلی را از دیدگاه نوع سیستم سوخت رسانی، تعداد سیلندر، آرایش سیلندر، نوع تنفس، سیستم سوپاپ‌بندی و موتورهای الکتریکی را از نظر سبک طراحی (با جاروبک یا بدون جاروبک)، نحوه اتصال به چرخ‌ها (با گیربکس و بدون گیربکس) و پیشرانه‌های هیبرید را از نظر نوع ارتباط (سریف موازی یا سری-موازی) دسته‌بندی‌ کرد.

آنچه در این مقاله عنوان شد، ساده‌ترین شکل ممکن از دسته‌بندی عمومی پیشرانه‌های به‌کار‌رفته در طیف مختلف خودروهای تولید انبوه امروزی است. از این رو به هیچ عنوان به وجود موتورهای نادر احتراق داخلی نوین یا نمونه‌های آزمایشی و تحقیقی اشاره‌ای نشده است.

آینده موتور خودرو

پیشبینی آینده صنعت خودروسازی از دیدگاه پیشرانه‌های به‌کار‌رفته در آن با گذر زمان نه ساده‌تر، بلکه به مراتب دشوارتر شده است. موتورهای درون سوز (احتراق داخلی) قدمتی فراتر از یک قرن دارند. بازده فنی آن‌ها در طول زمان بیشتر و بیشتر و از میزان آلاینده‌ها و مصرف سوخت آنها نیز به شکل قابل توجهی کاسته شده است. اما مهندسان همچنان در پی استفاده از تکنولوژی‌ و دانش روز هستند تا به نحوی این پیشرانه‌های نسبتا کم‌بازده (در مقایسه با پیشرانه‌های هیبرید و مخصوصا الکتریکی) را با نمونه بهتر، کم‌مصرف‌تر، پاک‌تر و پربازده‌تر جایگزین کنند.

قرار بود صنعت خودروسازی جهان تا سال ۲۰۳۰ به شکل بسیار فراگیر و بسیار گسترده به استفاده از موتورهای الکتریکی به‌جای پیشرانه‌های سوخت فسیلی روی آورد. با ورود عمیق‌تر به داستان طراحی و تولید انبوه خودروهای برقی مشخص شد که تقریبا هیچ کشوری در جهان توان تامین نیروی الکتریسیته بسیار خیره‌کننده برای حجم چند میلیونی از خودروهای برقی را ندارد. تنها کشورهایی که ممکن است توانایی تامین این حجم از انرژی را داشته باشند، به شکل گسترده‌ای به استفاده از نیروگاه‌های اتمی وابسته‌اند که خود به تنهایی یک خطر بالقوه برای سلامت بشریت و پاکیزگی کره زمین به حساب می‌آید.

مجموعه این درگیری‌ها و عدم اتفاق نظر میان خودروسازان و مشتریان نهایی منجر به قدرت گرفتن گروه خودروهای هیبرید در سال‌های اخیر شد. خودروهایی که بخشی از مزایای پیشرانه‌های احتراق داخلی و تمام الکتریکی را با یکدیگر ترکیب کرده و بالانس قابل قبولی از توان و بازده را به ارمغان آورده‌اند.

در چند سال اخیر بسیاری از خودروسازان بزرگ و تراز اول جهان از جمله جنرال موتورز، هیوندای، فولکس واگن و رنو-نیسان اعلام کرده‌اند که هنوز برای تغییر صد در صدی و جایگزینی کامل خودروهای سوخت فسیلی با خودروهای تمام الکتریکی آماده نیستند. از‌این‌رو چنین تغییر بزرگ و فراگیری در صنعت خودروسازی جهان در سال ۲۰۳۰، ممکن است با پیشرفت بیشتر در زمینه‌های علمی و تکنولوژی، کمی دیرتر و در سال ۲۰۵۰ محقق شود.

نویسنده: شهاب انیسی